流場分析：基于STAR CCM+軸流風葉仿真分析

雙螺桿泵

2023年7月11日 14:58

瀏覽：3436 評論：1 收藏：5

前言

隨著生活水平的不斷提高，人們對生活品質要求越來越高，逐漸由剛性需求逐漸拓展到舒適性、健康性等感性指標上來。空調作為量大面廣的家用電器之一，除給消費者帶來制冷、制熱性作用以外，空調風機系統噪音直接關系到消費的舒適性，因此，低噪風葉正成為軸流風葉設計的一個趨勢。從學科上來看，這類風葉與工業用風葉相比，一方面在結構配置、設計方法和流動特性上有著很大不同；另一方面在性能上，雖然風壓低但風量范圍變化大且氣動及聲學的綜合性能要求高，故這類低壓風機的設計并非易事。特別是在軸流風扇形狀對噪音抑制方面需要進行更深入研究。目前，軸流風葉的設計主要基于實驗和CFD 技術，隨著CFD 技術的成熟和普及，CFD 技術成為空調風葉結構設計的主要手段。本文利用CFD 技術對不同風葉表面形狀和不同葉片外緣翹曲度的空調軸流風葉方案進行仿真分析，然后選擇最優方案制作模卡，進行實驗測試，從而驗證CFD仿真結果。

計算模型

本文以某空調室外機軸流風扇為研究對象，對軸流風扇結構進行優化分析，提高風扇風量同時降低風扇氣動噪音。風扇氣動噪音是空調外機噪音的一個主要來源，目前為了降低風葉氣動噪音，風葉外形在逐步進行仿生設計，例如風葉邊緣做成鋸齒狀，風葉端面打孔，葉片增加“蜻蜓痣”等方法，通過大量實驗證明仿生設計可以降低風葉的氣動噪音。本文對風葉外形進行優化設計，研討風葉外形與噪音的關系。

為節省計算時間，CFD 模擬僅對風扇模型進行分析，研討風扇性能。優化前風葉幾何參數如表1所示。模型如圖1-3 所示，風葉前后端的圓管長度大于10 倍風扇外徑，這主要是為了風葉進出口端湍流能夠達到充分發展階段，模型兩端進出口為壓力邊界條件。

表1 風葉幾何參數

流場分析：基于STAR CCM+軸流風葉仿真分析的圖1

流場分析：基于STAR CCM+軸流風葉仿真分析的圖2

流場分析：基于STAR CCM+軸流風葉仿真分析的圖3

圖1 風葉俯視圖

圖2 風葉側視圖

流場分析：基于STAR CCM+軸流風葉仿真分析的圖4

圖3 計算區域示意圖

網格劃分

CFD 模型利用STAR CCM+ 軟件進行網格劃分，網格劃分為多面體網格，在風扇表面劃分邊界層，網格數量為1255300，網格質量在0.66 以上，在風葉處對網格進行加密處理，CFD 模型兩端為壓力進出口邊界條件，采用非穩態計算，風扇轉速為850RPM。

流場分析：基于STAR CCM+軸流風葉仿真分析的圖5

圖4 網格模型

仿真模型方案

利用STAR CCM+ 軟件對仿真模型進行分析，分析模型共有四種方案，如圖5所示。方案一為原始方案，其余三個方案均為優化改善方案，方案一風葉葉片表面光滑，方案二、三、四在風葉葉片表面進行處理，葉片表面為波浪型，四種方案在葉片表面、葉片外緣翹曲度均有所不同。分別對比分析模型的質量流量與風葉表面的最大湍動能，風量大小關系與風扇的性能曲線，得出葉片表面的最大湍動能與風扇的表面形狀、葉片邊緣翹曲度存在一定的聯系。

流場分析：基于STAR CCM+軸流風葉仿真分析的圖6

流場分析：基于STAR CCM+軸流風葉仿真分析的圖7

圖5 四種方案示意圖

風量分析

監測CFD模型出口流量，對原始方案和改善方案的仿真結果進行對比，可以得出改善方案均比原始方案風量高，其中方案四最大，同比方案一提高7.3%。

流場分析：基于STAR CCM+軸流風葉仿真分析的圖8

圖6 仿真風量對比圖

流場分析

湍動能的大小反應了壓力的脈動程度，湍動能越大說明壓力脈動越大。同時葉片表面的壓力脈動會引起空氣的脈動，從而產生了噪音，因此噪音在頻譜上的峰值一般與葉片表面的最大湍動能存在一定的關系，降低最大湍動能的值可以降低噪音的峰值，從而降低Tonal音（即離散噪音）。

圖7為方案三風葉表面壓力云 圖和湍動能云圖，從圖中可以得風葉壓力最高點和湍動能最大點均出現在風葉前緣，這是因為在風葉旋轉過程中風葉前緣在切割流體時會引起風葉壓力面與吸力面的周期性振動，增大風扇的氣動噪音。因此在設計風葉時，風葉前緣會做適當加厚處理，從而減少風葉的振動最終達到減少氣動噪音的目的。與文獻中在風葉表面增加“蜻蜓痣”是同樣的原理。

流場分析：基于STAR CCM+軸流風葉仿真分析的圖9

圖7 方案三風葉表面截面湍動能云圖

圖8為模型截面的湍動能云圖， 從圖中看出葉片外緣也存在湍動能較大的區域，這主要由風扇外緣處發生脫離的空氣，產生 較大 的漩渦導致。本文正是針對此類渦流設計了不同風扇外緣翹曲度進行研討 。各分析方案的湍動能結果可以得出，方案四的湍動能最大，方案三的湍動能最小，綜合考慮風量與湍動能大小，最終優選方案三為最佳方案。方案三風量比方案四低1.2%，但最大湍動能比方案四降低27%，因此選擇方案三制作模卡，實驗驗證。

流場分析：基于STAR CCM+軸流風葉仿真分析的圖10

圖8 截面湍動能云圖及湍動能對比圖

實驗驗證

利用風洞設備測試方案一與方案三風葉的風量，測試結果表明方案三在整機中風量比方案一大11%。

室外機放置在消音室里，進行噪音測試，根據測試結果得出， 方案三的tonal音比方案一降低1.5dB，從數值看方案三的噪音特性要優于方案一 ，圖9 中紅色曲線為方案三的頻譜噪音曲線，綠色為方案一的曲線，從圖中可以看出改善后風葉的噪音特性有了明顯的改善。將機器放置在室外，從體感上，方案三的噪音要低于方案一，因此方案三有明顯的改善效果。

流場分析：基于STAR CCM+軸流風葉仿真分析的圖11