家用除濕機(jī)風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)李孔清U2，舒樂華\程瑩瑩2（1.奧克斯集團(tuán)有限公司，浙江寧波315194；2.湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，湖南湘潭421201）表1多翼離心風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)和外形尺寸葉片數(shù)葉輪外徑內(nèi)外徑比進(jìn)口安裝角出口安裝角注：模型風(fēng)機(jī)采用直蝸舌，蝸殼內(nèi)壁曲線為螺旋線型鑒于多冀離心風(fēng)機(jī)流道曲率大，流態(tài)復(fù)雜，因此計(jì)算中采用三維雷諾平均守恒N-S方程?？紤]到多冀離心風(fēng)機(jī)中壓力、速度不是很大，故可以忽略空氣密度的變化，假設(shè)流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)；假設(shè)流動(dòng)中無熱量交換，不考慮能量方程；對湍流運(yùn)動(dòng)引入各向同性假設(shè)，采用選取RNGk+標(biāo)準(zhǔn)兩方程湍流模型，考慮到風(fēng)機(jī)內(nèi)部的分離流動(dòng)，壁面附近采用非平衡壁面函數(shù)（Non-EquilibriumWallFunction）。計(jì)算方法采用分離（SEGREGATED）隱式方法，湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)、動(dòng)量方程都采用2階迎風(fēng)格式離散；壓力一速度耦合采用：PISO算法。

　　多冀離心風(fēng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)是典型的旋轉(zhuǎn)流體流動(dòng)。將坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)本體上，即采用旋轉(zhuǎn)非慣性坐標(biāo)系求解。相對慣性坐標(biāo)系統(tǒng)來說，其控制方程為動(dòng)量守恒方程上述公：沂是相對速度（相對旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的速度\/是絕對速度（相對靜止坐標(biāo)系的速度）；沂是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的切向速度；L是旋轉(zhuǎn)角速度（這二個(gè)速度滿足：士=wXr，VR=V-4）；卞是基于相對速度的應(yīng)力張量；p和P分別代表壓力與體積力；p是空氣密度。

　　動(dòng)量方程中，左邊第3項(xiàng)的第一部分表征的是科里奧利慣性力項(xiàng)，相對運(yùn)動(dòng)與牽連運(yùn)動(dòng)相互作用的結(jié)果，第二部分則是牽連加速度，即僅由于牽連運(yùn)動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)）產(chǎn)生的加速度，離心慣性力項(xiàng)（單位體積）。

　　RNGk-e模型與慣性坐標(biāo)系下一樣，只不過用相對速度替換絕對速度而已，在此不再列出，讀者可。

　　1.2邊界條件定義葉輪區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)區(qū)，采用多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；其余區(qū)域?yàn)殪o止區(qū)，采用靜止坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于蝸殼后蓋板中心，z軸指向進(jìn)風(fēng)口；葉片表面、后盤外表面為旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)壁面與靜止壁面滿足無滑移條件；風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口的進(jìn)口截面及蝸殼的出口截面分別為計(jì)算域流體的進(jìn)口與出口，進(jìn)口給定壓力邊界條件，出口給定負(fù)進(jìn)口速度邊界條件，速度大小由風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量與出口截面面積計(jì)算求出。

　　1.3網(wǎng)格及邊界條件說明考慮到流道形狀的復(fù)雜性，對風(fēng)機(jī)葉輪的網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化六面體、四面體混合網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)量為52萬左右（4個(gè)方案略有不同），網(wǎng)格在葉尖部分適度加密處理以體現(xiàn)流動(dòng)的分離與合流。進(jìn)出口邊界條件選定為壓力邊界條件，固壁邊界滿足無滑移條件，近壁處應(yīng)用壁面函數(shù)。仿真的風(fēng)機(jī)葉輪模型如所示。

　　除濕機(jī)所用多猓型離心風(fēng)機(jī)2優(yōu)化方案由于本除濕機(jī)的外形尺寸在工業(yè)設(shè)計(jì)之初已經(jīng)確定，且不允許變動(dòng)。受外形尺寸的限制，蝸殼的整體曲線不在本研宄優(yōu)化的范圍內(nèi)，唯一可以優(yōu)化的項(xiàng)目是出口的渦舌部分。在眾多的方案中本文僅挑選列出其中4種方案，如（a）所示。方案1為產(chǎn)品初始設(shè)計(jì)方案。方案2-4為為降低噪聲，同時(shí)保證風(fēng)量前提下的備選優(yōu)化方案。1方案渦舌處半徑家用除濕機(jī)風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)為5mm，方案2-4潤舌處半徑為7mm，且其喉部的直徑依次大。4方案與2方案的不同之處在于4方案的風(fēng)機(jī)入口處，殼體上加了一個(gè)用以起密封作用的環(huán)，如（b）所示。

　　除濕機(jī)風(fēng)道改進(jìn)方案圖（4方案在2風(fēng)道的基礎(chǔ)上增加了如圖中圓圈所示的密封槽）3模擬及。4方案模擬的結(jié)果與2方案十分接近，很難在數(shù)值上具體體現(xiàn)出來，這或許是CFD在模擬過程中所采用的假設(shè)和數(shù)值方法帶來的誤差所致，故本文中未將其列出。

　　對比圖（3）中靜壓的分布看，1和3方案渦舌均存在靜壓高的小區(qū)域，而2方案渦舌處未存在明顯的靜壓大區(qū)域。該靜壓區(qū)的存在，勢必影響出流。實(shí)際上該靜壓區(qū)是氣流撞擊渦舌的結(jié)果，是一種能量損失，需要通過合理的設(shè)計(jì)減少這部分的撞擊損失，從而提高風(fēng)機(jī)效率。

　　同時(shí)從圖（3）可以看出，由于高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對葉輪內(nèi)部的氣流不斷吸附的結(jié)果，最高動(dòng)壓和速度位于葉輪外緣蝸殼出口方向。1方案由于出口喉部尺寸較小，出口阻力較大，在蝸舌上游位于葉片出口的部分氣流又逆流回葉輪進(jìn)口，在這個(gè)區(qū)域存在著一定程度的出口逆流，導(dǎo)致風(fēng)量減少，同時(shí)出風(fēng)氣流離渦舌一側(cè)，集中在靠近渦殼一側(cè)，惡化了流動(dòng)，成為重要的噪聲源。3方案由于擴(kuò)張?zhí)笤斐?，它使蝸殼流道的壓力超過了葉輪做功所能提高的壓力極限，使葉道內(nèi)氣體不足以克服過大的葉輪出口逆壓而產(chǎn)生了回流，從而分離損失上升，亦可造成氣流離風(fēng)機(jī)中截面靜壓分布渦舌一側(cè)。這一點(diǎn)同樣可以從的出口速度分布明顯看出。

　　綜上模擬結(jié)果初步可以判定2方案是比較優(yōu)越的方案。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的效果，通過CNC制作了四個(gè)模型進(jìn)行了。為4個(gè)方案通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的供電電壓的方式得到的不同流量下的噪聲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為4個(gè)方案不同流量下的對應(yīng)風(fēng)機(jī)功率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　噪聲與振動(dòng)控制功率與風(fēng)量實(shí)測曲線從、6可以知道1 -3方案在同等風(fēng)量情況下其噪聲是較低的，其功耗介于1和3方案之間，噪聲隨流量的變化實(shí)測結(jié)果出風(fēng)口中截面的風(fēng)速分布2方案功耗與原始方案相近。由于葉輪進(jìn)口處不存在端盤，兩側(cè)存在著壓力差，使得蝸殼靠近輪蓋處的部分流體從高壓向低壓區(qū)域回流，這種流動(dòng)源源不斷，使得回流流體從葉輪中獲得的能量白白耗散，從而降低風(fēng)機(jī)效率。因此，應(yīng)盡量減少泄漏量。為此4方案在入口處設(shè)置了密封，減少了無謂的漏風(fēng)，其噪聲和功耗進(jìn)一步下降，達(dá)到了更好的效果。

　　6結(jié)語（1）經(jīng)CFD模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，渦舌處得曲率半徑對風(fēng)量和噪聲影響較大，合理的設(shè)計(jì)可以減少該處的靜壓大區(qū)域，減少氣流的撞擊損失；（2）風(fēng)機(jī)出口部分的曲線形狀，直接影響出口回流區(qū)的大小，存在合理的擴(kuò)張角度，使得出口的分離回流損失降低；（3）對除濕機(jī)出口風(fēng)道的實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化研宄表明，CFD模擬與傳統(tǒng)的模型實(shí)驗(yàn)方法相比，開發(fā)周期短、耗費(fèi)低、有良好的復(fù)現(xiàn)性，可進(jìn)行優(yōu)化處理，與實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本相符。但CFD方法不能完全替代現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研宄，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)將二者結(jié)合。