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贯流、轴流、离心风机的设计计算方法,中国科学技术大学,海信技术讲座,轴流式风机设计方法 贯流式风机的数值计算方法 空调室内机用离心风机的数值计算方法,轴流式风机的气动设计,轴流式风机的结构原理 轴流式风机的设计方法,轴流式风机的基本结构图,轴流式风机的设计计算,一、 空调用轴流式风机由于压力不高，可以用孤立叶型的气动数据，而不必采用叶栅数据进行设计。 二、空调使用的轴流式风机，一般采用圆弧板叶型，而原始圆弧板叶型数据可以通过实验得到，或者采用前人已经得到的实验数据。 三、由于叶型在气流来流攻角较大的情况下，存在一个升力的最大值，当然会希望使用该值作为设计的攻角，但是该攻角之后是一个失速区域，所以一般采用最大升力值的（0.80.9)Cymax作为设计选择值Cy* 四、由于压力比较低，只需要选取单级结构。,轴流风机的设计方法,风机设计中，存在所谓的正命题和反命题问题，也就是给定所要求的风机压力和风机流量，及其叶轮转速，设计风机具体的结构尺寸，这种设计方法称为反命题。而结构参数已知的情况下，对风机性能的计算称为正命题。这两种方法适用于不同的场合，比如设计一台全新的风机，一般需要采用反命题方法，而在对已知风机结构的改造过程，可以采用正命题方法，即对结构做微小的改动，通过正命题对风机性能进行计算校核，以达到所要求的性能要求。,正命题相对简单，由于转速n确定，几何结构已知，可以通过计算圆周速度u，及其已知的安装角度，画出速度三角型，进而确定风机内部流动的各种速度，由风机的欧拉方程，即可以确定出风压值。但上述方法主要是使用一元理论，计算结果的精度不高，在这种情况下，采用数值计算的方法更加有效一些，关于数值计算的方法，在后面的内容中予以介绍。 在已知风量、压力和叶轮转速的情况下，怎样设计该风机的结构参数。目前常用的方法仍然是一元理论结合大量的经验公式和经验曲线来进行设计，最好在一元设计完成以后，通过实验或者数值计算的方法进行校核。,设计应该遵循的基本原则,安全性 经济性 性能必须得到保证,一元设计方法 （1） 电机功率N的选取 （2） 计算比转数ns （3） 确定叶轮外径及轮毂比 （4） 计算圆周速度ut及压力系数 （5） 求轴向速度Cz （6） 将叶片分段，计算各截面的 （7） 计算平均相对速度Wm及气流角 （8） 选择叶片数目Z （9） 计算各截面的升力系数Cy及对应的攻角 （10） 求叶片的宽度b （11） 计算叶片安装角度 （12） 叶片型线的绘制,设计时必须知道的基本条件,风机的风量Q 风机的压力P 安装场合尺寸限制 安装地点的环境条件 对已知风量和压力条件适当增加一定的安全系数,贯流式风机的数值计算,可以采用自己编制程序的方法，对二维流场进行计算。 采用商业软件对流场进行二维或者三维计算，目前商业软件很多，国内最流行的是采用,问题的研究背景,贯流风机:Mortier,1892 流场研究方面:理论分析,数值模拟,实验研究 声场研究方面:基于实验-不等距,斜齿,级间错旋转机械的模拟手段,第一部分,贯流风机流场的二维数值模拟,模型的建立,按贯流风机的结构特点,建立以转子、流道及边界为类型的动、静和边界的三层网格,采用非结构化网格,共计生成48261个网格单元,其中动区网格单元为16392,并在叶片附近采用附面层网格.,求解方法和技巧,利用Fluent6.1计算流体动力学软件,进行2D-SIMPLEC方法求解,采用k-e RNG湍流模型.计算时,进出口给定远场压力,采用二阶非稳态分离计算,转数1200rpm,取时间步3e-5s.空气密度:1.225m/s,湍流密度:5%;求解收敛条件:连续性:0.001,X,Y,Z方向速度:0.001,K=0.001. 1.为了减少计算量,在启动的时候采用Spalart-Allmaras模型,考虑到这里动静叶片的相互作用不很强烈是可以的.当流场形成并动态稳定时,转为k-e RNG模型计算. 2.在开始计算,流场形成过程中可采用MRF(Moving Reference Frame)模型,只是采用它进行初始流场的快速形成并以此作为初始流场,改用滑移网格(Moving Mesh)模型继续求解. 3.对于高转速运动,求解过程中收敛会遇到很大的麻烦. 采用的技巧是: (1). 采用PRESTO!离散格式,这样对于旋转流动的高压力梯度能很好的适合;(2). 保证网格的优化,解决大梯度和旋速带来的问题.(可以通过计算后根据压力或旋度梯度来局部加密网格);(3).降低速度项松弛因子(0.3-0.5);(4). 先用低转速,然后逐步增加到要求. 4.考虑到计算的case量较大, 采用了插值的办法给流场赋初值以减少计算时间.,流场的启动（可以看气动过程的流动显示动画）,1.内流场的数值模拟,绝对压力云图 静压力等值线图 动压力等值线图 速度等值线图 速度云图 速度矢量图 涡舌附近放大速度矢量图,2.蒸发器对流场的影响(1),2.蒸发器对流场的影响(2),涡的变化,2.蒸发器对流场的影响(3),蒸发器对叶轮内侧速度的影响,3.涡舌几何形状的影响(1),涡舌端部间隙,a.标准,b.减小2mm,c.减小4mm,流量(kg/s): 0.06797 0.0709 0.04635,3.涡舌几何形状的影响(2),涡舌本身形状,3.涡舌几何形状的影响(3),涡舌安置角度,4.叶片倾角的影响,5.叶轮延伸段,壳体几何的影响(1),叶轮延伸弧段,5.叶轮延伸段,壳体几何的影响(2),壳体几何,本章小结,1.影响风机性能的主要参数为涡舌端部间隙 、涡舌安置角 、叶片倾角 、壳体几何 等. 2.蒸发器会影响贯流风机内部偏心涡流区域大小和分布;蒸发器可以有效地降低噪声,但是使流量降低.四折式蒸发器较明显的改善声质量. 3.叶轮过渡弧段的尺寸和风机出口涡壳高度相比于1而言影响次要. 4.蜗壳和蜗舌的形状对风机性能原则上没有影响,其对性能的影响是通过改变进气角与出气角的大小而造成的. 5.涡舌端部间隙较大时风机压头降低,流量减少;舌部间隙适当减小时,压力升高,流量变大,但噪声也相应增加;当继续减小时,又会使流量降低,同时使声质量继续恶化.,第二部分,贯流风机声场的数值模拟,贯流风机的噪声机理,1.旋转噪声:,（1）当叶轮在自由空间旋转时,叶片作为一种翼形体扫过邻近位置上的空气,叶片承受空气的升力和阻力,由于力的相互性,气体介质受到叶片作用,产生周期性压力场而发生； （2）叶片尾流的作用产生另一种旋转噪声：当气流流过叶片时,在叶片尾源处,吸力边与压力变的附面层汇合形成尾迹区.在尾迹区内,气流的压力与速度都大大低于主气流区.当工作轮旋转时,叶片出口区内气流具有很大的不均匀性.这种不均匀性的势流场周期性的作用于周围障碍物,就像抚动琴弦一样是物体产生噪声.,贯流风机的噪声机理,2.涡流噪声:,(1) 沿不同流线的气流,预旋系数各不相同,因而对叶片而言,攻角的变化范围很大,在叶轮内被强制折转时也是如此,由此引起叶片前缘处的干扰噪声. (2) 叶轮来流入口不均匀.例如叶轮入口处有障碍物、急转弯等. (3) 物体湍流边界层内的随机脉动压力.它在整个贯流风机噪声中所占比例较小. (4) 物体表面上的气流形成紊流附面层后,附面层中气流紊乱的压力脉动作用物体（涡壳内表面及局部表面）,产生了噪声.紊流附面层发展愈发严重,则所产生的噪声也愈强烈.因此可以认为紊流附面层是产生涡流生的主要来源之一. (5) 动叶湍流边界层的旋涡自叶片后缘脱落时引起的压力脉动.不论边界层是否分离,这种脉动都存在,其典型例子为卡门涡街,此种噪声呈明显的宽频带特性,叶间处频率高,叶根处频率低. (6) 来流的紊流度引起叶片作用力的脉动造成噪声. (7) 二次涡流产生的噪声. (8) 间隙噪声. (9) 空调器工况发生变化（如由强冷变到弱冷），或由于环境条件变化，使蒸发器结霜程度发生改变，气流通过蒸发器的阻力也改变，由此产生因贯流风机来流变化造成的干扰噪声。,诊断性分析,(648.765,3.725e6),改变转数的的影响,1.风机结构参数对噪声的影响,涡舌端部间隙和形状(120rpm),叶轮尺寸:流量满足情况下,增大尺寸来降低转速.,1.风机结构参数对噪声的影响,蒸发器,其它因素(120rpm),2.不等距叶片降噪分,不等距叶片降噪机理,等距叶片: f1=(n/60)z,另一表达式: f1=(n/60)(2/),z=36,n=1500r/m 在等距情况下,=100,f1=900Hz； 不等距设计,变化范围为80120,这时虽然叶片数仍为36,但相邻叶片之间的角却各不相同.变成一种分布频率,的变化范围为750125Hz.等距叶轮在f1处的峰值被不等距叶轮削弱为数值较小的分布值,并使不等距叶轮的总噪声即明显下降.,2.不等距叶片降噪分析,等距叶片能谱图,不等距叶片能谱图,本章小结,1.通过数值计算发现,旋转噪声在贯流风机中的确占主要部分,探讨降低它是合理的; 2.影响贯流风机噪声的主要因素有:叶轮尺寸,风机转数,涡舌端部间隙,涡舌本身形状,蒸发器; 3.影响贯流风机的次要因素是:叶片倾角,涡舌安装角等; 4.通过计算发现,不等距叶片因为将基频处的能量打散，能够大大的降低风机噪声.,第三部分,贯流风机的三维模拟初步和展望,模型的建立,网格划分,流场的模拟(斜齿不等距),离心风机的数值计算方法,采用商业Fluent软件，对空调室内机的离心式风机进行数值计算,绪论,问题背景 应用广泛； 资源环境影响大； 行业研究方法陈旧； CFD发展提供条件； 目前的研究状况 试验为主：西交 数值模拟：李新宏等STAR-CD全三维定常； 张莉CFX旋转机械叶轮非定常； 李维斌等Fluent蜗壳定常； 本文的主要工作 Fluent全三维非定常数值模拟，分析内部流场，通过压力脉动获取噪声，探讨结构参数对风机旋转噪声的影响；,离心通风机结构工作原理,轴向进气，经旋转叶片径向甩出，沿蜗壳流出； 静压适中，流量较大；,离心通风机的数值模拟,基于FLUENT平台： 建立模型； 网格生成； 求解运算； 结果处理和分析；,建立模型：,物理模型 蜗壳宽度160mm； 叶轮内,外径150mm 计算方法： 求解: segregated,implicit,3D; 时间项: unsteady; 单位长:1e-3(5e-4)s 湍流模型:RNG k-e; 模型: Moving Mseh 压力项: PRESTO! ; p-v 耦合: SIMPLEC; 其他项: First Order Upwind;,CPU: P3 866 X2; 内存：512M SDRAM; 硬盘：40G; 系统：Windows XP; 机时：一般48小时以上收敛；获取压力脉动需更 长机时；,计算环境,风机工作模拟,叶轮从启动到稳定工作过程；,流量发展,稳定后流量为165Kg，约485m3/h,流场图（截面）,非对称结构影响流场分布； 下游部件对上游流动产生显著影响；,蜗壳部分,叶轮部分,进气道和过渡段,进气道和过渡段（截面）,噪声分类,机械振动； 空气动力； 两者相互作用；,空气动力噪声,旋转噪声： （Hz） 涡流噪声： （Hz）,压力脉动：,3D蜗舌附近点 （-49.76602，157.8105,10） 2D蜗舌附近点 （-38.41066, 155.7317）,脉动曲线和频谱图,两者比较：,曲率半径对噪声的影响,r1-SPL折线图,蜗舌和叶轮间隙对噪声的影响,t1-SPL折线图,总结和展望,总结 较好模拟风机实际工作，发现复杂流动现象； 成功分析风机旋转噪声，定性探讨结构对性能影响； 展望 计算结果更精确； 模型更为实际复杂； 定量分析噪声； 研究叶轮叶片影响噪声的情况，探讨涡流噪声；,谢谢大家!,
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