空调用贯流风机的设计和优化

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1 绪论
1.1 引言
贯流风机是Mortier于1892年最先提出来的。

但是差不多到近代，这种型式的风机才获得广泛应用。

最先提出这种型式风机应用可能的是B.ECK,他于1952年发表了一篇有关贯流风机有关的短论文，在这篇论文中，他第一次提出了“贯流式通风机”这个术语[1]。

他的这篇论文促进了人们重视贯流通风机的作用，引起了人们对这种型式风机进行更多的研究。

此后几十年来，为提高贯流风机的效率并降低噪声，通过各种研究方式，人们获得了许多重要的成果，使得这种风机的应用范围逐渐扩大。

贯流式风机与一般常用的轴流式或离心式通风机不同，它有一个筒形的多叶轮转子，气流沿着径向从转子上侧进入叶轮，然后横穿叶轮区域，第二次通过转子的另一侧流出。

横流式风机这种与众不同的流动方式使得其内流具有其它型式风机所不具有的流动现象。

最先指出这种不同的流动现象的是B.ECK，他用显示气流流动的办法，发现了叶轮内缘存在一个能够控制整个流场的涡流，并指出该涡流的涡核能随着流动情况的不同沿着圆周方向移动[2]。

另外，贯流风机的结构简单，体积较小，产生的气流平稳以及噪声低的特点，使得它适宜装置于各偏平形或细长形的设备里。

最为明显的一个应用就是家用空调室内机。

尽管这种风机的应用广泛，但是到目前为此，贯流风机还没有一个公认的设计理论，其设计都是根据试验进行的。

造成这种现象的原因不仅是由于这种风机内部雷诺数和脉动频率的变化，而且还由于其内部特有的偏心涡流现象。

当横流式风机内部涡流的位置发生变动时，通风机内部所有特性就会发生相应改变。

当放大贯流式通风机尺寸时，就会发现尺寸较大的通风机的性能数据与用相似准则计算得到的通风机性能数据显然不同，并且有的贯流式通风机甚至还出现了相反情况，这表明公认的相似准则在贯流通风机的设计中是行不通的。

由于相似准则的不可靠，人们在设计这种风机时，主要是依靠试验和经验来进行。

这样做的成本无疑是很高的。

所以寻找到一种经
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济而又简单的方法具有很重要的意义，在这种情况下，CFD（计算流体动力学）便有较大的应用价值。

近年来，国内外的许多学者对贯流风机展开深入研究，研究范围主要集中利用数值模拟研究贯流风机的优化和气动噪声的预测。

如何进一步优化贯流风机性能，降低其噪声成为研究者们所关注的内容，人们也在这方面取得了很多成果。

但是这是研究大多集中在改变叶片布置方式，蜗壳型线以及蜗舌间隙上.本文利用CFD技术，通过数值模拟对比不同叶片厚度，不同叶片数和不同叶片型线对性能和气动噪声的影响，得出了一些重要结论，为今后贯流风机的结构设计和匹配提供参考。

1.2 国内外流场研究现状
最先展开贯流风机内流状态研究的是 B.ECK,他经过长时间试验研究和观察，发现转子内侧出现了一个能够控制整个流场的涡流，它作用于圆周一边的内侧，靠近蜗舌处，并随着流动情况的不同沿着圆周方向移动。

他经过研究指出：这个偏心涡是一个规则的势涡。

叶轮内部的旋涡流动就是有一个具有自由移动的涡核所造成的。

由于贯流风机的内部不可避免会出现旋涡流动，使得本来已经排出的空气在惯性和内外压力梯度差的作用下发生倒流，造成叶轮内气体能量的巨大损失。

贯流式通风机的效率就取决于偏心涡引起的回流量占总流量的比例。

根据不同的工作情况，这种由偏心涡所引起的回流量可以很大也可以很小，这取决于控制涡流所采用的方法[2]。

1970年，A.M.Porter[3]对贯流风机内部流场展开研究。

为能够清晰观察贯流风机内部流场，他在水槽中展开了可视化研究，他的研究指出：在不同的工况范围内，贯流风机的蜗壳和蜗舌可以让偏心涡的涡心保持在转子的外缘，由于贯流风机的性能与其中偏心涡的位置具有很大的关系，让涡心保持在转子外缘可以让转子在不利的条件下仍能具有较好的性能。

1975年，Yamafuji等[4]采用CCD相机和流场显示的办法拍射了从叶轮开始旋转到形成稳定偏心涡的过程，他发现：当叶轮开始转动后，许多小涡从叶轮的外侧脱落，脱落涡汇合在一起形成了一个较大的偏心涡，他[5]随后对这个现象展开了理论研究，得到了与实验相吻合的压力和速度分布，研究表明：偏心涡涡核位置的稳定与否与叶
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片给主流的能量和气流由于粘性而耗散能量密切相关。

当这两者相等时，涡核位置就比较稳定，而当这两者不相等时，涡核位置就会发生改变，直到在新的位置稳定下来。

1982年，P.R.Turkey[6]等在对一贯流风机叶轮进行试验研究，详细测量某一范围内的流量系数的流场情况后指出：在叶轮内部出现了一偏心涡，并且在测量的范围内，偏心涡的涡核位置几乎不变，偏心涡在不同和位置具有不同大小和强度。

zzarotto[7]提出了选择定义叶轮形状和蜗壳形状与位置的几何参数的标准。

方法主要集中于蜗壳形状，且以转轮附近的区域被分割成被蜗壳覆盖的扇形区或者自由形成吸入和传递的区域的简单想法为基础，用最少的独立变量来定义包括能提供好的风机性能的后墙和涡墙形状。

随后，他又根据风机结构参数化的一个原始标准，提出了贯流风机特性的系统化研究。

试验设施和步骤是根据ISO标准建立的。

目的是要找到哪些参数最影响风机特性和对风机设计的选择[8]。

1993年，俞大邦[9]等把流动区域分为吸力区、内流区和射流区三部分，对流动进行了不可压、无粘、定常及二维假设，推导了流场的流动方程，并在贯流风机实验台上进行了实验研究，详细测定了速度场和压力场。

1999年，杨波[10]等采用LDV 系统在不同流量下测量了贯流风机的内部流场，在实验数据的基础上对贯流风机偏心涡的成因进行了理论分析,总结了偏心涡的位置及其主要参数随流量变化的规律,并对脱落涡的特点作了进一步的探讨。

2001年zzarotto[11]等提出了一个实验测试程序以了解不同蜗壳形状的雷诺数对性能的影响，实验用了5种形状相似、尺寸不同的转轮，每种转轮在不同的转速下匹配5种蜗壳。

实验结果表明：相似定律适用于雷诺数在某范围附近，十分接近叶片临界雷诺数的场合，也取决于蜗壳的形状特征。

2002年，王晓文[12]等运用烟迹和闪光照相的方法对贯流风机的内部流动进行了流场显示研究，得到了瞬态流场照片，并通过测量多点总压和静压得到了速度分布，还对贯流风机的内部流场进行了数值模拟，发现贯流风机入口处进气不均匀的事实，数值模拟和实验的对照，验证了数值模拟的可行性。

王红雨[13]等利用自己编制的贯流风机流场的专用有限元程序,对不同风机进行了大量的数值计算，通过计算结果的分析与比较,给出了偏心涡旋度大小的范围。

区颖达、王嘉冰[14]用不等距分布斜叶轮的贯
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流风机，减小蜗舌间隙进行实验, 初步探讨了蜗舌间隙对整个贯流风机性能的影响。

2003年，王军[15]等采用数值模拟在叶轮结构不变的情况下，对贯流风机进行二维内流计算, 计算结果定性给出了研究断面的内部流动特征，指出了影响风贯流机内部流动的主要位置为：蜗舌间隙影响内流涡形成的大小和位置；出口出风挡板的结构形式影响出气流场的均匀性；进气蒸发器的布置方式决定进气干涉的大小。

2004年，游斌、吴克启[15]采用非定常数值计算研究了贯流风机内部旋涡的发展过程，发现：偏心涡最初位于进气口，然后横穿旋转区域，最终位于出气侧叶片内圆周上；偏心涡先于贯流产生。

后来，他[16]又采用数值模拟的方法对不同工况下空调贯流风机内部偏心涡的发展规律进行研究，研究表明：随着出口压力的增加, 贯流风机内部偏心涡区域增大, 偏心涡卷吸的能力增强，同时偏心涡的涡核不断向叶轮中心区域移动，而在相同条件下, 增大或减小贯流风机的转速, 偏心涡的涡核几乎不移动[17]。

胡俊伟[18]等利用CFD软件STAR—CD 对贯流风机内部流场和气动噪声进行数值模拟，研究贯流风机不等距叶片对流场和声场的影响，证明了不等距叶片可减小贯流风机基频处的噪声，从而大大降低风机的噪声。

2008年，张师帅、罗亮[19，20，21，22]等利用CFD 软件和设计出的“空调用贯流风机参数化建模软件”,分别对内周叶片角为80°、83°、85°、87°、90°这5 种情况下的贯流风机进行流场计算；对外周叶片角为19°、22°、24°、26°、29 °共5 种情况下的贯流风机进行流场计算；对蜗舌间隙为3mm、4mm、5mm、6mm、7mm 五种情况下的贯流风机进行流场计算；对不同结构参数情况下的贯流风机进行了流场计算，并对内流场与气动噪声之间的关系进行了数值模拟,研究内、外周叶片角及蜗舌间隙变化对贯流风机流量和噪声的影响, 研究结构参数调整对贯流风机性能产生的影响，优化设计参数,提高风机性能。

刘敏[23]等采用3种叶片距分布形式,用数值模拟的方法研究了贯流风机的流场。

他从线性欧拉方程中找出了声源项并得到声源位置及强度,指出了叶轮区域和蜗舌区域是主要的噪声源，又用FW—H方程获得了叶轮处，蜗舌处以及其整体的离散噪声频谱图，比较了不等叶片距对贯流风机性能和BPF噪声的影响；计算结果表明在对性能影响不大的情况下, 不等距叶轮可减小BPF噪声和总A声级噪声。

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Go-Long TSAI[24]等利用一种用烟雾片对竖直方向和水平方向进行研究的特殊的流动显示装置来克服多普勒激光测速仪或者粒子追踪速度计的观察盲点，并且用流线图证实了三维流动的差异。

实验结果表明，RSA-5与没有偏斜角蜗壳的RSA-0相比有较低的声音散发和小的压力下降。

RSA-10同样也比RSA-0的声音更安静，但是它激发了频率在2—4kHz附近的高频成分。

综合考虑是RSA-5为贯流风机转轮最合适的设计。

2005年，Junichiro FUKUTOMI[25]等研究了在贯流风机吸入区域的舌部旁边安装的只有一个叶片的导叶；通过这个导叶，风机可以得到高的压力，并且通过控制入流的预旋可以提高风机性能。

马中苏[26]等在水槽内利用流场可视化的方法,研究了在贯流风机叶栅及外部边界的共同作用下, 二维无源流场的形成机理，同时也研究了不同外部边界、蜗舌等对贯流风机内部流场的影响。

1.3 国内外气动噪声的研究现状
气动声学是在20世纪50 年代才开始发展起来的。

当时Lighthill[27]为计算喷气式飞机尾部的气流噪声，建立了气动声学理论。

后来，Lighthill又在气动声学基本方程的基础上提出了著名的8次定律，即湍流噪声的辐射声功率与流动特征速度的8次方成正比。

Lighthill声拟理论开创了气动声学的时代，得到了广泛应用。

Lighthill声拟理论是针对无界空间中的气流噪声建立的，对于固体边界不起主要作用的地方，比如射流噪声问题，其理论也是适用的。

但在很多情况下，固体边界的影响具有非常重要的意义。

1955年，Curle[28]首先用基尔基尔霍夫定律将Lighthill理论推广到考虑静止固体边界的影响，其理论结果表论：固体边界的作用相当于在整个固体边界上分布偶极子源。

柯尔的理论成功解决了绕流物体的风鸣声以及圆柱漩涡脱体诱发的噪声问题等。

Curle的理论只解决了静止固体边界的发声问题，对于运动边界的发声问题则无能为力，1969年，Ffwocs Williams与Hawking[29]解决了这个问题，他们用广义函数法将Curle的理论扩展到了考虑运动固壁对声音的影响，得到了FW-H方程。

FW-H方程为解决轴流转子的噪声问题提供了有效的方法。

1977年，日本的T.Fukano[30]等人以Lighthill和Curle的理论通过试验研究低压轴
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流风机的噪声，并由相关假设得到了一预测噪声的模型，实验结果和理论计算的对比证明了该模型的准确性。

但所有用于试验的叶轮都是低压小轮毂比，叶片数目较少的叶轮，对于工业上普遍使用的轴流风机还没有得到证明。

徐庶民，徐立功等[31]研究了倾斜叶片的降噪机理。

他们通过对斜叶贯流风机气流与蜗舌碰撞时的压力脉动开展计算，发现采用叶片倾斜安装的横流式叶轮可以有效的降低噪声。

有关的对比实验表明，斜叶轮与直叶轮相比其降噪效果非常可观。

陈沛，区颖达[32]通过实验研究发现贯流风机的最高噪声频谱基本集中在中高频之间，处于这个频段的噪声主要旋转噪声，另外，贯流风机的噪声频谱基本集中在低，中，高三个阶段的区域，这主要是内部涡脱落导致的噪声。

根据这个结论，他们提出相应的降噪措施。

游斌，吴克启[33]对贯流风机斜叶轮和直叶轮进行了数值模拟和实验研究，其结果指出贯流风机偏心涡的位置具有明显的三维特征，斜叶轮偏心涡涡核的圆周位置沿轴向不断变化，而直叶轮偏心涡的径向位置沿轴向几乎没有变化，采用斜叶轮可以减小叶片通过频率噪声，另外在不改变风机配置的前提下，将直叶轮的叶片沿圆周不等距分布，同时在轴向上将叶片沿圆周旋转一定的角度，能基本保证原来的性能特性并减小贯流风机的气动噪声。

伍先俊，朱石坚等[34]通过合理布转置各叶片夹角降低离散噪声，他们提出了一种优化模型，该模型充分考虑了A计权函数与参数SC乘积有关的特性以及人的听觉频率范围的特点。

他们通过算例验证采用该模型可以降低总离散噪声A声级。

胡亚涛，刘映等[35]在半消声室中通过采用高精度，高频谱响的压力和声压传感器分别同步测量贯流风机直叶轮和斜叶轮的近场和远场的声压脉动来研究贯流风机的内流及气动噪声，结果表明：贯流风机表现出明显的紊流特性，而没有强烈的离散特性，其主要声源为流场中的涡流，贯流风机的耗散涡与其声传播在近场和远场有强烈的不一致性。

刘飞，王嘉冰等[36]对贯流风机的内流进行了数值模拟。

计算结果表明：贯流风机气流在叶片尾缘，蜗舌处出现明显的脱落涡结构，叶轮周围监测点出现了叶片通过频率，叶片脱落涡频率及蜗舌后缘的脱落涡频率等特征频率，不同的特征点上表现出不
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同的频谱特性，这除了受叶片尾迹作用的影响外，还有在低，中频带范围内叶片脱落涡和蜗舌脱落涡的影响。

甘加业，刘飞等[37]通过实验和数值模拟计算方法，探讨了贯流风机内动静干扰现象其及诱导的噪声特性，他们指出贯流风机流场具有强烈的随机性，并还通过实验讨论了两种叶轮的优劣性，指出斜叶轮的降噪声效果并不明显，但其远场噪声频谱也比直叶轮宽，表明斜叶轮可以调制频率，并通过实验指出声源脉动的宽频特性是被测风机噪声呈现宽频的主要原因。

徐先佳、嵇成业[38]等通过对贯流风机噪声的分析，从理论上讨论了倾斜安装的贯流风机由于叶片倾斜，造成沿轴向的压力脉动差抵消，从而达到降低气动噪声的效果；还研究了倾斜角与叶轮长度的理论最佳匹配关系。

日本的Shigehisa 和Yasushi[39]等针对空调用贯流风机的噪声预测展开研究，他们提出了一种基于速度的噪声预测模型，该模型基于两假设：沿着叶轮外缘的线速度与噪声的声压级有着密切关系；噪声的声压级与相对速度的六次方成正比。

通过计算与实验结果之间的比较，他们发现声压中的脉动与流动系数有着密切的关系。

Yong Cho 和Young J.Moon[40]采用数值模拟方法对贯流风机的流场和声场展开研究，他们通过提取一圈上叶片和蜗舌上的压力脉动来确定主要的声源。

他们用这种方式探讨了不等距叶片的性能和BPF之间的关系。

，
陈安邦，李嵩等[41]通过求解二维非定常雷诺平均N-S方程数值计算贯流风机内部的复杂流场，他们将叶片，涡墙和后墙的脉动压力作为声源，数值求解贯流风机的噪声场，研究表明在贯流风机中，后墙和涡墙的压力脉动是主要噪声源，并且后墙和涡墙的压力脉动的数量级是同等的，这一点也通过试验验证。

田杰，欧阳华等[42]采用试验和理论分析方法相结合的方法研究交错叶轮技术对贯流风机流场及声学性能的影响，结果表明：节间交错叶轮能够在不影响贯流风机性能的前提下，有效减小离散噪声，但对宽频噪声的影响不大。

他们还在此基础上建立了一种噪声预测模型，该模型可有效分析贯流风机交错叶轮交错角度与叶片通过频率及其谐波处噪声的联系。

周拨，游斌等[43]通过试验和数值模拟相结合的方式讨论了一种新型不等距蜗舌对
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内流和声场的影响，他们发现斜蜗舌与直蜗舌相比，外特性性能略有改善，并减小了叶片与蜗舌干涉时的噪声，另外他们还指出斜蜗舌强化了贯流风机的轴向运动，直蜗舌风机各截面涡核位置基本没变化，而斜蜗舌风机偏心涡随着蜗舌间隙减小，涡核向风机中央移动。

1.4本论文的主要工作
自从B.ECK第一次提出“贯流风机”这个束语，并发现其中偏心涡结构后，人们对贯流风机投入了很多精力加入研究。

因其结构简单，体积较小，产生的气流平稳以及噪声低的特点，贯流风机应用十分广泛。

尤其是家用空调中等低压送风场合，人们基本上选用的就是这样一种送风装置。

现在针对贯流风机的研究仍是以实验为主。

本文利用FLUENT软件，对贯流风机的内部流场及其噪声进行了数值模拟，以揭示其内部流动规律，并利用软件中的噪声模块，对贯流风机内部声源以及其气动噪声进行频谱分析，并通过改变相关参数，以提出相应的改进措施，为生产提供一些有益的指导。

（1） 根据一些试验结果和相关的设计理论及要求，设计了一款贯流风机。

并将其导入GAMBIT划分网格，继而导入FLUENT进行模拟计算，通过计算得到的性能结果与理论结果相对比，证明了设计出的贯流风机满足相关的设计要求。

（2） 利用设计出的模型，改变叶片厚度，以出口风量和产生的噪声为标准，在同一静压和同一转速条件下进行数值模拟计算。

对由此引起的内流和噪声特性进行探讨。

（3） 利用设计出的模型，改变叶片数目，以出口风量和产生的噪声为标准，在同一静压和同一转速条件下进行数值模拟计算。

对由此引起的内流和噪声特性进行探讨。

（4） 利用设计出的模型，改变叶片型线，以出口风量和产生的噪声为标准，在同一静压和同一转速条件下进行数值模拟计算。

对由此引起的内流和噪声特性进行探讨。

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2 贯流风机设计和数值模拟
2.1 贯流风机设计
2.1.1 贯流式通风机的工作原理
贯流式通风机的气体流动方式是两进两出，气流沿着与转子轴线相垂直的方向，从转子一侧进入叶轮，然后穿过叶轮转子内侧，第二次通过转子另一侧的叶栅，将气流排出。

（1） 速度三角形
设1β—叶轮内圆周叶片角; 2β-叶轮外圆周叶片角.
一般取内周叶片角1β=90.。

此时可以得到速度三角形如图2－1所示。

图2-1 贯流风机进出口速度三角形
（2） 压力系数和流量系数
1.横流式风机的压力系数可以定义为
22tf t P P u ρ= （2－1）
式中，tf P 为全压，2u 为叶轮外圆周速度，ρ为气体密度。

由欧拉方程和方程（2-1）可知：222tf t u P P u u c ρρ==Δ，所以得到理论压力系数为
2
u tf c P u Δ= （2－2） 而实际气流穿过叶轮时，流动情况复杂，故必须对上式作出修正。

实际的压力系
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数为： 2
u c P u ηεΔ=••。

式中 η－全压效率；ε－考虑有限叶片影响的修正系数。

2.横流式风机的流量系数可表示为
22Q Q D Lu = （2－3）
式中 L －叶轮的宽度。

2.1.2重要几何参数
前面已经指出到目前为止，贯流风机主要是依靠试验发展起来的，一般来讲，在设计贯流风机时，通常根据已经有的实验数据，大致确定各尺寸参数的最佳范围。

贯流风机模型一般从结构上来说主要是由叶轮和蜗壳组成，因此在说明贯流风机重要几何参数时，分叶轮和蜗壳两部分。

具体设计如下：
（1）叶轮模型
在无导叶的情况下一般取：
内周叶片角：190~97β=。

外周叶片角：222~30β。

＝ 直径比：12
0.8~0.86D D = 叶轮宽度：L ＝（1－6）2D 相对栅距：t b
＝0.94~1.0 叶片数：2
D z t π=
目前叶轮直径的应用范围是2D =30-300mm.各部分尺寸如图2－2所示。

由上述几个参数可以大致确定叶轮的几何形状。