收稿日期： 2022-12-20； 修回日期： 2023-03-08； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2024-05-23

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240522.1040.002

基金項(xiàng)目： 江蘇大學(xué)校企合作項(xiàng)目（20200486）

第一作者簡(jiǎn)介： 劉江（1997—），男，江蘇宿遷人，碩士研究生（通信作者，liuj9707@163.com），主要從事多翼離心風(fēng)機(jī)優(yōu)化研究.

第二作者簡(jiǎn)介： 沈春根（1969—），男，江蘇吳江人，正高級(jí)實(shí)驗(yàn)師（chungens@163.com），主要從事CAD/CAE/CAM/CNC的工程應(yīng)用研究.

摘要： 以某型號(hào)風(fēng)暖浴霸吹風(fēng)系統(tǒng)的多翼離心風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，利用ANSYS Fluent 2020 R2對(duì)原型風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)量與均勻度進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示仿真與實(shí)測(cè)誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了用CFD數(shù)值模擬方法來(lái)優(yōu)化浴霸多翼離心風(fēng)機(jī)的可靠性.將蝸殼型線參數(shù)化，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，針對(duì)蝸舌放置角α、蝸舌半徑R、等角螺線常數(shù)A（蝸殼周向面積）與風(fēng)輪移動(dòng)距離L（蝸舌與葉輪間隙）4個(gè)因素，制定了16組參數(shù)組合方案并進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，得到各方案的出口風(fēng)量與均勻度，并由均值與極差分析確定了最優(yōu)參數(shù)組合.通過(guò)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)在蝸舌附近區(qū)域湍流強(qiáng)度減小，內(nèi)部流動(dòng)改善.測(cè)試結(jié)果顯示，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量提升7.3%，均勻度提升4.5%，全壓效率提升5.9%.顯著提升了風(fēng)暖浴霸離心風(fēng)機(jī)的出風(fēng)性能和出口風(fēng)速分布均勻性，對(duì)提高風(fēng)暖浴霸取暖效率和增強(qiáng)人體舒適性有重要意義.

關(guān)鍵詞： 多翼離心風(fēng)機(jī)；蝸殼；蝸舌；正交試驗(yàn)；CFD數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： TH432" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" 文章編號(hào)： 1674-8530（2024）06-0591-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0309

劉江，沈春根，林傳生.多翼離心風(fēng)機(jī)蝸殼氣動(dòng)性能與出風(fēng)均勻性優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（6）：591-597，604.

LIU Jiang， SHEN Chungen， LIN Chuansheng. Optimization design of aerodynamic performance and outlet air uniformity of multi-blade centrifugal fan volute［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（6）：591-597，604.（in Chinese）

Optimization design of aerodynamic performance and outlet

air uniformity of multi-blade centrifugal fan volute

LIU Jiang*， SHEN Chungen， LIN Chuansheng

（School of Mechanical Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China）

Abstract： Taking the multi-blade centrifugal fan of the blowing system of a certain model of bathroom heater with the fan as the research object， simulation analysis of the outlet air volume and uniformity of the prototype fan was carried out by ANSYS Fluent 2020 R2. The results show that the error between the simulation and the test is within 5%， which verified the reliability of the CFD numerical simulation method to optimize the volute of the multi-blade centrifugal fan of the bathroom heater. The volute profile was parameterized， and through orthogonal experimental design， the placement angle of volute tongue α， the radius of volute tongue R， the constant of equiangular spiral A （circumferential area of the volute） and the moving distance of fan L （distance between the volute tongue and fan） were selected as factors， sixteen groups of parameter combination schemes have been developed and CFD numerical simulation has been carried out. The outlet air volume and uniformity index of each scheme were obtained， and the optimal parameter combination was determined by mean value and range analysis. The numerical results show that the turbulence intensity near the volute tongue of the optimized fan is reduced， and the internal flow is improved. The test results show that the air volume of outlet of the optimized fan increases by 7.3%， the uniformity increases by 4.5%， and the total pressure efficiency increases by 5.9%. The air volume of the outlet and uniformity of wind speed distribution of the multi-blade centrifugal fan also improves significantly. It is significant for improving the heating efficiency and human comfort of the bathroom heater with the fan.

Key words： multi-blade centrifugal fan；volute；volute tongue；orthogonal experiment；CFD numerical simulation

浴霸廣泛用于我們的日常生活中.常見(jiàn)的浴霸分為風(fēng)暖式浴霸、燈暖式浴霸和碳纖維輻射式浴霸［1-3］.其中，風(fēng)暖式浴霸因其升溫柔和均勻、節(jié)能安全，并且具有浴室通風(fēng)換氣功能而受到消費(fèi)者歡迎.

風(fēng)暖式浴霸內(nèi)部采用與傳統(tǒng)多翼離心風(fēng)機(jī)類似的結(jié)構(gòu).吹風(fēng)系統(tǒng)主要由葉輪、蝸殼、集流器、PTC（positive temperature coefficient， PTC）加熱器、出風(fēng)窗等部件構(gòu)成.風(fēng)暖式浴霸開(kāi)始工作時(shí)，葉輪高速旋轉(zhuǎn)形成負(fù)壓，空氣從集流器被吸入后在葉片流道中加速并沿著蝸殼流動(dòng)，然后通過(guò)PTC加熱器時(shí)帶走其內(nèi)部散熱片上的熱量，最終從出風(fēng)窗流出，形成整個(gè)空氣加熱過(guò)程.常見(jiàn)的多翼離心風(fēng)機(jī)為軸向進(jìn)氣和徑向出氣，而風(fēng)暖式浴霸離心風(fēng)機(jī)為軸向進(jìn)氣和軸向出氣，并且空氣經(jīng)過(guò)葉輪加速后，還需通過(guò)PTC加熱器，在導(dǎo)流片引導(dǎo)下轉(zhuǎn)向90°以后，最終從出風(fēng)窗排出.因此，在空氣的流動(dòng)方面，風(fēng)暖式浴霸離心風(fēng)機(jī)與常規(guī)的多翼離心風(fēng)機(jī)存在差異.風(fēng)暖式浴霸蝸殼出風(fēng)口寬度受到PTC加熱器的尺寸限制，所以其蝸殼出口位置形狀與常規(guī)多翼離心風(fēng)機(jī)的蝸殼不同.同時(shí)蝸殼尺寸參數(shù)嚴(yán)格受到浴霸箱體外形尺寸的限制，因此蝸殼的形狀與優(yōu)化思路也與常規(guī)的多翼離心風(fēng)機(jī)不盡相同.

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)暖式浴霸使用的多翼離心風(fēng)機(jī)的研究較少，風(fēng)暖式浴霸的葉輪和蝸殼的設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、互相借鑒或參考傳統(tǒng)及其他用途的多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪與蝸殼.市面上的風(fēng)暖式浴霸性能參差不齊，存在出口風(fēng)速低、風(fēng)速不均勻、加熱慢等問(wèn)題，成為影響風(fēng)暖式浴霸行業(yè)發(fā)展的瓶頸.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）被廣泛用于流體機(jī)械的研究.CFD技術(shù)通過(guò)計(jì)算流體模型離散解來(lái)表征流動(dòng)現(xiàn)象，是一種低成本、高效率且相對(duì)精確的研究方法.數(shù)值計(jì)算的精度主要與流體域模型處理方法、邊界條件、網(wǎng)格質(zhì)量等條件有關(guān)，為確保數(shù)值計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際，文中將利用ANSYS Fluent 2020 R2作為主要研究工具并結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試來(lái)提高優(yōu)化工作的準(zhǔn)確性.

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有眾多學(xué)者對(duì)各種用途的多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了深入研究.LI等［4］利用數(shù)值模擬的方法研究了風(fēng)機(jī)蝸殼出口渦結(jié)構(gòu)形成的原因，認(rèn)為蝸殼結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)出口渦形成較大影響，從而影響風(fēng)機(jī)性能.ZHOU等［5］提出了一種新的動(dòng)量矩修正法，并利用該方法對(duì)蝸殼型線進(jìn)行了改進(jìn)，使得風(fēng)機(jī)噪聲有效降低.MORINUSHI等［6］、KANG等［7］探究了蝸舌形狀與結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響.蒲曉敏等［8］、詹婷軍等［9］對(duì)葉輪與蝸殼相對(duì)位置進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)葉輪與蝸殼的軸向與徑向相對(duì)位置會(huì)影響蝸殼的內(nèi)部流動(dòng)和風(fēng)機(jī)性能.XIAO等［10］提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法結(jié)合的數(shù)值模型，對(duì)尺寸限制下的油煙機(jī)蝸殼進(jìn)行了優(yōu)化研究.于思琦［11］、肖彪等［12］、張磊［13］利用CFD技術(shù)分別對(duì)空調(diào)、吸油煙機(jī)、空氣凈化器的風(fēng)機(jī)蝸殼進(jìn)行影響因素研究與優(yōu)化設(shè)計(jì).從上述研究中可以發(fā)現(xiàn)，在多翼離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化研究中，由于葉輪與蝸殼設(shè)計(jì)所涉及的參數(shù)較多，學(xué)者們常將葉輪與蝸殼作為2個(gè)獨(dú)立的個(gè)體進(jìn)行研究.

文中將以某型號(hào)風(fēng)暖式浴霸產(chǎn)品為基礎(chǔ)，探究風(fēng)暖式浴霸多翼離心風(fēng)機(jī)的蝸殼結(jié)構(gòu)對(duì)出口風(fēng)量和均勻度的影響規(guī)律并提出優(yōu)化方案，為后續(xù)其他風(fēng)暖式浴霸產(chǎn)品的蝸殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供借鑒.

1" 原風(fēng)機(jī)數(shù)值仿真分析與試驗(yàn)

1.1" 幾何模型

研究所采用的浴霸離心風(fēng)機(jī)外形尺寸為300 mm×600 mm×100 mm.圖1為浴霸吹風(fēng)系統(tǒng)，由葉輪、蝸殼、電動(dòng)機(jī)、PTC加熱器、PTC支架、出風(fēng)窗、上蓋等結(jié)構(gòu)組成，其中葉輪外徑為160 mm，寬度為70 mm，葉片數(shù)為45.將風(fēng)機(jī)三維模型導(dǎo)入NX1899，簡(jiǎn)化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)三維模型的細(xì)微特征，采用布爾求差方法計(jì)算出整個(gè)吹風(fēng)系統(tǒng)的內(nèi)部流體域模型.為防止數(shù)值計(jì)算出口產(chǎn)生回流，提高仿真精確度，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)口與出口進(jìn)行適當(dāng)延伸.NX1899計(jì)算后的流體域模型如圖2所示，包括旋轉(zhuǎn)域、靜止域、進(jìn)口延伸域與出口延伸域［14］.

1.2" 網(wǎng)格劃分與無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

網(wǎng)格劃分軟件使用Fluent Meshing，考慮到后續(xù)研究使用的正交試驗(yàn)研究方法需計(jì)算的試驗(yàn)組較多且葉輪域與蝸殼域形狀復(fù)雜，所有流體域均采用劃分迅速、適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分.其中所有壁面處做加密處理，并對(duì)蝸舌壁面及葉片壁面進(jìn)行局部細(xì)化，近壁面的量綱一參數(shù)y+值控制在5～30.為提高仿真準(zhǔn)確性與效率，對(duì)風(fēng)機(jī)網(wǎng)格數(shù)量N進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性試驗(yàn).如圖3所示.

當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量N超過(guò)624萬(wàn)后，隨網(wǎng)格數(shù)量N增加至1 047萬(wàn)，出口風(fēng)量Q僅提升0.3%.因此為確保計(jì)算精度并提高計(jì)算效率，后續(xù)研究均采用數(shù)量為624萬(wàn)的網(wǎng)格劃分方案.

1.3" 數(shù)值計(jì)算設(shè)置

在網(wǎng)格劃分工作完成后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent中，并進(jìn)行相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置.

1） 流體介質(zhì)選用空氣，雷諾數(shù)計(jì)算公式為

Re=ρvd/μ，（1）

式中：ρ，v，μ分別為流體介質(zhì)的密度、流速與黏性系數(shù)；d為特征長(zhǎng)度.葉輪轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，根據(jù)公式推算風(fēng)機(jī)內(nèi)部雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于層流的臨界值，因此風(fēng)機(jī)內(nèi)部為復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng).湍流模型選用Realizable k-e模型［15］，選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，速度壓力耦合方式選用SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分離散格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分格式［16］.

2） 進(jìn)、出口均選用壓力邊界條件，進(jìn)口初始相對(duì)壓力為全壓，取值0，出口相對(duì)壓力為靜壓，取值0.

3） 旋轉(zhuǎn)域采用多重參考系模型，設(shè)定旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，并將葉片壁面設(shè)定為Moving wall.

在風(fēng)機(jī)實(shí)際出口處設(shè)置監(jiān)測(cè)面，以監(jiān)測(cè)流經(jīng)該表面的風(fēng)量，并在殘差低于10-4且監(jiān)測(cè)面的風(fēng)量穩(wěn)定時(shí)，判定仿真已收斂.

1.4" 均勻度評(píng)價(jià)指標(biāo)

在安裝風(fēng)暖式浴霸時(shí)，多數(shù)家庭會(huì)選擇將其安裝在淋浴位置的正上方，風(fēng)暖浴霸出風(fēng)不均勻會(huì)造成局部過(guò)熱或過(guò)冷的人體感受，因此在提升風(fēng)量的基礎(chǔ)上，引入出口風(fēng)速均勻度評(píng)價(jià)指標(biāo).將風(fēng)機(jī)實(shí)際出風(fēng)口處分為如圖4所示的6個(gè)監(jiān)測(cè)面.

風(fēng)速均勻度目前沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究人員均根據(jù)自身研究的需要自行確定［17］.因此考慮到前期出口風(fēng)速測(cè)試數(shù)據(jù)的分布特征，定義均勻度δ公式為

δ=∑i1（vi-va）2Nf，（2）

式中：Nf為監(jiān)測(cè)面?zhèn)€數(shù)；vi為監(jiān)測(cè)面i的風(fēng)速；va為所有監(jiān)測(cè)平面的平均風(fēng)速.因此當(dāng)出風(fēng)口風(fēng)速越均勻，δ越小；當(dāng)出口監(jiān)測(cè)面風(fēng)速絕對(duì)均勻時(shí)，均勻度δ=0.

1.5" 仿真可靠性驗(yàn)證

為保證仿真數(shù)據(jù)貼合實(shí)際，參照《GB/T 1236—2017工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)》對(duì)原型風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)量測(cè)試.圖5為測(cè)試使用的風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道性能試驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)使用的測(cè)試方法為噴嘴法測(cè)量，是利用伯努利原理，通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)門閥的開(kāi)度，在傳感器輸出和其他數(shù)據(jù)計(jì)算軟件的處理下，得到風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能數(shù)據(jù).

監(jiān)測(cè)面風(fēng)速使用風(fēng)扇式手持風(fēng)速計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表1所示，風(fēng)量Q和均勻度δ的誤差e均在5.0%以內(nèi)，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算模型有足夠的精確度.

2" 蝸殼型線優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1" 蝸殼型線設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)風(fēng)暖式浴霸多翼離心風(fēng)機(jī)吹風(fēng)系統(tǒng)中的蝸殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，蝸殼型線分為蝸舌和蝸線2部分，蝸線段采用的是等角螺線，該曲線曲率光順，能有效抑制蝸殼流道內(nèi)的渦區(qū)形成，有利于空氣沿著蝸線流動(dòng)［18］.圖6為風(fēng)暖式浴霸吹風(fēng)系統(tǒng)原型風(fēng)機(jī)蝸殼結(jié)構(gòu)的平面投影二維圖，圖中P為蝸舌圓弧中心.其中葉輪外徑D=160 mm，蝸舌半徑R=10 mm，蝸舌放置角α=20°，蝸線段由一段等角螺線構(gòu)成，以葉輪中心為極點(diǎn)，該蝸線的方程在極坐標(biāo)下可以表示為

ρ=eAθ，（3）

式中：A為常數(shù)，原型風(fēng)機(jī)的等角螺線常數(shù)A=0.065，通過(guò)控制等角螺線的常數(shù)A來(lái)控制蝸殼的周向面積；θ為極坐標(biāo)的極角.

相關(guān)研究［9］表明葉輪與蝸殼之間的相對(duì)位置會(huì)一定程度上影響風(fēng)機(jī)的性能，因此設(shè)葉輪沿直線OP移動(dòng)的距離為L(zhǎng)，以此控制葉輪與蝸舌的間隙，L為負(fù)數(shù)時(shí)，表示葉輪沿直線OP方向反向移動(dòng)，原型風(fēng)機(jī)的蝸殼L=0 mm.

2.2" 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)原型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，選取蝸舌放置角α、蝸舌半徑R、等角螺線常數(shù)A、葉輪移動(dòng)距離L這4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行四因素四水平的正交試驗(yàn).考慮到浴霸內(nèi)部的尺寸限制與各尺寸相對(duì)合理的設(shè)計(jì)范圍，選定α，R，A，L的設(shè)計(jì)尺寸范圍分別為［10°，25°］，［6，12］ mm，［0.645，0.660］，［-2，4］ mm，因素水平表如表2所示.

2.3" 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

根據(jù)因素水平表所設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)方案，一共進(jìn)行16組正交試驗(yàn)，將16組參數(shù)組合方案的蝸殼重新建模、劃分網(wǎng)格并導(dǎo)入Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算.表3為各試驗(yàn)組因素組合與計(jì)算結(jié)果.由表可以看出，風(fēng)量Q最大提升6.2%，均勻度δ最大提升9.0%，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)風(fēng)量Q與均勻度δ這2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化存在初步可行性.

對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行極差分析，來(lái)探究各因素對(duì)不同指標(biāo)的影響程度，并分析出2個(gè)指標(biāo)均得到提升的最優(yōu)組合.表4為對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中風(fēng)量Q指標(biāo)的極差分析表，其中Kij為因素j對(duì)應(yīng)第i水平的風(fēng)量Q數(shù)據(jù)總和，kij為其均值，Rkj為風(fēng)量極差.從表中分析可以看出，各因素對(duì)風(fēng)量Q的影響程度由大到小依次為等角螺線常數(shù)A、葉輪移動(dòng)距離L、蝸舌放置角α、蝸舌半徑R.僅考慮風(fēng)量Q時(shí)，最優(yōu)水平為α2R2A4L4.

表5為對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中均勻度δ的極差分析表，其中Mij為因素j對(duì)應(yīng)第i水平的均勻度δ總和，mij為其均值，Rmj為均勻度極差.從表中可以看出，各因素對(duì)均勻度δ的影響程度由大到小依次為等角螺線常數(shù)A、葉輪移動(dòng)距離L、蝸舌放置角α、蝸舌半徑R.僅考慮均勻度δ時(shí)，最優(yōu)水平為α2R4A4L1.

在單指標(biāo)分析中，等角螺線常數(shù)A在0.660時(shí)，蝸舌放置角α在15°時(shí)，風(fēng)量Q與均勻度δ都達(dá)到最優(yōu)水平.其余2個(gè)因素需進(jìn)一步分析.考慮到風(fēng)量Q為風(fēng)機(jī)性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，均勻度δ是為了額外提升使用過(guò)程中的舒適度，因此選定風(fēng)量Q為主要優(yōu)化指標(biāo)，均勻度δ為次要優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行分析.蝸舌半徑對(duì)2個(gè)指標(biāo)的影響都較小，蝸舌半徑為8 mm時(shí)，此時(shí)風(fēng)量Q達(dá)到最優(yōu)水平，均勻度δ為次優(yōu)水平，蝸舌半徑最優(yōu)水平確定為8 mm.葉輪移動(dòng)距離L對(duì)風(fēng)量Q和均勻度δ影響趨勢(shì)完全相反，優(yōu)先考慮主要指標(biāo)風(fēng)量的提升.風(fēng)量Q的最優(yōu)水平為4 mm，次優(yōu)水平為2 mm，L選用2 mm時(shí)，風(fēng)量Q相比選用4 mm時(shí)下降0.17%，但是均勻度δ提升2.1%，因此葉輪移動(dòng)距離L選擇2 mm.綜合上述分析，確定本次優(yōu)化研究的最優(yōu)方案為α=15°，R=8 mm，A=0.660，L=2 mm.此時(shí)優(yōu)化前后的蝸殼與葉輪位置曲線如圖7所示.

2.4" 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后流場(chǎng)分析

根據(jù)最優(yōu)水平參數(shù)組合對(duì)蝸殼進(jìn)行重新建模，在所有條件均相同的情況下，進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算.根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，優(yōu)化后風(fēng)量Q為206.43 m3/h，均勻度δ為0.225，即風(fēng)量提升8.4%，均勻度提升3.8%，風(fēng)機(jī)性能改善明顯.圖8為原型風(fēng)機(jī)與優(yōu)化風(fēng)機(jī)葉輪中盤所在平面的蝸殼內(nèi)湍流動(dòng)能云圖，可以看出風(fēng)機(jī)在PTC加熱器和蝸舌附近區(qū)域的湍流動(dòng)能k較大，即該區(qū)域流體流動(dòng)復(fù)雜且存在較強(qiáng)的流體相互作用，因此原型風(fēng)機(jī)的蝸殼存在明顯的設(shè)計(jì)缺陷.優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)其最大湍流動(dòng)能顯著降低，且PTC加熱器與蝸舌附近湍流強(qiáng)度明顯減小，風(fēng)機(jī)的內(nèi)部空氣流動(dòng)明顯改善［19］.

蝸殼型線的變化對(duì)葉輪內(nèi)部空氣流動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生影響.圖9為優(yōu)化前后葉輪中盤所在平面的葉輪湍流動(dòng)能k云圖.

由圖9可以看出葉輪區(qū)域的最大湍流動(dòng)能有所降低.在原型風(fēng)機(jī)蝸舌附近，葉輪內(nèi)部存在1個(gè)湍流動(dòng)能較大的區(qū)域SA，主要是該區(qū)域存在分離流與回流，流動(dòng)較為復(fù)雜.隨著優(yōu)化后的蝸殼蝸舌放置角和葉輪與蝸殼間隙的變化，該湍流較大的區(qū)域改變至SB區(qū)域，并且該區(qū)域湍流強(qiáng)度有所減小.蝸殼擴(kuò)壓段出口位置的湍流動(dòng)能也明顯降低，葉輪內(nèi)部流動(dòng)有所改善.

從圖10的速度v云圖看出，原型風(fēng)機(jī)在蝸舌與PTC加熱器附近存在明顯的低速區(qū)，結(jié)合圖8的湍流動(dòng)能云圖分析，這主要是由于該區(qū)域流體產(chǎn)生了較強(qiáng)的相互作用，從而滯后了該區(qū)域的空氣流速，是原風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能不佳的一個(gè)重要原因.由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的改善，優(yōu)化后的蝸殼蝸舌附近的低速區(qū)面積明顯減少，且低速區(qū)的流速提升明顯，同時(shí)蝸舌與葉輪之間的流速也有所提高.

2.5" 試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證

為確保優(yōu)化結(jié)果的可靠性，在通過(guò)正交試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算完成優(yōu)化后，對(duì)優(yōu)化蝸殼進(jìn)行打樣并再次測(cè)試.所有測(cè)試條件與原型風(fēng)機(jī)測(cè)試時(shí)相同.圖11為原型風(fēng)機(jī)和優(yōu)化風(fēng)機(jī)6個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的速度vi折線圖，從圖中可以看出各區(qū)域風(fēng)速均有提升，且最低風(fēng)速區(qū)即監(jiān)測(cè)面6的風(fēng)速有顯著提高，整個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)速分布均勻性有所上升.

實(shí)測(cè)結(jié)果如表6所示，在相同工況下，風(fēng)量Q測(cè)試結(jié)果相較于原風(fēng)機(jī)提升7.3%，均勻度δ提升4.5%.同時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓pt上升1.2 Pa，全壓效率ηt提升5.9%，風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能提升明顯，本次優(yōu)化效果較好，驗(yàn)證了正交試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的研究方法的可靠性.

3" 結(jié)" 論

CFD數(shù)值模擬技術(shù)是一種低成本、高效率的流體機(jī)械研究方法，文中將數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合，通過(guò)四因素四水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，探究風(fēng)暖式浴霸多翼離心風(fēng)機(jī)蝸殼的蝸舌放置角α、蝸舌半徑R、等角螺線常數(shù)A、葉輪移動(dòng)距離L這4個(gè)因素對(duì)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量Q與均勻度δ的影響，并得到了同時(shí)提升2個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)參數(shù)組合，關(guān)鍵結(jié)論概括如下：

1） 在浴霸多翼離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，在合理設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，對(duì)出口風(fēng)量Q和均勻度δ影響最大的蝸殼結(jié)構(gòu)參數(shù)是等角螺線常數(shù)A，即蝸殼的周向面積；其次是葉輪移動(dòng)距離L，即蝸舌與葉輪的間隙；蝸舌放置角α的影響程度位列第3；蝸舌半徑R對(duì)出口風(fēng)量Q和均勻度δ的影響較小.

2） 優(yōu)化的蝸殼結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)方案為α=15°，R=8 mm，A=0.660，L=2 mm.根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，本次優(yōu)化后的蝸殼結(jié)構(gòu)使得風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量Q提升7.3%，均勻度δ提升4.5%，全壓效率ηt提升5.9%，風(fēng)機(jī)性能提升效果較好.

3） 通過(guò)數(shù)值模擬的湍流動(dòng)能與速度云圖發(fā)現(xiàn)，本次優(yōu)化后的蝸殼結(jié)構(gòu)在風(fēng)機(jī)蝸舌處湍流強(qiáng)度明顯減小，風(fēng)機(jī)內(nèi)部空氣流動(dòng)改善，氣動(dòng)性能提升.

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（責(zé)任編輯" 朱漪云）