流场仿真技术在空调器离心风机优化中的应用春兰集团 沈 建 春兰电器研究所 孙庆宽 杨亚东摘 要 探讨了流场仿真技术在空调器风机系统优化设计中应用的可行性并对柜式空调器室内离心风机系统的内部流动特性作了基于仿真计算结果的分析,其中的一些观 点已得到了实验验证。 关键词 流场仿真 离心风扇 蜗壳1 前言流场仿真是利用计算流体动力学(CFD)技术 对特定的流动问题进行数值计算,以获得稳态或 非稳态的流场分布,并对仿真的结果进行专业化 分析、 处理及显示。空调工程中的许多技术领域, 诸如风机系统设计问题,包含对流、 传导、 辐射过 程热交换问题,室内环境中气体的多组元扩散及 温湿分布问题,空调房间环境的热舒适性问题等, 都与湍流流动有着非常广泛而又密切的联系。借 助于流场仿真分析软件包STAR - CD PACK AGE, 通过对上述湍流现象的深入研究,可以进一步加 深对复杂流动问题本质的认识,对指导现有产品 性能的优化和新产品的开发有着非常重要的意 义。 本文着重对本公司某一型号柜式空调器的室 内离心风机系统在蜗壳出口为敞口(即背压为1 个大气压)情况下的离心风扇及蜗壳的内部流场 做了基于非稳态的数值计算。并针对流场仿真计 算的结果,定性分析了影响离心风机系统气动性 能的主要因素,并将部分分析的结果应用于柜机 室内降噪工作,并取得了较好的应用效果。另外, 作为验证,本文还对改进前、 后的离心风机系统进 行了仿真对比分析,并通过风机气动性能实验证 明了仿真分析的正确性。2 计算方法211 定解条件及仿真模型 对处于敞口状态下离心风机系统的仿真基于如下假设:(1)流动介质为单一组分的干空气; (2)空气在蜗壳中的流动为不可压缩的粘性流动,密 度为常量( t= 20)。湍流模型及控制参数参见 表1。表1 湍流模型K- EPS(二阶非线性) 边界条件Inlet、Pressure、Symplane、Wall 物性参数密度= 1.205kg/ m3,粘度= 15.0610- 6m2/ s 控制参数PISO算法,MARS空间差分格式,隐式时间差分格式进口体积流量为1000m3/ h,出口为压力边界 条件,并以稳态计算的结果作为非稳态计算的初始条件。仿真分析的模型及离心风机系统结构如 图1、2。图1 仿真分析模型212 仿真计算稳定的判断 离心风机非稳态仿真计算稳定的判断依据之一是蜗壳进出口的压差DP随时间的脉动趋于等 幅震荡。图3表示非稳态计算初始一段时间内的 压差脉动的时域分布。从图中可以看出计算的初 始时刻压差有较大的波动,随着时间的推进,蜗壳64 流 体 机 械 2001年第29卷第7期 收稿日期:20001201 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.出口压差在经过一个平衡期后,开始进入以中心 压力为60Pa的不等幅震荡。图2 离心风机系统结构图3 非稳态计算初始压力脉动图4 非稳态计算稳定时压力脉动当仿真计算进行到34个离心风扇的旋转周期后,蜗壳出口压差开始进入到等幅震荡。一般认为,此时离心风扇的内部流场已达到稳定状态,如图4所示。3 仿真结果分析与实验研究311 风扇与引风罩的轴向间距对流场及性能影响的仿真分析图5表示了室内离心风机系统轴向截面的速 度场分布。图5 轴向截面的速度场分布从图中可以看到,由于引风罩的导流作用,气 体在进入叶间流道之前流动方向需要发生转变, 同时由于气体流动惯性的影响,使得沿离心风扇 轴方向叶片气流入口处的速度场分布很不均匀。 如果风扇与引风罩之间的轴向间距过小,将会导 致通过离心风扇上部的气流量减少;如果风扇与引风罩之间的轴向间距过大,将会导致通过离心 风扇中下部的气流量减少。这两种情况都会使风 扇的有效轴向长度得不到充分利用,使其效率下 降。 另外,值得注意的是蜗壳进口处凸台对流场的影响。从图示的速度场分布来看,进口处凸台 对流体的流动有明显的阻碍作用,这对风机系统 的效率提高及噪声降低都是不利的。 对于一定形状和进风面积的引风罩,存在一 个理想的轴向间距;引风罩的有效进风面积与叶轮之间的径向间隙同样对系统的气动性能有较大 的影响。图6 不同轴向间隙的风机性能曲线 笔者在风机试验台上实验验证了风扇与引风 罩之间的轴向间距H对系统气动性能数的影响。74Vol.29 ,No.7 ,2001 FLUID MACHINERY 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图6是在不同轴向间隙H下的腔室静压与体积 流量的关系曲线。 在腔式静压3550Pa之间,轴向间距对风系 统性能参数的影响较为明显,在同样的压阻条件 下,随着间距的增大,体积流量有递减的趋势。312蜗壳内部流场的仿真及优化分析 图7表示了靠近叶轮底部截面的速度场分 布。图7 蜗壳内部速度场分布从图中可明显地看到在蜗壳出口平面处的速 度场呈V形分布,动能主要分布在蜗壳的两侧, 蜗舌处有较大的回流。流场的这种分布,至少会 对系统的气动性能产生三个方面的影响:(1)出口 面积得不到充分利用,蜗壳的扩压作用不明显,其造成的直接后果就是出口空气的总能量中静压能 占的比重很小; (2)流速分布的不均,会使得风机 的效率变差,紊流噪声增加; (3)导致换热器表面 的热负荷分配不均匀,影响换热器的热交换效果。影响蜗壳出口流场分布不均匀的因素是多方面的,不仅与风扇、 蜗壳等主要零件的设计有关, 它们之间的气动匹配关系失调也应是导致这种现 象的重要原因。作为探讨,本文提出针对流场分 布不均匀问题的几种解决方案,但对其可行性尚 需要流场仿真与实验的进一步验证。(1)保持现有蜗壳的型线不变,调整离心风扇叶片的出口安装角。 由于叶片的出口安装角变化 幅度太大必须改变蜗壳的型线,故变出口安装角 应限制在一定的范围内。使用STAR - CD可以很 容易地对这些方案进行评估。(2)沿叶轮轴向调整叶片的入口安装角。叶片入口气流冲角是影响叶片表面载荷的主要因 素。在多翼离心风机的设计中,叶片表面的速度 分布应相对均匀地变化,避免过大的局部速度梯 度,以减少流动损失。因此,为了减少在入口处气流对叶片的冲击,可以考虑叶片沿轴向分段(或旋 转) ,每段的叶片入口安装角变化以适应尽量减少 入口气流冲角的要求。另外,改变离心风扇轮毂 的外形对改善气流进入风扇的状态也有较为明显 的作用,这在相关的文献资料中已有阐述。(3)重新设计蜗壳的型线。若针对相同的离心风扇,按风机蜗壳螺旋线公式来设计蜗壳: R=R2etgtg=kQ/ (D22Bc2u) 式中 R2、D2 叶轮的半径、 直径Q 风系统的体积流量B 蜗壳宽度c2u 速度分量K 系数 螺旋角图8 改进前、 后的风机内部速度场分布笔者发现,现有产品的蜗壳设计与离心风扇 不匹配,蜗壳的宽度偏小,蜗壳的扩压作用没有得到充分发挥,同时影响了离心风扇叶栅通道的流 动。对此,我们重新设计了蜗壳并进行了有限元84 流 体 机 械 2001年第29卷第7期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.计算。313 蜗壳改进前后的风机流场对比 图8是离心风机改进前、 后在同一截面处的内部速度场分布对比。很显然,改进后的速度场 分布得到了较大程度上的改善,特别是在蜗壳出 口基本消除了速度分布的V形现象。图9 改进前、 后的风机内部静压场分布图9给出了两种离心风机系统内部的静压分 布对比情况。从图中可以看出改进后的离心风机 系统在蜗舌部位的最大压力脉动平均幅值降低了 约35% ,有效地减弱了旋转气流对蜗舌部位的冲 击,这对于降低离心风机的旋转噪声具有非常重要的意义。图10 蜗壳出口速度场分布的实验验证4 实验验证作为对仿真计算结果的验证,图10给出了蜗 壳出口速度场分布的计算结果与实验的对比:(测 试截面位于蜗壳出口,并沿出口宽度分为10等分;用热球风速仪测量速度)仿真计算- 1、 仿真计 算- 2分别代表体积流量为700m3/ h和1000m3/ h 时通过仿真计算得到的原产品蜗壳出口截面处的 速度分布。 图中的另外一条曲线表示体积流量为1000m3/ h时的原产品蜗壳出口截面处的实际测 量速度。 从图中可以看出,在同样的体积流量时,计算 结果与实际测量在个别点上存在较大的差异,但 沿蜗壳出口宽度方向上的速度分布基本一致,呈现两边高中间底的特点。另外,从图中也较为明 显地看出,同转速不同流量下的速度分布变化较 大,随着流量的减少,低速区向蜗舌方向移动。测 试结果表明STAR - CD软件能够较好地应用在空 调器离心风机的优化设计中。5 结论应用计算流体力学软件包STAR - CD对柜式 空调器室内离心风机系统在额定工况下的蜗壳内部流动进行了基于非稳态的仿真计算分析与实验 验证。有针对性地指出了现有产品在风机系统的 设计与匹配中的不足之处,并提出了相应的改进 方法,其中的一些观点已经得到了实验确认,数值 分析的结果能与实测结果较好地吻合。研究表明,流场仿真技术能够更好地帮助我们认识空调 器风机系统粘性流动的本质,有助于产品的优化 设计。作者简介:沈建,男,41岁,工程师,现任春兰(集团)公司技术副总裁,任中国家用电器协会副理事长和技术委员会副主任委员、 中国质量万里行促进会理事等,从事制冷技术研究、 产品开发和技术管理工作,多项研究成果获得省市科技奖,发表论文数篇。通讯地址:225300江苏泰州市北仓路73号春兰电器研究所。94Vol.29 ,No.7 ,2001 FLUID MACHINERY 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.the cyclic indicatingfigure of the pump. When the flu2id which is transported by the pump is the mixture ofgas and liquid , the effective power is consists of twoparts , one is the power consumed by compressing theliquid, and another is the power consumed by com2pressing the gas.Keywords :reciprocating pump ,multiphase flow ,effective power ,calculating methodOptimum Calculation of Siphon - peeler Cen2trifuge Basket with the Method of Finite ElementFeng Licheng et al(25) Based on the finite elements stress analysis , a op2timized mathematic model for centrifuge basket , whichis aimed at the complicated siphon - peeler centrifugebasket , is set up. Th