空调用前掠式轴流风叶优化.pdf

流 体 机 械第 51 卷第 9 期2023 年 9 月 93 收稿日期：2022-08-01 修稿日期：2023-02-15doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.09.014空调用前掠式轴流风叶优化黄愉太（佛山市云米电器科技有限公司，广东顺德 528000）摘 要：为研究低压轴流风叶弯掠形式的气动性能优化方法，首先将风叶叶片切分为不同径向截面，调整叶片各径向截面角度，形成不同弯掠形式的优化叶片，然后基于CFD 技术对优化叶片进行流场研究，并应用FW-H 模型开展气动噪声分析，最后结合空调室外机进行风叶性能试验验证。结果表明：优化风叶全压效率提升 3.6%，泄漏涡得到有效抑制，结合实测数据，1800m3/h 的基准风量下优化风叶效率提升约 4.5%，噪声降低 1.8dB（A），趋势与仿真结果基本相同。研究结果可为低压轴流风叶增效和降噪提供技术参考。关键词：轴流风叶；全压效率；气动噪声；FW-H 模型中图分类号：TH42 文献标志码：A Optimization of forward-swept axial-flow fan blades for air conditioningHUANGYutai（FoshanViomiElectricalTechnologyCo.，Ltd.，Shunde 528000，China）Abstract：Inordertostudytheoptimizationmethodofaerodynamicperformanceoftheforwardskewed-sweptaxial-flowfanblades，firstly，theaxial-flowfanbladesweredividedintodifferentradialsections，andtheangleofradialsectionwasadjustedtoformoptimizedblades，thentheflowfieldoftheoptimizedbladeswerestudiedbasedonCFDtechnology.AndtheFW-Hmodelwasusedtoanalyzetheaerodynamicnoise.Finally，theperformanceoftheoptimizedfanbladeswastestedandverifiedincombinationwiththeoutdoorunitoftheairconditioner.Thesimulationresultsshowthatthetotalpressureefficiencyoftheoptimizedfanbladesisincreasedby3.6%，theleakagevortexiseffectivelysuppressed.Incombinationwithmeasureddata，theefficiencyoftheoptimizedbladesatthereferencevolumeflowof1800m3/hisincreasedby4.5%，andthenoiseisreducedby1.8dB（A）.Thetrendisbasicallythesameasthatofthesimulationresults.Theresearchresultscanprovideatechnicalreferenceforefficiencyenhancementandnoisereductionoflowpressureaxial-flowfanblades.Key words：axial-flowfanblade；totalpressureefficiency；aerodynamicnoise；FW-Hmodel0 引言常用的轴流式、离心式、横流式三大通风系统已广泛应用于各行各业，对于空调室外机散热通风系统，考虑其低噪声、大流量、高效率等需求，前掠式低压轴流风叶为其不二选择。作为空调外机的核心系统，长期以来轴流风叶的优化设计很大程度依赖于大量试验，开发成本高且周期长，尤其无法直观地分析风叶内流场特征，难以给出合理的优化方向。随着CFD，CAE 等仿真技术的快速发展，轴流风叶也得以从气动性能及噪声特性等各方面进行系统和参数化研究，极大地提高了设计水平1。空调室外机散热系统对轴流风叶效率和噪声要求非常高，良好的噪声表现可满足人们舒适体验，张伟捷2采用边界涡量流（BVF）对轴流风叶气动噪声进行了系统研究，对于轴流风叶的优化方向，现有文献主要集中于叶片安装角3、尾缘凹陷4、叶片弯掠5、截面型线6及风道系统匹配等7-10。众所周知叶片的弯掠形式对其性能最为重要，但现有文献对具体的叶片弯掠优化方法介绍较少，且研究内容未见系统性的风叶设计研究思路。本文创新性地将轴流叶片切分为不同径向截面，通过调整各径向截面角度，重构为不同弯掠形式的新型风叶，并对叶片进行气动性能分析、噪94FLUID MACHINERYVol.51，No.9，2023声分析及最终试验验证。具体为选取叶片的若干径向弯掠截面作为优化位置，采用CFD 气动优化方法对各径向弯掠截面角度进行调整，得到最优径向弯掠角优化风叶，并进行噪声分析和试验验证。1 轴流风叶流场模型1.1 建立流场仿真模型空调室外机整体结构如图 1 所示，散热风道主要部件为轴流风叶、前面板、蒸发器、中隔板、电机支架等。本文主要研究对象为轴流风叶优化，对于室外机风道结构，前面板的导风圈对风叶性能影响较大，因此为提高计算效率，建立如图 2 所示包含导风圈的风叶流场模型。模型主要由进风域、出风域及旋转域组成，风叶位于旋转域内，外围采用导风圈结构，进风域和出风域通过旋转域连接。综合计算效率和精度，将进风域长度设计为风叶直径的2倍，出风域长度为风叶直径的5倍。风叶直径为 340mm，叶高为 125mm。图 1 空调室外机主要结构Fig.1 Mainstructurediagramofoutdoorunitofairconditioner图 2 风叶流场模型示意Fig.2 Schematicdiagramoffanbladeflowfieldmodel运用CFD 进行流场仿真分析，研究叶片不同径向弯掠角的气动性能。采用Segregated 隐式算法，运用多参考系坐标模型（MRF）定义旋转域，SIMPLE 压力-速度耦合算法，湍流模型选择修正k-模型（RNGk-），壁面条件为多尺度壁面函数法，湍流动能、湍流耗散项、动量方程均采用二阶迎风格式。零静压进、出口（pressure-inlet 和pressure-outlet）边界条件。1.2 网格无关性验证对初始风叶模型使用四面体网格进行划分，并对旋转域进行加密，在同条件下监控出口体积流量，并选定叶片压力面尾缘局部区域作为静压监控，如图 3 所示，设定风叶转速为 800r/min。图 4 示出不同网格划分方式下出口流量和监控静压曲线，表 1 以Case4 为基准将Case13 流量与之作差，静压同样基于Case4 按比值处理，结果表明随着网格密度由Case1 增加到Case3 时，出口流量和监控区域静压随之增大，说明合理的网格密度和质量对控制计算精度十分重要。当进一步加大网格密度到Case4 后，出口流量和监控区域静压基本保持不变，说明此时计算结果已趋于稳定，与网格密度关联性不大。考虑计算效率，后续优化模型的网格种子布置将采用Case3 规格进行网格划分。图 3 风叶网格及静压监控区Fig.3 Fangridandstaticpressuremonitoringarea图 4 不同网格数量结果对比Fig.4 Comparisonofresultsatdifferentgridnumbers表 1 网格无关性验证结果Tab.1 Gridindependenceverificationresults计算工况整体网格数（万）旋转域网格数（万）流量差/（m3 h-1）静压比Case1268156-920.954Case2305198-110.984Case3332210+21.011Case436723501.00095黄愉太：空调用前掠式轴流风叶优化1.3 初始风叶内流场分析从叶片表面压力和流道内涡量两个维度对初始风叶模型进行内流场分析。从叶片压力面静压（见图 5）可知，由叶片外缘向轮毂方向看，叶片外缘由于旋转速度最大，压力相对叶片内部更大，由外缘的最大值 49Pa 逐渐减小到轮毂附近的5Pa。从叶片前缘至尾缘方向看，压力逐渐增加，且在靠近导风圈位置变化最明显，由前缘的 10Pa增加到导风圈附近的 49Pa，说明叶片外缘尤其是靠近尾缘的后半段为主要做功区域，受导风圈影响，在其附近气流压力最大，此处叶片做功能力最强。图 5 初始风叶压力面静压Fig.5 Staticpressurediagramofinitialfanbladepressuresurface根据叶片周边涡量（见图 6）可知，在叶片外缘后半区存在大量的泄漏涡，涡形以螺旋发散为主，并延伸至下一叶片从而直接冲击表面。同样可看到在叶片表面包裹着涡流，这是因为受边界层作用，气流经过叶片表面时产生了细微涡流，但相比泄漏涡，叶片表面涡流较小，对风叶气动性能影响有限。图 6 初始风叶涡量Fig.6 Figureofinitialfanbladevorticity由噪声原理可知，涡是产生气动噪声的主要原因，因此叶片外缘即最大做功区域是造成风叶噪声的主要位置，如何抑制或减小叶片外缘泄漏涡是风机降噪的重点研究内容。基于上述初始风叶内流场特征，通过调整叶片径向弯掠角，在确保叶片做功能力的同时降低外缘泄漏涡，实现以最合理的叶片弯掠角达到增风降噪目的。2 叶片径向弯掠角优化2.1 径向弯掠角定义为研究风叶外缘不同径向弯掠角对风机气动性能的影响，将初始风叶沿径向等分为 4 部分，由轮毂往外缘依次将截线分为 1#4#，沿周向均分成3 部分，其截线分别为ad，如图 7 所示，自定义叶片径向弯掠角为沿叶片径向切线与水平方向夹角，如图 8 所示。图 7 风叶区域划分示意Fig.7 Schematicdiagramoffanbladeareadivision图 8 叶片径向弯掠角定义Fig.8 Definitionoffanbladeradialsweepangle由于主要研究叶片外缘泄漏涡，因此将以圆周c 线为起始线进行径向弯掠角的调节，比如 1#截线径向弯掠角为该截线与c 线交点的切线，与过该交点的水平面夹角，命名为1，其它截线的径向弯掠角定义以此类推分别为2，3，4。采用控制变量法对不同径向弯掠角流场进行气动仿真计算。2.2 不同径向弯掠角全压效率结果通风机全压效率计算公式如下，其综合考虑风叶流量、压力、轴功率等关键气动性能，可较全面评估风叶性能，因此将全压效率作为轴流风叶优化评价指标较为合理。96FLUID MACHINERYVol.51，No.9，2023=()PQW/式中，为全压效率；P为风叶全压；Q为风叶流量；W 为风机轴功率。根据叶片径向弯掠角定义方式，以初始风叶角作为 0，将1，2，3，44 个弯掠角通过控制单一变量法分别按表 2 进行独立旋转，如当1旋转1 个角度时，其他弯掠角保持 0初始状态，向压力面旋转为“+”，反之为“-”。当某个径向弯掠角完成旋转后，采用二次曲面修正模型并进行流场计算，得到其全压效率。表 2 弯掠角旋转角度 Tab.2 Angleofrotationofsweepangle（）弯掠角1234旋转角度-6-5-5-4-3-2-2-2000033325554图 9 示出 4 个径向弯掠角经二次拟合的全压效率曲线，可知各旋转角度对风机效率均有不同程度的影响。整体观察 4 根曲线，从1到4曲线峰值逐渐增大，曲线平缓度也逐渐降低，说明叶片外缘不同位置的径向弯掠角对全压效率的影响具有最合理范围。提取每根曲线对应的峰值点并统计，见表 3，得到各径向弯掠角独立变化后的最优效率参数。从表格峰值看出1和2提升量较小，无明显变化，而随着弯掠角往尾缘延伸，至4时其效率提升了 3.15%，效果显著提升，因此从叶片前缘至尾缘，径向弯掠角的调整对全压效率的改善作用逐步增加，即叶片做功能力越强区域，对全压效率的影响越明显。图 9 径向弯掠角的全压效率拟合曲线Fig.9 Fittingcurveoftotalpressureefficiencyofradialsweepangle表 3 不同径向弯掠角的全压效率提升值Tab.3 Totalpressureefficiencyimprovementvaluesatdifferentradialsweepangles位置旋转角度/（）全压效率提升量（%）1-1.00.22-1.20.43+2.21.34+2.53.152.3 优化风叶内流场分析采用表 3 所示的各弯掠角最佳旋转角度重新设计风叶模型，形成最终优化风叶，并进行流场仿真。将计算结果与初始风叶进行比较，如表 4 所示，优化风叶风量增加 58m3/h，全压基本持平，但轴功率降低了 1.3W，综合而言全压效率由初始风叶的 73.1%提升到 76.7%，提升 3.6%，改善效果显著。表 4 风叶全压效率Tab.4 Totalpressureefficiencyoffanblade风叶类型风量/（m3 h-1）全压/Pa轴功率/W全压效率（%）初始风叶189785.361.573.1优化风叶195585.060.276.7改善值+58-0.3-1.3+3.6图 10 示出优化风叶表面静压分布，与 1.3 节的初始风叶计算结果进行比较，可看出优化风叶静压峰值由原来的 49Pa 增加到 53Pa，叶片外缘整体压力明显增大，其他相同区域压力也得到提升，压力梯度分布更为均匀，说明优化风叶做功能力增强，叶片表面气流流动更流畅。图 10 优化风叶压力面静压Fig.10 Staticpressurediagramofoptimizedfanbladepressuresurface同时结合图 11 的涡量进行分析，可知靠近叶片尾缘（尤其叶片进入导风圈区域）周围涡量仍存在明显泄漏涡，但相比初始风叶减少很多，泄漏涡得到明显改善，而泄漏涡的有效抑制促进了风97叶有效做功能力，这也是全压效率得以提升的主要原因，此外也会对噪声产生有利的影响。图 11 优化风叶涡量Fig.11 Vorticitydiagramofoptimizedfanblade2.4 优化风叶气动噪声仿真分析对于单级旋转风叶，通过风叶与气流的冲击作用进行做功，其噪声源主要为偶极子，因此本文首先运用非稳态LES 大涡模拟湍流模型得到稳定的风叶流场，然后采用FW-H 声比拟方法对优化叶片和初始叶片进行气动噪声仿真，并设置风叶为噪声源，距离风叶正前 1m 处设为噪声接收点。流场和噪声计算时间步均为 0.0001s，风叶转速仍为 800r/min，总计算时长为 1s，得到 5000Hz的频谱。图 12 示出优化风叶和初始风叶声压级频谱曲线，从曲线中可看出，不同频段的两种风叶噪声趋势基本相同，在 500Hz 内优化风叶噪声值与初始风叶相当，这是因为在低频率时主要以旋转噪声为主，对于同为旋转风叶而言二者相差不明显，而在 500Hz 以上时，优化风叶噪声幅值低于初始风叶，说明以气动噪声为主的高频段，优化风叶具有较好的降噪效果。图 12 风叶声压级频谱曲线Fig.12 Spectrumcurveofsoundpressureleveloffanblade同时根据接收点噪声结果，优化风叶噪声值为 56.6dB（A），初始风叶为 57.7dB（A），噪声降低 1.1dB（A），进一步表明优化风叶具有较好的噪声表现。如前所述轴流风叶的叶片外缘做功能力强，气流对叶片的冲击大，且外缘的泄漏涡较为集中，从而冲击噪声和涡流噪声均较大，因此通过改善叶片外缘径向弯掠角，减小泄漏涡对降低风机整体气动噪声有积极效果。3 风机性能试验验证3.1 试验与仿真数据对比将优化风叶和初始风叶分别制作精密手板，并安装于同一台空调室外机，在风量试验台和半消音噪声室进行同条件下两风叶的风量、功率、噪声性能测试。其中噪声测试时室外机放置在台面上，底部垫0.5cm厚橡胶垫以排除振动噪声影响，室外机风道中心距地面 1.0m，噪声探头据地面1.0m，正对风道中心点 1.0m，如图 13 所示。图 13 噪声测试台Fig.13 Noisetestbench通过调节风叶电机输入电压控制风叶转速，风叶在转速为 800r/min 时仿真与试验的风机性能参数对比见表 5。表 5 风叶性能仿真与试验对比Tab.5 Comparisonbetweensimulationandexperimentoffanblade风叶类型风量/（m3 h-1）噪声/dB（A）仿真试验误差仿真试验误差初始风叶18971870+1.4%57.759.3-2.7%优化风叶19551941+0.7%56.659.0-4.1%从表中看出，风量仿真值基本与测试值持平，而噪声误差较大，优化风叶噪声误差达到 4.1%，这是因为噪声仿真仅考虑偶极子作用，而忽略了黄愉太：空调用前掠式轴流风叶优化98FLUID MACHINERYVol.51，No.9，2023实际产品中振动噪声、气动四极子及其他结构作用产生的噪声，因此实际噪声值会高于仿真值，但从趋势上看还是相吻合，以此可验证前面仿真数据的可靠性。3.2 风机性能试验数据分析不同转速下初始风叶和优化风叶性能试验测试曲线如图 14 所示。从风量-功率曲线可知，优化风叶同风量时比初始风叶功率低 1.93.1W，从风量-噪声曲线可看出优化风叶同风量噪声低 1.02.1dB（A）。以 1800m3/h 为基准对比同风量下的功率和噪声差异，风叶功率由初始的56.0W 降低至 53.5W，相比初始风叶效率提升约4.5%，噪声降低 1.8dB（A），实际改善效果明显，且试验测试数据与仿真结果趋势基本相同，说明本文研究方法对轴流风叶弯掠形式优化具有可靠指导意义。图 14 风叶风量-功率-噪声试验曲线Fig.14 Experimentalcurveofairvolume-power-noiseoffanblade4 结论（1）通过仿真优化叶片径向弯掠角，重构的优化风叶表面压力分布更为合理，高效做功区加大，整体全压效率提升 3.6%，叶片外缘泄漏涡得到有效抑制。（2）采用FWH 模型对风叶进行噪声仿真，结果表明优化风叶降噪 1.1dB（A），频谱曲线上大部分频率噪声更低，具有较好的噪声优势。（3）试验结果表明优化风叶同风量比初始风叶功率低 1.93.1W，噪声低 1.02.1dB（A），1800m3/h 的基准风量下优化风叶效率提升约4.5%，噪声降低 1.8dB（A），趋势与仿真结果基本相同。参考文献：1 朱芳勇，吴俊鸿，高旭，等.空调器低压轴流弯掠叶片参数化优化设计与实验研究 J.制冷技术，2019，39（3）：17-21.ZHUFY，WUJH，GAOX，etal.Parametricoptimizationdesignandexperimentalresearchonskewed-sweptbladeoflowpressureaxialfanofairconditionerJ.RefrigerationTechnology，2019，39（3）：17-21.2 张伟捷.空调器风机气动及辐射噪声研究和控制D.镇江：江苏大学，2021.ZHANGWJ.TheresearchandcontrolofairconditionerfanaerodynamicandradiationnoiseD.Zhenjang：JiangsuUnviersity，2021.3 谷慧芳，顾平道，张曦.轴流通风机内部结构优化方法的研究J.风机技术，2008（3）：20-24.GUHF，GUPD，ZHANGX.Researchonoptimizationmethodforinternalmachineryofaxial-flowfanJ.CompressorBlower&FanTechnology，2008（3）：20-24.4 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