家用空调室外风扇气动数值优化与应用

刘忠民,郑学利,鹿红伟

(广东科龙空调器有限公司,顺德528303)

1 前言

目前我国的空调产量占全球的80%左右,是世界重要空调生产基地,但是在核心技术的掌握上,与国外先进制造企业还存在较大的差距。对于与性能、噪音改善有关的空调器风机叶轮的优化设计,在国内空调制造企业中尚缺乏系统的研究。良好的内流结构要求与空调器几何结构的限制所产生的矛盾与不相匹配性,是从事低压风扇研究的重大难题,需要持续开展这方面的研究。

伴随着数值方法和试验研究的技术进步,一直鼓励着人们对流体机械内部复杂的流动现象进行苦心研究,以适应日益苛刻的能源环境的时代要求。作为量大面广、耗能巨大的空调器及其风机系统,不仅因为这类低压风机系统在空调器上不可缺少并在工程中有着十分广泛地应用,而且从学科上来看,这类风机与动力用风机相比,一方面在结构配置、设计方法和内流机制上都有着很不同的自身特点;另一方面它虽然风压低但风量范围变化大,对低噪声有很高的要求,气动及声学的综合性能要求高,故这类低压风机系统内流的研究及其机制的把握上也并非易事,特别是在它内流中的涡-声现象及其相互作用问题不少方面都还不清楚,需要进行更深入的研究。

本文针对目前海信科龙空调室外机W1D箱体的结构特点,在导风圈等尺寸不变的情况下,应用CFD数值模拟手段对目前的叶轮进行性能优化,运用叶轮的叶片弯掠、尾缘修正等理论来实现室外风道系统气动性能的优化设计。

2 叶轮优化的理论与方法

2.1 叶轮附近的旋涡流动和流动损失

旋涡流动现象是影响流体机械性能的重要因素之一。涡是流动的驱动力也是损失产生的根源,流体机械内部流动的旋涡流动主要包含以下几种:

(1)刮擦涡:转子的刮擦作用而产生的;

(2)通道涡和马蹄涡:端壁边界层产生的;

(3)叶顶泄漏涡:由叶顶和机壳间隙内部的泄漏流动以及环壁边界层、壁面边界层的综合作用而产生的;

(4)叶片前缘分离涡:由叶片前缘形状影响和压力变化导致气流分离而产生的;

(5)叶片尾缘脱落涡:由沿展向的叶片环量变化而引起的。

上面所示的旋涡流动实际总是同时受到诸多相关因素的影响和制约,常统称为二次流旋涡 (Secondary Vortices),如图1所示。

图1 叶轮附近的涡旋流动

通常涡流动总是伴随着损失的产生,涡流动损失根据其生成的机理常分为以下四类:

(1)叶型损失——叶片尾迹损失和叶片表面边界层的摩擦损失;

(2)二次流损失——由通道涡、马蹄涡、角隅分离流、端壁边界层损失和多级叶轮中由于上游流动不稳定造成的损失,二次流损失在叶轮损失中占有相当大的份额;

(3)叶尖间隙泄漏损失——由于叶尖间隙而引起的损失。叶尖间隙区域流动非常复杂,泄漏涡与主流相互作用,产生了复杂的三维流动,严重影响透平机械的气动性能和失速裕度范围;

(4)叶尖涡损失——开式流体机械中,人们对航空发动机转子叶尖区域存在的涡现象,至今仍是研究热点之一。对于开式叶轮或空调风扇而言,研究表明其叶尖涡亦真实存在,但现在对它了解不多,它的存在对风扇性能和噪声有很大影响,因而需要进一步的研究。

2.2 叶轮的气动噪声

研究表明,流体流动生涡,涡运动加速会发声。近年来随着CFD技术进行数值解析的发展,研究气动噪声取得不少进展,但由于模拟声传播的物理特征 (色散性、耗散性、方向性以及相/群速度)上要求的原因,还需要在计算方法及其格式上作更深入的研究,以符合声传播的物理特征要求。

已有试验研究成果表明,以往人们能够通过机械方式扰动流体改变翼型压力分布,应该可以通过了解内流涡结构细节及涡特性,寻求涡场与流场速度三角形相匹配,达到提高空调风机气动-声学性能的目的。例如对于低压空调风机来说,如果能把握叶轮旋转因偏心涡及其尾涡脱落传入叶顶间隙的叶片通过频率 (BPF),通过频谱分析,也可能相当准确地确定空调用贯流/轴流风机总的噪声级,这可为从设计入手降低风机的气动噪声提供依据,达到改善空调风机的气动-声学特性。

目前的研究表明,这类低压空调风机的气动噪声主要包括:叶片表面压力差产生的偶极子声源,尾迹湍流噪声 (四极子),尾迹与下游干扰噪声等。其中叶片表面压力差的偶极子声源可以通过改进叶片表面的压力分布来改进,例如,改进叶片的外边缘形式,使得叶片表面压力分布更加均匀,可以大幅度减低噪声。尾迹湍流噪声比较难以消减,一般可以对尾缘做局部的改进,例如,尾缘开口,尾缘加锯齿,或者在尾缘低压力面增加横纹等,都是在叶轮的尾迹中提供一些扰动,改变尾迹中的湍流结构,使得涡结构变得更小,从而降低尾迹噪声,但这种改进或多或少会损失一些气动性能。另外还有一种方法,就是改变下游格栅的结构形式,例如,螺旋形的格栅可以降低尾迹与格栅的干扰噪声,这种方法已经应用于电脑冷却风扇中。

2.3 叶轮气动性能优化的方案

叶片的联合弯扭气动成型方法是工仲奇院士和前苏联的费里鲍夫于20世纪60年代初提出的。叶片沿高度的周向弯曲,增加了流体机械气动设计的自由度。70年代以后,弯掠叶片的研究己取得了不少成果,随着理论和实验研究的进步,弯掠叶片作为航空发动机和压气机叶片方案,在气动性能和声学特性上的优点愈来愈被人们所证实。GE公司1996年作的前掠转子试验表明,高速、低展弦比、前掠转子比常规转子,能提高80%的承受进口流场畸变的能力和在失速裕度方面能提高几个百分点。德国RR公司的BR710航空发动机,在不增大尺寸的条件下,通过改进叶型,采用掠弯组合造型掠叶片,提高了流量和效率,改善了噪音特性并增大了推力。掠弯组合造型控制了静叶根部角区的气流分离,对发动机风扇的设计起了重要作用。

弯掠叶片及其气动布局方案,在国外航空发动机、涡轮及压气机动/静叶上都有不同程度的应用,并取得众所公认的研究及其应用成果。研究表明,风扇的峰值效率以前掠转子为最高,后掠转子次之,无掠转子最低。

本次针对W1D室外箱体现有叶轮进行优化,主要考虑了叶轮的前缘弯掠、尾缘开口、尾缘折起的局部改进等技术方案,其示意图分别如图2～5所示,其中新方案C是在新方案A的基础上进行改进。

3 数值模拟计算

根据空调外机流道及流动的特点,本次优化设计使用Gambit和Fluent软件对这种复杂流动进行数值仿真,用模拟的方法获得叶轮的吹风数据,模拟流程包括:风叶的原始模型,空气域的划分,网格划分,边界条件,fluent参数的设定,边界条件,交接面,结果的获取与分析。

3.1 内流场特征及分析

常规空调室外风道系统的阻力在20Pa左右,我们以20Pa为对照分析依据,比较20Pa出口压力情形下,四种叶片的内流分布。图6是出口位置的速度矢量分布,相同的颜色代表了相同的速度大小,红色区域代表流出口的气流,蓝色区域代表从出口回转入风叶的气流,从图中可以看出,原型方案具有很高的尖峰区域 (靠近叶顶的位置),但是也具有很大面积的回流区域,这说明原型方案叶片的根部流动效果并不好,由于叶根部压力面的压力比较小,造成了流出气流从叶根附近回灌入风机内部,在更大出口压力情形下,将会引起更多的气流损失,难以提高效率。新方案A的效果比原型方案要好,这是因为其出口位置基本无回流发生,新方案B也具有很好的流动效果,叶根附近尚无明显的回流,而叶顶附近的流动速度更大,因而流量也大,新方案C的叶片也具有很好的流动效果,在新方案A的基础上,进一步提高的出口平面的气流速度,因此流量比新方案A还要好。

图6 四种叶片出口的速度矢量

另外,我们将视角移至叶片表面,从CFD结果上分析叶片表面的压力分布情况,从图7中可以看出,除了原型方案叶片在叶顶位置出现了局部很高压力以外,其他叶片表面的压力分布比较均匀。

下面再看看叶片低压力面的压力分布情况,从图8可以看出,原型方案、新方案B在叶顶位置,有一片区域的压力很小 (图中为蓝色区域),这很容易引起叶顶间隙的回流,降低叶片效率,新方案A及新方案C都没有明显的回流出现。从叶轮噪声经验中可以知道,越是均匀的压力分布,其噪声水平也会比较好,因此,综合高压力面和低压力面的结论,新方案A及新方案C的噪声水平应该比原型方案要好。

总的来说,通过数值模拟发现,新方案C比新方案A的内流分布更优越,是引起气动性良好的内在依据,也是比原型方案性能改善的重要内因。

3.2 仿真计算的结果

针对四种叶片方案,完成了几个系列的数值模拟计算,其结果如图9所示。

图9 数值模拟的四种叶轮的静压-风量数据

4 试验测试结果与分析

从模拟计算所得的风量分析中可以看出,新方案A、新方案B、新方案C在风量上均能比原型方案高10%以上,但上述计算都是在恒定转速条件下做的计算,因计算时无法预知叶片扭矩发生变化后的风扇转速,例如,当我们把新方案A改进为新方案C后,叶片面积变小,叶片转速会提高,这势必造成风量和噪声的变化,为了验证计算的准确性,以及对噪声进行详细的评估,我们在本公司风机测试中心和风量噪声实验室对这几种型号的叶轮进行了详细的试验测试。按照试验测试目的和场所的不同,分为以下两个部分:(1)气动性能试验;(2)噪声特性试验。

4.1 气动性能试验

本次试验分别在W1D箱体上做四种轴流风扇方案的匹配实验,对每个测试方案,进口压力为大气压,恒定箱体电压为220V,背压分别设置为0、5Pa、10Pa、15Pa、20Pa、25Pa、30Pa共 7个工况点,测量各工况点下的风机风量、功率以及在出口压力为0Pa时的噪声,不同叶轮方案在不同压力下的试验结果如表1所述。

表1 四种叶轮在不同出口静压力下的风量功率

从表中可以看出,在0Pa情形下,四种叶轮的风量几乎相当,在静压超过l0Pa时,新方案A、新方案B及新方案C在相同静压条件下,风量均比原型方案有显著的提高,但在静压超过25Pa时,新方案A、新方案B的性能下降很快,在更高压力情形下,比原型方案性能还要低。从试验数据可以看出,我们在新方案A的基础上改进为新方案C提高了气动性能,相对原型方案同噪声下提高了10%～35%的风量。同时,新方案C在功率和噪声方面也有一定的优势。

4.2 噪声特性试验

本次试验分别在W1D箱上测量不同叶轮,在相同出口静压0Pa条件下,不同电压情形下的噪声数据以及风量数据,简化合并后的结果简表如表2所示。

表2 四种叶轮在不同电压条件下的噪声、风量及转速

从表中可以看出,在相同风量情形下,原型方案的噪声水平总是最高的,新方案A和新方案C的噪声相当,都比原型方案低约1.5dB(A),上述数据能够体现新方案A和新方案C的叶轮在低噪声方面的优势。但新方案A叶轮在低电压时,风量下降很快,考虑到空调工作时的稳定性,为确保电压波动时的风量满足要求,同时考虑气动性能实验中的表现,推荐使用新方案C进行W1D箱体室外风扇优化设计。

5 小结

(1)本次室外风扇系统优化为为叶轮优化的思路提供了多种可靠的理论方法 (如前缘弯掠、尾缘改进等),同时为叶轮的优化提供了具体的分析流程,包括数值分析以及试验研究等,为数值模拟用于指导实际产品的开发打下了基础;

(2)通过几种方案的理论计算和试验数据对比后发现,在低出口压力情形下,计算能比较好的反映试验的结果,其误差可以控制在5%以内,但在高出口压力情形下偏差较大。这主要的原因可能在于,出口压力增大时,叶顶间隙的流动更加强烈,而目前受限制于网格数量,我们在叶顶间隙端只能分布3层网格,所以这种叶顶间隙流动模拟并不准确,也因此造成高出口压力情形下,数值模拟的误差太大,仍需进一步修正网格数量;

(3)通过本次开发还发现,导风圈与风扇的匹配性较差影响了本次优化的成果,后续需针对整个风道系统进行设计优化。

[1] 王军,金培耕,伍光辉,吴克启.空调用轴流风扇系统内流特性分析与应用[J].工程热物理学报,2002,(3)

[2] 刘中杰,刘利娜,龙斌华.基于CFD的空调用轴流风叶设计选型.2010年国际制冷技术交流会论文集,2010