周駿堯

（廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司 佛山 528300）

引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步和我國(guó)工業(yè)化、城市化的高速發(fā)展，人們對(duì)生活環(huán)境要求也不斷提升。吸油煙機(jī)作為人民生活必不可少的廚房電器設(shè)備之一，其吸煙效果直接影響到人們的生活質(zhì)量及身體健康。多翼離心風(fēng)機(jī)具有大風(fēng)量、高靜壓、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，常常作為核心部件應(yīng)用在家用吸油煙機(jī)中。多翼離心風(fēng)機(jī)的工作原理是，電機(jī)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)將氣體加速,然后氣體在蝸殼內(nèi)部減速、改變流向，使動(dòng)能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能（壓力）的過程；家用吸油煙機(jī)一般采用單級(jí)離心風(fēng)機(jī)，烹飪所產(chǎn)生的有害煙氣從軸向進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪，氣流經(jīng)過葉輪時(shí)改變成徑向，最后排除室外。作為多翼離心風(fēng)機(jī)的核心性能部件——葉輪，它是由若干弧形葉片所組成。葉片沿著一定圓周角度均勻分布在圓形蓋板上，它們之間所形成的空間就是葉輪的流道。

葉輪的流道形狀主要取決于三個(gè)因素：葉片數(shù)、葉片型線和葉片厚度，葉輪的流道形狀與多翼離心風(fēng)機(jī)性能優(yōu)劣密切相關(guān)。較少的葉片數(shù)可以增大過流面積，降低加工精度，但會(huì)弱化葉輪對(duì)于流體的控制能力，進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)的壓力與效率；葉片數(shù)過多雖可降低各葉片所受負(fù)荷，但會(huì)使葉片相鄰間距減少，增加空化機(jī)率，影響風(fēng)機(jī)性能。成心德運(yùn)用動(dòng)量守恒理論對(duì)離心葉輪的葉片數(shù)量進(jìn)行深入分析，并最終得到葉片數(shù)量的選取公式（選取σ=2.2～3.5適宜）[1]。

本文利用仿真軟件Fluent對(duì)吸油煙機(jī)的離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行工作狀態(tài)數(shù)值模擬及仿真分析，探究在不同葉片數(shù)量狀態(tài)下的截面速度、壓力、速度動(dòng)能分布等，得出最佳葉片數(shù)量及相關(guān)結(jié)論。

1 仿真建模

1.1 內(nèi)流場(chǎng)建模

常用吸油煙機(jī)的多翼離心風(fēng)機(jī)主要有以下幾個(gè)部分組成：電機(jī)、葉輪、導(dǎo)風(fēng)圈、蝸殼所組成，其中蝸殼有蝸殼圍板、蝸舌、蝸殼支架等，實(shí)際生產(chǎn)是通過鉚接、焊接等工藝把蝸殼鈑金拼接而成部件，所以對(duì)流場(chǎng)影響不大的縫隙進(jìn)行簡(jiǎn)化。建立三維離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型及參數(shù)如圖1及表1所示。

表1 離心風(fēng)機(jī)流道模型參數(shù)

圖1 離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)三維模型圖

葉片數(shù)量選用公式：

根據(jù)公式（1）得到葉片數(shù)量范圍51～80 葉，考慮到葉片太多會(huì)增加安裝精度，故建立葉片數(shù)為52 葉、56 葉、60 葉、64 葉、68 葉的葉輪模型，分別進(jìn)行其工作狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。

1.2 網(wǎng)格劃分

把三維模型導(dǎo)入到ANSYS中，使用SpaceClaim打開并編輯，利用體積抽取命令，提取蝸殼殼體內(nèi)流體域作為蝸殼區(qū)域。通過boolean運(yùn)算刪去蝸殼區(qū)域內(nèi)的葉輪等實(shí)體模型，創(chuàng)建葉輪集合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義為葉輪區(qū)域；為使空氣流入蝸殼速度更均勻，以及蝸殼出口動(dòng)能充分轉(zhuǎn)化為壓力能，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，對(duì)蝸殼進(jìn)口及出口添加延長(zhǎng)段并把它劃分為進(jìn)口和出口延長(zhǎng)區(qū)域；這樣整個(gè)離心蝸殼的計(jì)算區(qū)域分為進(jìn)口區(qū)域、葉輪區(qū)域、蝸殼區(qū)域、出口區(qū)域。定義進(jìn)口壁in和出口壁out，其他壁面wall，待網(wǎng)格生成后進(jìn)行光順和網(wǎng)格質(zhì)量檢查，計(jì)算流體域網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

對(duì)葉輪區(qū)域進(jìn)行加密網(wǎng)格劃分，定義最小單元位2 mm，邊緣膨脹為5 層，增長(zhǎng)率為1.2，各個(gè)葉輪與蝸殼流域間通過 interface 連接。采用逐漸加密網(wǎng)格的方式，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，發(fā)現(xiàn)計(jì)算網(wǎng)格劃分質(zhì)量逐漸趨于穩(wěn)定，為保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)加快求解速度，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為 156 萬(wàn)，網(wǎng)格單元質(zhì)量0.823。

1.3 求解模型及計(jì)算方法

本文所建立的離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)流動(dòng)仿真過程不考慮熱交換，假設(shè)空氣在蝸殼內(nèi)流動(dòng)是穩(wěn)定的,并且旋轉(zhuǎn)域與蝸殼域作用效果是近似平均,只需要求系統(tǒng)的近似解場(chǎng)合，故選擇 MRF 多重參考系方法，SIMPLEC 算法；湍流耗散項(xiàng)、湍流動(dòng)能和動(dòng)量方程的離散均采用二階迎風(fēng)格式，RNG k-湍流模型對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬。在 Fluent軟件中同時(shí)監(jiān)控了迭代殘差、關(guān)鍵截面的壓力、葉輪的無(wú)量綱扭矩等。當(dāng)觀察迭代殘差降低趨勢(shì)情況，同時(shí)監(jiān)視的風(fēng)機(jī)出口的流出空氣質(zhì)量變化量少于0.5 %時(shí)，則認(rèn)為收斂，計(jì)算結(jié)束，如圖3所示。

圖3 出口質(zhì)量變化曲線圖

1.4 仿真結(jié)果分析

因該型號(hào)離心蝸殼系統(tǒng)是通過上、下進(jìn)風(fēng)方式，以蝸殼中間面建立參考平面分別得到不同葉片數(shù)量工作狀態(tài)的靜壓云圖。從圖4的靜壓云圖，可見蝸殼內(nèi)部壓力沿著葉輪依次減少，這是因?yàn)榭諝饬鬟^葉片后，流速漸漸降低，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能；當(dāng)氣流不斷擠壓到蝸殼壁面時(shí)，又使蝸殼壁面壓力不斷增大。隨著氣流沿著壁面流動(dòng)，到達(dá)蝸殼出口處，流速又開始增大，靜壓降低。

從圖4不同葉片數(shù)量的靜壓分布圖可得到，Z=52葉輪所產(chǎn)生的靜壓較低，隨著葉片數(shù)量增加，葉片對(duì)外產(chǎn)生靜壓也不斷增大；但是當(dāng)葉片數(shù)量增加到64 葉以上，隨著葉片之間的流道流入口體積減少，葉片對(duì)氣流做工降低，流速下降，從而導(dǎo)致整個(gè)蝸殼產(chǎn)生靜壓降低。葉片數(shù)量在60 葉左右，其靜壓達(dá)到最大值。

圖4 不同葉片數(shù)量的靜壓云圖

從圖5可見，Z=60比Z=56的最大速度有明顯的提升，且葉片附近速度流場(chǎng)分布更加均勻；Z=56在蝸舌附近出現(xiàn)較大范圍的回流區(qū)域?？梢娙~片數(shù)量為60 葉的離心蝸殼系統(tǒng)，能較有效把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成勢(shì)能。

圖5 流速圖

1.5 性能分析

離心蝸殼效率公式：

式中：

Q—蝸殼出口流量；

H—離心蝸殼全壓；

ω—葉輪轉(zhuǎn)速；

M—旋轉(zhuǎn)葉輪的扭矩。

旋轉(zhuǎn)葉輪的扭矩公式:

式中：

ρ—流體的密度；

U—特征速度；

A—特征面積；

L—特征長(zhǎng)度；

Cm—無(wú)剛量的扭矩系數(shù)。

蝸殼系統(tǒng)全壓、出口流量、旋轉(zhuǎn)葉輪扭矩均可直接從fluent中讀取，見圖6。

圖6 葉輪扭矩

根據(jù)公式（2），以Z=60的離心蝸殼系統(tǒng)為算例，可得效率為：

按照以上步驟，分別得到不同葉片數(shù)量在80 rad/s下的蝸殼系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)及其效率，如表2所示。

表2 不同數(shù)量葉片的蝸殼流量、全壓、扭矩?cái)?shù)值

從上表結(jié)果來(lái)看，當(dāng)葉片數(shù)量小于60 葉時(shí)，蝸殼內(nèi)部產(chǎn)生的全壓較低，而且在蝸舌附近產(chǎn)生回流區(qū)域，影響導(dǎo)致出口流量較少；葉片數(shù)量大于60 葉時(shí)，由于葉片間距減少導(dǎo)致流道體積減少，葉片扭矩降低，流速下降，導(dǎo)致系統(tǒng)效率不高；當(dāng)葉片數(shù)量Z=60時(shí)，扭矩，出口流量、效率達(dá)到駱峰，這表明此時(shí)離心蝸殼性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖7 不同數(shù)量葉片的離心蝸殼效率變化曲線

3 結(jié)論

本文通過fluent三維仿真軟件對(duì)某型號(hào)離心風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行模擬，針對(duì)不同葉片數(shù)量葉輪對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)影響，得到以下結(jié)論：

在相同轉(zhuǎn)速下，隨著葉片數(shù)量的增加，離心蝸殼內(nèi)部的全壓、出口流量也隨之增加，增加一定數(shù)量葉片能強(qiáng)化控制流動(dòng)能力；但隨著葉片數(shù)量不斷增加，會(huì)造成葉片之間的流道體積減少，降低葉輪對(duì)空氣做功能力增加空化率，因此在離心葉輪的葉片數(shù)量上是存在一個(gè)最優(yōu)數(shù)量值。

在實(shí)際離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，可先根據(jù)理論公式，計(jì)算出離心風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量范圍，再結(jié)合fluent進(jìn)行工作模擬，得到葉片最優(yōu)數(shù)量值，能有效縮短離心風(fēng)機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)周期。