空调器风机内流中的旋涡流动及气动噪声预测

论文摘要

与一般动力用风机相比,空调用风机不仅在结构配置上有很大的不同,而且内流现象及其流动机制也有着不少自身的特殊性。对这种空调用低速风机内流中旋涡流动及其气动声学的研究,国内外尚不多见。为此,本文分别对空调器室外机用半开式轴流风机和室内机用多翼风机叶道内的旋涡流动、半开式轴流风机和导流罩匹配的结构优化以及开式轴流风机噪声预测等方面进行了研究,探索其内流机制及提高风机气动-声学性能的某些途径。研究了空调器室外机用半开式轴流风机叶顶流场中叶尖涡的形成和发展过程,得出了叶尖涡涡核轨迹沿轴向、周向和径向的分布规律。研究结果指出,叶尖涡在叶尖前缘吸力面附近形成,它由风机通过叶顶的径向向内入流和轴向主流作用产生剪切边界层卷曲而引起,最后消失于叶轮出口附近。回转面上叶尖涡沿一条与旋转方向相反的斜线向下游发展,在导流罩附近更加偏向于切向方向运动;在径向叶尖涡先沿外径方向发展,至导流罩附近转向内径方向移动。文中还讨论了风量以及导流罩宽度对叶尖涡轨迹的影响。研究指出风量的变化对叶尖涡的轴向位置的影响较大,而对径向位置的影响不明显。大导流罩宽度时叶尖涡的轨迹更加偏向于上游,径向影响区域小;小导流罩宽度时叶尖涡的轨迹更加偏向于下游,径向影响区域大。分析了空调器室内机用多翼风机叶道中的气体流动,详细比较了不同轴向及周向位置的旋涡特征。研究揭示出多翼风机内存在大范围的气流分离现象,即使在主流区域所在的后盘附近的叶道中,存在分离现象的叶道在周向也占2/3;前盘附近则几乎在所有叶道内都存在气流分离。文中同时探讨了采用偏心安装进气口时对叶道内气流分布的影响,指出将风机进气口向蜗壳内侧偏置适当距离时,前盘侧旋涡分布范围明显减小,能够改善风机性能。探讨了半开式轴流风机的叶片弯掠角度、叶轮与导流罩轴向相对位置、导流罩宽度对轴流风机内流及性能的影响。研究指出,合理采用较大的前弯和前掠角度,可以改善叶道中的旋涡流动分布并减小导流罩入口处存在的回流区域。叶轮与导流罩轴向相对位置的不同以及采用不同导流罩宽度时,对导流罩入口前方存在的回流区大小有着重要影响。在此基础上,对空调用轴流叶轮及导流罩进行了结构优化。实验证实优化之后的新四叶弯掠叶轮在不降低气动性能的情况下降低了噪声0.5～1.3分贝;新三叶弯掠叶轮风量提高7%,噪声降低0～1.7个分贝;新弯掠叶轮与新导流罩匹配,噪声降低最大达到1.9分贝。用大涡模拟方法,比较了两个不同形状开式轴流风机内部旋涡流动的非稳态特征,获取了叶轮表面的压力波动,应用FW-H方程对声远场进行了噪声预测,探讨了叶轮不同表面辐射噪声时的频谱分布特征。研究指出,开式轴流风机叶尖涡中心位置随时间而变化;叶尖涡与在前缘分离涡一起,在吸力面叶片表面相应位置形成的压力波动是主要噪声源;低速轴流叶轮由叶轮壁面辐射的噪声以宽频成分为主,改善旋涡流动可以降低风机的总声压级。本文研究受国家自然科学基金项目（No.50176012）资助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景、目的和意义
• 1.2 轴流叶轮中旋涡流动研究
• 1.3 多翼风机内旋涡流动研究
• 1.4 弯掠叶片研究
• 1.5 流体机械气动声学研究
• 1.6 本课题研究的主要内容
• 2 空调器室外机用轴流风机叶尖涡流动的数值分析
• 2.1 引言
• 2.2 计算方法
• 2.3 计算模型、计算网格和边界条件
• 2.4 叶尖涡流动特征分析
• 2.5 流量对叶尖涡轨迹的影响
• 2.6 导流罩宽度对叶尖涡轨迹的影响
• 2.7 本章小结
• 3 空调器室内机用多翼风机叶道内旋涡流动分析
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 风机基本结构
• 3.4 计算网格和边界条件
• 3.5 叶道旋涡流动分析
• 3.6 风机进气口的偏心安装对前盘附近叶道中流动的影响
• 3.7 风机性能比较
• 3.8 本章小结
• 4 半开式轴流风机CFD/CAD 及其优化研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 计算模型、计算网格和边界条件
• 4.4 气动性能试验装置
• 4.5 轴流叶片弯掠角度的研究
• 4.6 叶轮与导流罩轴向相对位置的研究
• 4.7 导流罩宽度的匹配
• 4.8 弯掠叶轮的CFD/CAD 优化实例
• 4.9 导流罩的优化实例
• 4.10 本章小结
• 5 开式轴流风机气动噪声预测
• 5.1 引言
• 5.2 大涡模拟
• 5.3 LES/FW-H 匹配方法
• 5.4 FFT 变换
• 5.5 计算模型与计算网格
• 5.6 叶道旋涡流动特征
• 5.7 叶轮表面压力波动及其频率特征
• 5.8 远场气动噪声预测
• 5.9 本章小结
• 6 全文总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文