（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

合理的送風(fēng)形式及空調(diào)房間氣流組織分布對(duì)人體熱舒適起到至關(guān)重要的作用［1］，分布式送風(fēng)空調(diào)結(jié)合空氣的物理性質(zhì)，綜合考慮人體穩(wěn)態(tài)環(huán)境及動(dòng)態(tài)環(huán)境下的舒適性需求進(jìn)行氣流組織設(shè)計(jì)。制冷時(shí)，主要需要房間上部送風(fēng)氣流組織，依靠冷空氣下沉的物理特性，冷風(fēng)能夠從上至下沐浴式制冷。制熱時(shí)，熱空氣具有上浮的物理特性，因此房間主要需要下部送風(fēng)氣流組織，溫度從房間下部人體活動(dòng)區(qū)開(kāi)始上升，實(shí)現(xiàn)地毯式制熱［2-5］。

多翼離心風(fēng)機(jī)具有流量、壓力系數(shù)高，噪聲低的優(yōu)勢(shì)，在家用方形柜機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。多翼離心風(fēng)機(jī)的進(jìn)出風(fēng)方式能夠較好的滿足分布式送風(fēng)空調(diào)的送風(fēng)形式設(shè)計(jì)需求，鑒于對(duì)外觀形體尺寸的要求，分布式送風(fēng)機(jī)型采用多離心風(fēng)機(jī)緊湊型布局，單個(gè)離心風(fēng)機(jī)的尺寸約只有傳統(tǒng)方形柜機(jī)的一半，因此，為了滿足分布式送風(fēng)機(jī)型整機(jī)風(fēng)量，對(duì)這種小型多翼離心風(fēng)機(jī)的性能提出了更高的要求。前人對(duì)集流器的研究主要集中為氣流在集流器中的流動(dòng)平穩(wěn)性以及針對(duì)集流器背部渦流區(qū)域的研究［6-7］，林世楊等［8］對(duì)集流器背部的漩渦區(qū)域做了研究，指出由于柜機(jī)多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪通常不帶前盤(pán)，往往影響到葉輪中傳統(tǒng)概念中的“前盤(pán)”附近氣流的流動(dòng)狀況，是造成風(fēng)機(jī)損失以及噪聲的一個(gè)主要來(lái)源。王嘉冰等［9-10］采用CFD方法對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)型式集流器的風(fēng)機(jī)進(jìn)行整機(jī)模擬計(jì)算，通過(guò)研究集流器型式的變化對(duì)柜式空調(diào)用多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)以及風(fēng)機(jī)整體性能的影響，得出結(jié)論采用出口截面直徑大于葉輪內(nèi)徑的收斂型集流器效果最佳。本文采用出口截面直徑大于葉輪內(nèi)徑的結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)集流器型線及結(jié)構(gòu)型式進(jìn)一步優(yōu)化。

本文采用CFD仿真軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)型式集流器的多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算，詳細(xì)分析氣流經(jīng)過(guò)集流器進(jìn)入蝸殼的流動(dòng)情況，以尋求最佳優(yōu)化方案的集流器型式。

1 風(fēng)機(jī)及集流器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

分布式送風(fēng)空調(diào)用多翼離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。集流器結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2，幾種集流器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中方案A集流器是原始未改進(jìn)集流器，只有進(jìn)口段采用圓弧面。方案B集流器與方案A集流器進(jìn)口截面直徑、內(nèi)徑相同，方案B集流器的形狀相比方案A集流器做了改進(jìn)，整個(gè)集流器型線全部采用圓弧面過(guò)渡，并增加一個(gè)出口截面?zhèn)壤刃螖U(kuò)口，出口截面直徑相比A增大，在軸向?qū)挾壬祥L(zhǎng)于A集流器。方案C集流器與方案B集流器相比增大了進(jìn)口截面直徑、內(nèi)徑、出口截面直徑。方案D集流器相比方案C集流器增加了集流器擋筋，擋筋位于蝸殼與葉輪之間沿圓周分布。

表1 多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 集流器結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

圖1 幾種集流器結(jié)構(gòu)示意

2 數(shù)值計(jì)算方法

為了真實(shí)的反映多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，建立三維模型進(jìn)行仿真分析。將三維模型分三部分：葉輪區(qū)域、葉輪內(nèi)部區(qū)域、蝸殼及出風(fēng)口區(qū)域。計(jì)算采用三維雷諾平均守恒Navier-stokes方程，湍流模型選取k-ε標(biāo)準(zhǔn)方程模型，近壁面的流動(dòng)模擬采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力-速度耦合采用標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE算法求解。葉輪進(jìn)口與出風(fēng)口給定總壓為0 Pa，旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用MRF多參考坐標(biāo)系模型，湍流耗散項(xiàng)、湍流動(dòng)能和動(dòng)量方程的離散均采用二階迎風(fēng)格式。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

多翼離心風(fēng)機(jī)的集流器對(duì)蝸殼內(nèi)部整個(gè)氣流組織起著至關(guān)重要的作用，特別是蝸殼進(jìn)口處的氣流組織。通過(guò)集流器的氣流主要是從葉片前緣進(jìn)入葉輪，由于用于家用空調(diào)柜機(jī)的多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪通常都不帶有前盤(pán)，并且與集流器之間存在間隙，因此一部分流量通過(guò)集流器從側(cè)面進(jìn)入葉輪，對(duì)4種集流器方案的多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿真分析，其截面速度流線如圖2所示。

圖2 葉輪直徑截面上速度流線

從圖可以看出，傳統(tǒng)集流器結(jié)構(gòu)型式（方案A），集流器進(jìn)入口基本與葉輪軸向方向平行，氣流沿軸向方向進(jìn)入葉輪。多翼離心風(fēng)機(jī)具有其特有的進(jìn)出風(fēng)方式，氣體經(jīng)過(guò)集流器的導(dǎo)流進(jìn)入蝸殼，沿葉輪軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)不斷有一部分氣體變向沿徑向進(jìn)入葉輪，經(jīng)過(guò)葉輪的做功氣流速度加快，沿?cái)U(kuò)壓段流道排出蝸殼。方案B集流器根據(jù)氣流進(jìn)過(guò)集流器進(jìn)入葉輪后主氣流方向的變化特別設(shè)計(jì)了一小段內(nèi)擴(kuò)圓弧面，此內(nèi)擴(kuò)圓弧面能夠起到輔助氣流經(jīng)過(guò)集流器變向的作用，導(dǎo)流效果優(yōu)于方案A集流器，提高了葉輪對(duì)氣流的利用率。

方案C集流器與方案B相比增大了進(jìn)口截面直徑、內(nèi)徑、出口截面直徑，即加大了集流器進(jìn)口面積，集流器進(jìn)口面積不同，葉輪對(duì)氣流的利用程度不同，加大進(jìn)口面積相當(dāng)于加大多翼離心風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣量，但是集流器截面直徑不能大于葉輪外徑，當(dāng)集流器截面直徑大于葉輪外徑時(shí)，集流器的導(dǎo)流作用顯著減弱，葉輪前端直接進(jìn)入蝸殼的氣流量增大，這部分氣流沒(méi)有經(jīng)過(guò)葉輪充分做功，降低了進(jìn)入蝸殼的氣流利用率。從圖2中可以看出，當(dāng)適當(dāng)增加集流器截面直徑后，方案C集流器對(duì)氣流的導(dǎo)流作用明顯增強(qiáng)，進(jìn)入蝸殼氣流量利用率提升。風(fēng)機(jī)靜壓都為36 Pa時(shí)，通過(guò)方案B集流器進(jìn)入葉輪做功有效流量占比85.7%，通過(guò)方案C集流器進(jìn)入葉輪做功有效流量占比95.5%。仿真分析了不同內(nèi)徑集流器的多翼離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化趨勢(shì)，如圖3所示，對(duì)于此類型的小型多翼離心風(fēng)機(jī)，集流器包圍住葉片寬度的一半左右時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量最佳，即（葉輪外徑-集流器內(nèi)徑）≈（葉輪外徑-葉輪內(nèi)徑）/2。

圖3 風(fēng)量隨集流器內(nèi)徑變化趨勢(shì)

方案D集流器與方案C相比增加了集流器擋筋，擋筋從集流器與蝸殼連接面處向蝸殼內(nèi)側(cè)延伸，基本與葉輪前端面平齊，此擋筋的主要作用是控制葉輪前盤(pán)與蝸殼間間隙的流量泄漏。氣流經(jīng)過(guò)集流器的導(dǎo)流進(jìn)入葉輪，經(jīng)過(guò)葉輪后速度分量中有很大一部分變向垂直于蝸殼的方向，對(duì)蝸殼產(chǎn)生很大的沖擊力，并且經(jīng)過(guò)蝸殼壁的反彈作用在葉輪前端面附近有部分氣流穿過(guò)葉輪前端與集流器之間的間隙，形成泄漏流，并和進(jìn)入葉輪的主氣流相互摻混，在蝸殼的軸向方向上產(chǎn)生旋渦。這些旋渦進(jìn)一步影響了葉輪進(jìn)口流量，泄漏量增大，葉輪進(jìn)口流量減小。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的方案D集流器對(duì)氣流的引導(dǎo)如圖2所示，產(chǎn)生的回流和旋渦現(xiàn)象明顯小于其他方案，氣流在蝸殼內(nèi)的整個(gè)氣流組織更順暢。

對(duì)使用4種方案集流器的多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)量模擬，結(jié)果顯示，方案A集流器離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量VA=517 m3/h，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的方案B，C，D集流器離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)量分別為VB=525 m3/h，VC=548 m3/h，VD=576 m3/h，相比原風(fēng)機(jī)分別增加了1.5%，6.0%，11.4%。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證，方案B，C和D均對(duì)離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)量有提升，因此對(duì)4種集流器制作樣板并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。4種集流器做成可拆卸零件，能夠安裝在同一蝸殼上，排除其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

風(fēng)量、噪聲測(cè)量分別在珠海格力電器股份有限公司焓差實(shí)驗(yàn)室、半消聲實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室是完全按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建造的空調(diào)器性能、噪聲測(cè)試室。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，方案B，C，D的實(shí)際測(cè)試風(fēng)量均比方案A有所增加，分別增加2.3%，5.6%，10.7%，趨勢(shì)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果一致。從噪聲的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，方案B，C，D對(duì)整個(gè)蝸殼氣流組織做出的改進(jìn)，均正向積極的反映在了噪聲值上，噪聲值均有所降低。其中可以認(rèn)為方案A，B，C的噪音值基本相當(dāng)，但是方案B，C的風(fēng)量是增加的。方案D噪聲值相比方案A降低了1.2 dB，降低幅度較大，噪聲改善明顯。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)集流器結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化，減少了蝸殼內(nèi)氣流沖撞和漩渦，減少了葉輪前端面與蝸殼之間的泄露損失。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，改變集流器結(jié)構(gòu)型式對(duì)風(fēng)機(jī)主氣流利用率、葉輪前端面與蝸殼間間隙泄漏量對(duì)主氣流流量的影響以及蝸殼內(nèi)氣流漩渦區(qū)域的大小產(chǎn)生很大影響，進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)內(nèi)氣流組織分布及風(fēng)機(jī)整體性能。根據(jù)氣流進(jìn)入集流器再進(jìn)入葉輪的流動(dòng)特性設(shè)計(jì)的內(nèi)擴(kuò)口型式集流器導(dǎo)流作用更優(yōu)，有助于氣流進(jìn)入葉輪的變向，提升葉輪的做功能力。經(jīng)驗(yàn)證，改進(jìn)后的集流器能夠提升風(fēng)量2.3%。

（2）當(dāng)集流器出口截面直徑大于葉輪內(nèi)徑時(shí)，再適當(dāng)加大集流器出口截面直徑可以提升多翼離心風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣量，進(jìn)而增大多翼離心風(fēng)機(jī)的出風(fēng)量。當(dāng)出口截面直徑加大到一定程度后，由于從軸向進(jìn)入葉輪前端面的氣流量增大，葉輪對(duì)主氣流的有效做功氣流量減少，風(fēng)機(jī)性能受到影響，導(dǎo)致多翼離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量減小。經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)集流器包圍住葉片寬度的一半左右時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量最佳，即（葉輪外徑-集流器內(nèi)徑）≈（葉輪外徑-葉輪內(nèi)徑）/2時(shí)，多翼離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量最佳。

（3）氣流至集流器進(jìn)入葉輪，經(jīng)葉輪做功與蝸殼壁面沖擊過(guò)程中會(huì)有部分氣流回流至葉輪前端面與蝸殼間間隙處，回流氣流與進(jìn)入葉輪氣流相互沖撞影響風(fēng)機(jī)進(jìn)氣量。增加擋筋后能減弱葉輪前端面與蝸殼間間隙泄漏量，提升風(fēng)機(jī)性能。經(jīng)驗(yàn)證，增加擋筋后風(fēng)機(jī)風(fēng)量提升10.7%。