空調(diào)風(fēng)扇設(shè)計(jì)計(jì)算.ppt

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1、貫流、軸流、離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),海信技術(shù)講座,軸流式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方法 貫流式風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算方法 空調(diào)室內(nèi)機(jī)用離心風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算方法,軸流式風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì),軸流式風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 軸流式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法,軸流式風(fēng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖,軸流式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算,一、 空調(diào)用軸流式風(fēng)機(jī)由于壓力不高，可以用孤立葉型的氣動(dòng)數(shù)據(jù)，而不必采用葉柵數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 二、空調(diào)使用的軸流式風(fēng)機(jī)，一般采用圓弧板葉型，而原始圓弧板葉型數(shù)據(jù)可以通過實(shí)驗(yàn)得到，或者采用前人已經(jīng)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 三、由于葉型在氣流來流攻角較大的情況下，存在一個(gè)升力的最大值，當(dāng)然會(huì)希望使用該值作為設(shè)計(jì)的攻角，但是該攻角之后是一個(gè)失速區(qū)域，所

2、以一般采用最大升力值的（0.80.9)Cymax作為設(shè)計(jì)選擇值Cy* 四、由于壓力比較低，只需要選取單級結(jié)構(gòu)。,,,軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法,風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中，存在所謂的正命題和反命題問題，也就是給定所要求的風(fēng)機(jī)壓力和風(fēng)機(jī)流量，及其葉輪轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)具體的結(jié)構(gòu)尺寸，這種設(shè)計(jì)方法稱為反命題。而結(jié)構(gòu)參數(shù)已知的情況下，對風(fēng)機(jī)性能的計(jì)算稱為正命題。這兩種方法適用于不同的場合，比如設(shè)計(jì)一臺全新的風(fēng)機(jī)，一般需要采用反命題方法，而在對已知風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改造過程，可以采用正命題方法，即對結(jié)構(gòu)做微小的改動(dòng)，通過正命題對風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行計(jì)算校核，以達(dá)到所要求的性能要求。,正命題相對簡單，由于轉(zhuǎn)速n確定，幾何結(jié)構(gòu)已知，可以通過計(jì)算圓周

3、速度u，及其已知的安裝角度，畫出速度三角型，進(jìn)而確定風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的各種速度，由風(fēng)機(jī)的歐拉方程，即可以確定出風(fēng)壓值。但上述方法主要是使用一元理論，計(jì)算結(jié)果的精度不高，在這種情況下，采用數(shù)值計(jì)算的方法更加有效一些，關(guān)于數(shù)值計(jì)算的方法，在后面的內(nèi)容中予以介紹。 在已知風(fēng)量、壓力和葉輪轉(zhuǎn)速的情況下，怎樣設(shè)計(jì)該風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。目前常用的方法仍然是一元理論結(jié)合大量的經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)曲線來進(jìn)行設(shè)計(jì)，最好在一元設(shè)計(jì)完成以后，通過實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行校核。,設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循的基本原則,安全性 經(jīng)濟(jì)性 性能必須得到保證,一元設(shè)計(jì)方法 （1） 電機(jī)功率N的選取 （2） 計(jì)算比轉(zhuǎn)數(shù)ns （3） 確定葉輪外徑及輪轂比

4、（4） 計(jì)算圓周速度ut及壓力系數(shù) （5） 求軸向速度Cz （6） 將葉片分段，計(jì)算各截面的 （7） 計(jì)算平均相對速度Wm及氣流角 （8） 選擇葉片數(shù)目Z （9） 計(jì)算各截面的升力系數(shù)Cy及對應(yīng)的攻角 （10） 求葉片的寬度b （11） 計(jì)算葉片安裝角度 （12） 葉片型線的繪制,設(shè)計(jì)時(shí)必須知道的基本條件,風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q 風(fēng)機(jī)的壓力P 安裝場合尺寸限制 安裝地點(diǎn)的環(huán)境條件 對已知風(fēng)量和壓力條件適當(dāng)增加一定的安全系數(shù),貫流式風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算,可以采用自己編制程序的方法，對二維流場進(jìn)行計(jì)算。 采用商業(yè)軟件對流場進(jìn)行二維或者三維計(jì)算，目前商業(yè)軟件很多，國內(nèi)最流行的是采用,問題的研究背景,貫流風(fēng)機(jī):Mor

5、tier,1892 流場研究方面:理論分析,數(shù)值模擬,實(shí)驗(yàn)研究 聲場研究方面:基于實(shí)驗(yàn)-不等距,斜齒,級間錯(cuò)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的模擬手段,第一部分,貫流風(fēng)機(jī)流場的二維數(shù)值模擬,模型的建立,,按貫流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立以轉(zhuǎn)子、流道及邊界為類型的動(dòng)、靜和邊界的三層網(wǎng)格,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,共計(jì)生成48261個(gè)網(wǎng)格單元,其中動(dòng)區(qū)網(wǎng)格單元為16392,并在葉片附近采用附面層網(wǎng)格.,求解方法和技巧,利用Fluent6.1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件,進(jìn)行2D-SIMPLEC方法求解,采用k-e RNG湍流模型.計(jì)算時(shí),進(jìn)出口給定遠(yuǎn)場壓力,采用二階非穩(wěn)態(tài)分離計(jì)算,轉(zhuǎn)數(shù)1200rpm,取時(shí)間步3e-5s.空氣密度:1.225m/

6、s,湍流密度:5%;求解收斂條件:連續(xù)性:0.001,X,Y,Z方向速度:0.001,K=0.001. 1.為了減少計(jì)算量,在啟動(dòng)的時(shí)候采用Spalart-Allmaras模型,考慮到這里動(dòng)靜葉片的相互作用不很強(qiáng)烈是可以的.當(dāng)流場形成并動(dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí),轉(zhuǎn)為k-e RNG模型計(jì)算. 2.在開始計(jì)算,流場形成過程中可采用MRF(Moving Reference Frame)模型,只是采用它進(jìn)行初始流場的快速形成并以此作為初始流場,改用滑移網(wǎng)格(Moving Mesh)模型繼續(xù)求解. 3.對于高轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng),求解過程中收斂會(huì)遇到很大的麻煩. 采用的技巧是: (1). 采用PRESTO!離散格式,這樣對于旋轉(zhuǎn)

7、流動(dòng)的高壓力梯度能很好的適合;(2). 保證網(wǎng)格的優(yōu)化,解決大梯度和旋速帶來的問題.(可以通過計(jì)算后根據(jù)壓力或旋度梯度來局部加密網(wǎng)格);(3).降低速度項(xiàng)松弛因子(0.3-0.5);(4). 先用低轉(zhuǎn)速,然后逐步增加到要求. 4.考慮到計(jì)算的case量較大, 采用了插值的辦法給流場賦初值以減少計(jì)算時(shí)間.,流場的啟動(dòng)（可以看氣動(dòng)過程的流動(dòng)顯示動(dòng)畫）,1.內(nèi)流場的數(shù)值模擬,,,,,絕對壓力云圖 靜壓力等值線圖 動(dòng)壓力等值線圖 速度等值線圖 速度云圖 速度矢量圖 渦舌附近放大速度矢量圖,,,,,,,2.蒸發(fā)器對流場的影響(1),,,,,,,,,,,2.蒸發(fā)器對流場的影響(2),,,,,,,,,,,渦

8、的變化,2.蒸發(fā)器對流場的影響(3),蒸發(fā)器對葉輪內(nèi)側(cè)速度的影響,3.渦舌幾何形狀的影響(1),渦舌端部間隙,,a.標(biāo)準(zhǔn),b.減小2mm,c.減小4mm,流量(kg/s): 0.06797 0.0709 0.04635,3.渦舌幾何形狀的影響(2),渦舌本身形狀,,,,,,3.渦舌幾何形狀的影響(3),渦舌安置角度,,4.葉片傾角的影響,5.葉輪延伸段,殼體幾何的影響(1),葉輪延伸弧段,,,5.葉輪延伸段,殼體幾何的影響(2),殼體幾何,,,,,本章小結(jié),1.影響風(fēng)機(jī)性能的主要參數(shù)為渦舌端部間隙 、渦舌安置角 、葉片傾角 、殼體幾何 等. 2.蒸發(fā)器會(huì)影響貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部偏心渦流區(qū)域

9、大小和分布;蒸發(fā)器可以有效地降低噪聲,但是使流量降低.四折式蒸發(fā)器較明顯的改善聲質(zhì)量. 3.葉輪過渡弧段的尺寸和風(fēng)機(jī)出口渦殼高度相比于1而言影響次要. 4.蝸殼和蝸舌的形狀對風(fēng)機(jī)性能原則上沒有影響,其對性能的影響是通過改變進(jìn)氣角與出氣角的大小而造成的. 5.渦舌端部間隙較大時(shí)風(fēng)機(jī)壓頭降低,流量減少;舌部間隙適當(dāng)減小時(shí),壓力升高,流量變大,但噪聲也相應(yīng)增加;當(dāng)繼續(xù)減小時(shí),又會(huì)使流量降低,同時(shí)使聲質(zhì)量繼續(xù)惡化.,第二部分,貫流風(fēng)機(jī)聲場的數(shù)值模擬,貫流風(fēng)機(jī)的噪聲機(jī)理,1.旋轉(zhuǎn)噪聲:,（1）當(dāng)葉輪在自由空間旋轉(zhuǎn)時(shí),葉片作為一種翼形體掃過鄰近位置上的空氣,葉片承受空氣的升力和阻力,由于力的相互性,氣體介

10、質(zhì)受到葉片作用,產(chǎn)生周期性壓力場而發(fā)生； （2）葉片尾流的作用產(chǎn)生另一種旋轉(zhuǎn)噪聲：當(dāng)氣流流過葉片時(shí),在葉片尾源處,吸力邊與壓力變的附面層匯合形成尾跡區(qū).在尾跡區(qū)內(nèi),氣流的壓力與速度都大大低于主氣流區(qū).當(dāng)工作輪旋轉(zhuǎn)時(shí),葉片出口區(qū)內(nèi)氣流具有很大的不均勻性.這種不均勻性的勢流場周期性的作用于周圍障礙物,就像撫動(dòng)琴弦一樣是物體產(chǎn)生噪聲.,,貫流風(fēng)機(jī)的噪聲機(jī)理,2.渦流噪聲:,(1) 沿不同流線的氣流,預(yù)旋系數(shù)各不相同,因而對葉片而言,攻角的變化范圍很大,在葉輪內(nèi)被強(qiáng)制折轉(zhuǎn)時(shí)也是如此,由此引起葉片前緣處的干擾噪聲. (2) 葉輪來流入口不均勻.例如葉輪入口處有障礙物、急轉(zhuǎn)彎等. (3) 物體湍流邊界層內(nèi)

11、的隨機(jī)脈動(dòng)壓力.它在整個(gè)貫流風(fēng)機(jī)噪聲中所占比例較小. (4) 物體表面上的氣流形成紊流附面層后,附面層中氣流紊亂的壓力脈動(dòng)作用物體（渦殼內(nèi)表面及局部表面）,產(chǎn)生了噪聲.紊流附面層發(fā)展愈發(fā)嚴(yán)重,則所產(chǎn)生的噪聲也愈強(qiáng)烈.因此可以認(rèn)為紊流附面層是產(chǎn)生渦流生的主要來源之一. (5) 動(dòng)葉湍流邊界層的旋渦自葉片后緣脫落時(shí)引起的壓力脈動(dòng).不論邊界層是否分離,這種脈動(dòng)都存在,其典型例子為卡門渦街,此種噪聲呈明顯的寬頻帶特性,葉間處頻率高,葉根處頻率低. (6) 來流的紊流度引起葉片作用力的脈動(dòng)造成噪聲. (7) 二次渦流產(chǎn)生的噪聲. (8) 間隙噪聲. (9) 空調(diào)器工況發(fā)生變化（如由強(qiáng)冷變到弱冷），或由于

12、環(huán)境條件變化，使蒸發(fā)器結(jié)霜程度發(fā)生改變，氣流通過蒸發(fā)器的阻力也改變，由此產(chǎn)生因貫流風(fēng)機(jī)來流變化造成的干擾噪聲。,診斷性分析,,,,,(648.765,3.725e6),改變轉(zhuǎn)數(shù)的的影響,,1.風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對噪聲的影響,渦舌端部間隙和形狀(120rpm),葉輪尺寸:流量滿足情況下,增大尺寸來降低轉(zhuǎn)速.,1.風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對噪聲的影響,蒸發(fā)器,其它因素(120rpm),2.不等距葉片降噪分,不等距葉片降噪機(jī)理,等距葉片: f1=(n/60)z,另一表達(dá)式: f1=(n/60)(2/),z=36,n=1500r/m 在等距情況下,=100,f1=900Hz； 不等距設(shè)計(jì),變化范圍為80120,這時(shí)雖然

13、葉片數(shù)仍為36,但相鄰葉片之間的角卻各不相同.變成一種分布頻率,的變化范圍為750125Hz.等距葉輪在f1處的峰值被不等距葉輪削弱為數(shù)值較小的分布值,并使不等距葉輪的總噪聲即明顯下降.,2.不等距葉片降噪分析,,,等距葉片能譜圖,不等距葉片能譜圖,本章小結(jié),1.通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)噪聲在貫流風(fēng)機(jī)中的確占主要部分,探討降低它是合理的; 2.影響貫流風(fēng)機(jī)噪聲的主要因素有:葉輪尺寸,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù),渦舌端部間隙,渦舌本身形狀,蒸發(fā)器; 3.影響貫流風(fēng)機(jī)的次要因素是:葉片傾角,渦舌安裝角等; 4.通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),不等距葉片因?yàn)閷⒒l處的能量打散，能夠大大的降低風(fēng)機(jī)噪聲.,第三部分,貫流風(fēng)機(jī)的三維模擬初步和

14、展望,模型的建立,網(wǎng)格劃分,流場的模擬(斜齒不等距),離心風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算方法,采用商業(yè)Fluent軟件，對空調(diào)室內(nèi)機(jī)的離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,緒論,問題背景 應(yīng)用廣泛； 資源環(huán)境影響大； 行業(yè)研究方法陳舊； CFD發(fā)展提供條件； 目前的研究狀況 試驗(yàn)為主：西交 數(shù)值模擬：李新宏等STAR-CD全三維定常； 張莉CFX旋轉(zhuǎn)機(jī)械葉輪非定常； 李維斌等Fluent蝸殼定常； 本文的主要工作 Fluent全三維非定常數(shù)值模擬，分析內(nèi)部流場，通過壓力脈動(dòng)獲取噪聲，探討結(jié)構(gòu)參數(shù)對風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲的影響；,離心通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)工作原理,軸向進(jìn)氣，經(jīng)旋轉(zhuǎn)葉片徑

15、向甩出，沿蝸殼流出； 靜壓適中，流量較大；,離心通風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬,基于FLUENT平臺： 建立模型； 網(wǎng)格生成； 求解運(yùn)算； 結(jié)果處理和分析；,建立模型：,物理模型 蝸殼寬度160mm； 葉輪內(nèi),外徑150mm 計(jì)算方法： 求解: segregated,implicit,3D; 時(shí)間項(xiàng): unsteady; 單位長:1e-3(5e-4)s 湍流模型:RNG k-e; 模型: Moving Mseh 壓力項(xiàng): PRESTO! ; p-v 耦合: SIMPLEC; 其他項(xiàng): First Order Upwind;,,,,,CPU: P3 866 X2; 內(nèi)存：512M SDRA

16、M; 硬盤：40G; 系統(tǒng)：Windows XP; 機(jī)時(shí)：一般48小時(shí)以上收斂；獲取壓力脈動(dòng)需更 長機(jī)時(shí)；,計(jì)算環(huán)境,風(fēng)機(jī)工作模擬,葉輪從啟動(dòng)到穩(wěn)定工作過程；,流量發(fā)展,穩(wěn)定后流量為165Kg，約485m3/h,流場圖（截面）,非對稱結(jié)構(gòu)影響流場分布； 下游部件對上游流動(dòng)產(chǎn)生顯著影響；,蝸殼部分,葉輪部分,進(jìn)氣道和過渡段,進(jìn)氣道和過渡段（截面）,噪聲分類,機(jī)械振動(dòng)； 空氣動(dòng)力； 兩者相互作用；,空氣動(dòng)力噪聲,旋轉(zhuǎn)噪聲： （Hz） 渦流噪聲： （Hz）,,,壓力脈動(dòng)：,3D蝸舌附近點(diǎn) （-49.76602，157.8105,10） 2D蝸舌附近點(diǎn) （-38.41066, 155.7317）,脈動(dòng)曲線和頻譜圖,兩者比較：,,,,,曲率半徑對噪聲的影響,r1-SPL折線圖,蝸舌和葉輪間隙對噪聲的影響,t1-SPL折線圖,總結(jié)和展望,總結(jié) 較好模擬風(fēng)機(jī)實(shí)際工作，發(fā)現(xiàn)復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象； 成功分析風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲，定性探討結(jié)構(gòu)對性能影響； 展望 計(jì)算結(jié)果更精確； 模型更為實(shí)際復(fù)雜； 定量分析噪聲； 研究葉輪葉片影響噪聲的情況，探討渦流噪聲；,謝謝大家!,