蝸舌深度對離心風機氣動性能和噪聲影響研究

李建建

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

新風空調在傳統空調基礎上增加了新風模塊，可以有效地將室外空氣經過濾后引導至室內，從而提升室內新鮮空氣含量，避免室內沉悶。目前新風模塊主流采用離心風機，但受限于殼體尺寸和新風進風方式，離心風機普遍效率低、噪聲高。

針對離心風機氣動性能和噪聲的改善，眾多學者在葉輪結構參數方面已經進行了大量的研究。在蝸殼總體型線設計方面，李佳峻等［1］提出了一種控制周向截面積分布的蝸殼設計方法。向同瓊等［2］對目前幾種主流的蝸殼型線設計方法的特點及適用范圍進行了總結。李艷等［3］基于變螺旋角蝸殼設計方法，對蝸殼起始、終端螺旋角進行了優化，優化后A 聲級降低4.04 dB。為適應現代產品小型化需求，眾多學者也對蝸殼小型化進行了相關研究［4-6］。文乾等［7］考慮氣體的黏性，對一維型線設計得到的蝸殼外形進行修正，使氣流更加符合真實流動情況。在蝸殼局部參數優化方面，張磊等［8］對蝸殼出口擴張角θ、蝸舌半徑r、蝸舌間隙t進行了數值模擬研究。劉小民等［9］研究了仿鸮翼前緣蝸舌對多翼離心風機氣動性能和噪聲的影響。也有眾多學者研究了蝸殼寬度和傾斜蝸舌對風機氣動性能和聲學特性的影響［10-12］。閆瑩等［13-14］基于有限元對離心風機氣動噪聲進行了研究。雷健等［15］對多翼離心風機出口漩渦成因進行了分析，提出了抑制方法并進行了驗證。以往研究主要著重于整體蝸殼型線的設計，在蝸殼局部參數優化方面，也主要著重于研究蝸舌型線、出風口型線、蝸舌間隙等，對于蝸舌深度的研究，相對較少。本文以蝸舌深度為研究對象，通過仿真與試驗方法研究其對新風空調離心風機氣動性能和噪聲的影響。

1 研究對象

新風空調的新風單元結構模型如圖1 所示，其中進風口連接穿墻的新風管。蝸殼及葉輪如圖2 所示，其中葉輪直徑140 mm，葉高40 mm，蝸舌為圓弧型線。

圖1 新風單元結構模型Fig.1 Structural model of fresh air unit

圖2 蝸殼及葉輪Fig.2 Volute and blade

通過葉輪中心做蝸殼出口截面的法線，以該法線為基準線，連接葉輪圓心和蝸舌型線圓心，該線條與基準線的夾角即為蝸舌圓心位置角A，以該角度來表征蝸舌深度，蝸殼出口寬度為B。

2 仿真模型及準確性驗證

建立三維仿真模型，將進、出口計算域適當延長，基于ANSYS Mesh 進行網格劃分。對葉輪旋轉域及蝸殼進行加密處理，葉輪旋轉域網格為3 386 520，蝸殼網格數量為2 256 580，整體計算域網數量為8 652 370，網格扭曲度＜0.75。

基于ANSYS Fluent 進行穩態求解計算，采用RNGk-ε湍流模型，進口邊界條件采用0 全壓入口，出口邊界給定質量流量，動量、湍流耗散項、湍流動能均采用二階迎風格式。

全壓-流量曲線和效率-流量曲線仿真與試驗值如圖3 所示?？煽闯鋈珘?流量曲線仿真與試驗值趨勢一致，最大相對誤差為5.60%；效率-流量曲線仿真與試驗值趨勢一致，最大誤差為2.48%，仿真模型準確度較高。

圖3 風機氣動性能仿真與試驗值Fig.3 Comparison of experimental and simulated results for aerodynamic performance

3 仿真計算結果分析

設計不同深度的蝸舌結構，相關參數見表1，其中A10 為原始蝸殼方案，分別對各方案進行仿真求解計算，并對計算結果進行分析。

表1 不同深度蝸舌結構參數Tab.1 Structural parameters for volute tongue with different depth

3.1 外特性曲線分析

基于額定流量45 m3/h 工況點，對不同蝸舌深度蝸殼進行仿真，風機的全壓和全壓效率隨蝸舌深度變化趨勢如圖4 所示?？梢钥闯?，隨著蝸舌深度增加，風機全壓值和全壓效率均呈現先上升后下降的趨勢。其中，全壓值變化幅度較小，差值在10 Pa 以內；全壓效率變化較大，最大差值可達23%。蝸舌圓心位置角最佳值為30°，對應的蝸殼出口寬度為60.9 mm，此時仿真全壓值為167.2 Pa，較原始蝸殼提高5 Pa，全壓效率為51.24%，較原始蝸殼提高17.28%。

圖4 不同蝸舌深度下風機仿真全壓和全壓效率Fig.4 Simulated total pressure and total pressure efficiency for the fan with different volute tongues

進一步選取A10（原始蝸殼），A30，A40 共3個方案蝸殼，對不同流量下風機外特性曲線進行對比分析。圖5 示出不同方案下風機的全壓-流量特性曲線?？梢钥闯?，在25～60 m3/h 流量范圍內，隨著蝸舌深度的增加，風機仿真全壓值有小幅度提升，A30，A40 較A10（原始蝸殼）提升約3～7 Pa。在25～45 m3/h 流量范圍內，A30 全壓值略高于A40；在45～60 m3/h 流量范圍內，A30 全壓值略低于A40。

圖5 全壓-流量性能曲線Fig.5 Total pressure-flow curve

圖6示出不同方案下風機的全壓效率-流量特性曲線，可以看出，在25～60 m3/h 流量范圍內，隨著蝸舌深度增加，風機仿真全壓效率有所提升。其中，A10（原始蝸殼），A30，A40 這3 個方案風機的最佳全壓效率點對應的流量依次為55，45，35 m3/h。在25～35 m3/h 流量范圍內，A40 方案風機全壓效率高于A30 方案；在40～60 m3/h 流量范圍內，A30 方案風機全壓效率高于A40 方案。在額定流量45 m3/h 工況點，A30 方案風機全壓效率為51.24%，較A10（原始蝸殼）方案提高17.28%，較A40 方案提高5.02%。

圖6 全壓效率-流量性能曲線Fig.6 Total pressure efficiency-flow curve

3.2 流場分析

基于額定流量45 m3/h 工況點，對上述3 種蝸殼方案進行流場分析。圖7 示出1/2 葉高處葉輪及蝸殼截面速度云圖，可以看出，A10（原始蝸殼）方案在蝸殼擴壓段靠近蝸舌附近區域存在較大面積的低風速區，約占整個出口域面積的1/3。A30，A40 方案增加蝸舌深度后，低風速區域基本消除，即消除了無效流動區域，整個擴壓段風速分布更加均勻。

圖7 1/2 葉高處葉輪及蝸殼截面速度云圖Fig.7 Velocity contour for blade and volute at 1/2 blade height section

進一步分析1/2 葉高處葉輪及蝸殼截面速度矢量，如圖8 所示?？梢钥闯?，A10（原始蝸殼）方案蝸殼擴壓段低風速區域的大部分氣流并未從蝸殼出口流出，而是重新進入到蝸殼內部，進行下一次循環，部分氣流甚至從葉片之間的流道逆向流出，約占3 個流道，且回流速度較高。A30，A40方案通過增加蝸舌深度，切除了無效流動區域，氣流在擴壓段處流動明顯改善，大部分氣流能夠順利通過擴壓段，從蝸殼出口流出，對應的回流葉道數量由3 個減少至2 個，且葉道間氣流回流速度明顯減弱，從而減少了風機運行時無用功，風機效率提高。離心風機氣動噪聲主要包含離散噪聲和寬頻噪聲，根據以往的試驗數據得知，新風機的寬頻噪聲對噪聲總值貢獻量較大，而寬頻噪聲則主要由風道中的渦流流動產生。對比3 個方案擴壓段處氣流流動可知，A10 方案擴壓段遠離蝸舌處氣流能夠良好出流，而靠近蝸舌的低風速區域氣流則與主干氣流產生了分離，流動分離易產生壓差阻力，從而破壞流動穩定性，致使渦流生成，產生渦流噪聲。A30，A40 方案增加蝸舌深度后，切除了流動不穩定區域，從而能夠有效降低擴壓段處的渦流噪聲，達到降低風機噪聲總值的目的。

圖8 1/2 葉高處葉輪及蝸殼截面速度矢量圖Fig.8 Velocity vectors for blade and volute at 1/2 blade height section

圖9示出1/2 葉高處葉輪及蝸殼截面湍動能云圖，湍動能與湍流速度漲落方差及流體質量成正比，能夠反映介質流動過程中速度波動程度，即流動穩定性?？梢钥闯?，該截面處A10（原始蝸殼）方案葉輪及蝸殼湍動能明顯高于A30，A40 方案，在葉輪和蝸舌附近區域表現尤為突出，其流動穩定性弱于A30，A40 方案，不穩定的流動易導致風機內部產生渦流，從而增大渦流噪聲，同時導致風機內部氣流流動損失較高，無效功增加，從而導致寬頻噪聲升高、風機效率降低。進一步對比A30，A40 方案可知，A40 方案整體湍動能高于A30 方案，相應的風機噪聲會高于A30 方案、風機效率低于A30 方案。在葉輪內部區域、擴壓段區域表現較為突出，主要是由于蝸舌深度進一步增加后，蝸殼出口寬度減小，從而導致出風阻力增加，同等流量條件下A40 方案風機做功較A30 增加，相應的湍動能隨之上升。在蝸舌與葉輪之間的通道區域，A30 方案湍動能則高于A40 方案，主要是由于A40 方案蝸舌深度較A30 方案進一步增加，從而減少了葉輪裸露的葉片數目，此處的氣流流動進一步趨于穩定。綜上對比3 種蝸殼方案，在額定流量45 m3/h 工況下，A30 方案風機性能最優。

圖9 1/2 葉高處葉輪及蝸殼截面湍動能云圖Fig.9 Turbulent kinetic energy contour for blade and volute at 1/2 blade height section

4 試驗驗證

分別對A10（原始蝸殼），A30，A40 方案制作手板樣件，在空調設備及系統運行節能國家重點實驗室進行整機風機性能及噪聲測試，相關測試方法參考國家標準，測試結果見表2。

表2 試驗結果Tab.2 Experimental results

從測試結果可以看出，在額定流量45 m3/h 工況下，A30 方案風機性能及噪聲水平最優，A40 方案次之，兩者均優于A10（原始蝸殼）方案。其中A30 方案較A10 方案功率降低7.8 W，且噪聲降低1.7 dB，即通過適當增加蝸舌深度，能夠減少風機無效做功，同時改善風機噪聲，與仿真結果一致。A40 方案功率和噪聲較A30 方案有所增加，即過度增加蝸舌深度后，相應的蝸殼出口寬度過小，導致出風口面積減小，出風阻力有所增加，為達到相同的流量，需要增加風機做功，相應的風機功率噪聲也有所提升，與仿真結果一致。

5 結論

（1）蝸舌深度對蝸殼擴壓段以及附近葉道間區域氣流流動有較大影響。當蝸舌深度不足時，會導致蝸殼擴壓段在靠近蝸舌側附近區域產生低風速區域，此處區域大部分氣流與主干氣流產生分離，即并未從蝸殼出口流出，而是再次進入到蝸殼內部進行下一次循環或者進入到附近葉道間區域逆向流出，導致葉輪無效功增加，風機效率降低；此外，不穩定的流動導致風道內渦流的產生和湍動能增加，致使風機噪聲增加。

（2）過度加深蝸舌結構，雖能夠改善蝸舌與葉輪之間區域的氣流流動，但同時會導致蝸殼出口寬度過小，出風口面積過小，出風阻力增加。為達到相同流量，風機需要做功更多，以克服阻力，風機效率降低，同時葉輪內部和蝸殼擴壓段區域湍動能也隨之增加，風機噪聲增加。

（3）適當增加蝸舌深度能夠改善蝸殼擴壓段處流動，提高風機氣動性能，同時降低風機噪聲。試驗測試結果表明，優化后的蝸殼（A30 方案）在額定流量下功率降低7.8 W，噪聲降低1.7 dB。