外周叶片角对空调用贯流风机性能及噪声的影响

摘要 ： 利用 CFD 软件 FLUENT6.2 和 自行 研发的“空调用贯流风机参数化建模软件”，分别对外周叶片角为 19° 、 22° 、 24° 、 26° 、 29° 共 5 种情况 下的贯流风机进行实体建模和网格划分，并对内流场和气动 噪声 进行数值模拟，研究了外周叶片角变化对贯流风机流量和噪声的影响，优化了设计参数，提高了风机性能。

 贯流风机； 外周叶片角； CFD

中图分类号： TH43 　　　文献标识码： B

文章编号： 1006-8155(2008）03-0010-04

Influence of External Blade Angle on Performance and Aeroacoustic Noise of Cross-flow Fan for Air-conditioning

Abstract: By the CFD software FLUENT 6.2 and the parameterized modeling program of cross-flow fan for air-conditioning, the entity modeling and grid division for cross-flow fan are carried out on the condition of different internal blade angles, such as 19 ° , 22 ° , 24 ° , 26 ° and 29 ° . Furthermore, the internal flow field and aeroacoustic noise are simulated, and the influence on capacity and noise from the change of internal blade angle is investigated. The result shows that design parameter is optimized and fan performance is improved.

Key words: cross-flow fan; external blade angle; CFD

0  引言

　　贯流风机结构简单、体积小、噪声低，产生的气流高速、平稳，是分体式家用空调器中的重要部件。贯流风机由多叶叶轮和蜗壳构成，外周叶片角是一个用来表征叶轮的结构参数，同时也是贯流风机优化设计中需要考虑的重要参数，其变化对风机综合性能具有直接影响 ^[1] 。目前，业内主要通过试验的方法对其影响进行评估，而这必将使得产品的研发费用增加，周期延长，很不经济 ^[2] 。 本文利用 商用 CFD 软件 FLUENT6.2 和 自行 研发的“空调用贯流风机参数化建模软件” ^[3] ，对不同外周叶片角情况下的贯流风机进行实体建模和网格划分，并对内流场和气动声场进行数值模拟，研究外周叶片角变化对贯流风机流量和噪声的影响，优化设计参数，提高风机性能。

1 　研究对象

　　贯流风机叶轮结构如图 1 所示。具体参数：叶轮外径为 97mm ，直径比为 0.811 ，外周叶片角为 26 ° ，内周叶片角为 90 ° ， 叶片数 为 35 ，每个叶片不但沿径向变角分布，而且还沿轴向扭曲分布，在轴向上每毫米叶片沿圆周方向的扭曲角度为 0.08 ° /mm ，叶轮转速为 1000r/min 。

2　 计算方法

2.1　 流场计算

　　采用大涡模拟输运方程 (LES) 计算贯流风机的非稳态流场，获得可用于后续气动声学计算中需要的压力脉动。考虑到流道形状的复杂性，全部选用非结构化四面体网格。叶轮区域设为旋转区域，动静区域间采用滑移网格。压力 - 速度耦合采用 PISO 算法，压力项离散格式采用 PRESTO! ，其余项均采用二阶迎风格式。非稳态计算的时间步长设为 0.0002s ，叶轮旋转 8~10 圈后，流动达到准稳态。边界条件采用进口压力和出口压力，计算模型如图 2 所示。

2.2 　气动噪声计算

　　通过大涡模拟输运方程 (LES) 计算获得非稳态流场后，采用基于 Lighthill 声学类比理论的 FW-H 方程来模拟气动噪声的产生和传播，并通过快速 Fourier 变换 (FFT) 计算获得各种声压频谱 ^[4-5] 。

　　叶片通过的频率为 f=nZ/60 I，其中， n 为叶轮的转速， z 为叶片数， I 为谐波序号（ I =1 时为基频）。根据贯流风机的结构特征，可以计算得到：叶片通过的基频为 583Hz ，波长为 0.5832m 。由于波长远大于风机的特征尺寸，因此在声学模型中可以忽略风机外壳和叶片之间对声音的反射、衍射、散射作用。同时由于贯流风机的气流马赫数（ M a =0.0146 ）很小，因此 FW-H 方程中的四极子声源也可以忽略不计 ^[6] 。

　　图 3 为涡度分布图，由图可看出：在叶轮进、出口以及 蜗舌处存在较大涡度。这表明旋转叶轮与静止壳体之间相互干涉及对气流周期性加速而产生的压力脉动是小 马赫数贯流风机 噪声的重要来源， 因此选取叶轮和蜗舌作为声源曲面来计算 贯流风机的气动噪声。

3 　结果分析

　　在贯流风机中，气体二次通过叶轮的叶栅。气流沿着与转子轴线垂直的方向从叶轮一侧径向通过叶栅进入叶轮 , 然后穿过叶轮内部 , 第二次通过叶轮的另一侧排出。当气流第一次流经叶栅时，外周叶片角是进气角，当气流第二次流经叶栅时，外周叶片角是出气角。由此可见，外周叶片角变化所引起的流场变化十分复杂。

　　笔者利用商用 CFD 软件 FLUENT6.2 和自行研发的“空调用贯流风机参数化建模软件”，对外周叶片角分别为 19° 、 22° 、 24° 、 26° 、 29° 共 5 种情况下的贯流风机进行实体建模和网格划分，并对内流场和气动声场进行数值模拟，研究外周叶片角变化对风机流量和噪声的影响。

表 1 不同外周叶片角下的风机流量

　　表 1 和图 4 给出了不同外周叶片角下的风机流量。从图中看出，叶轮的外周叶片角越小，叶片弯曲越大，叶片对流体的做功能力越大，从而使流量增加，但过小的外周叶片角使叶片阻碍了流道中流体的流动能力，从而造成流量减少。随着叶轮的外周叶片角的减小，流量增加，但当叶片角为 19° 时流量急剧下降，与理论相吻合。故在一定范围内，减小外周叶片角能改善气流的流动状况，促使风机性能有所提高。

　　从图 5 中看出， 5 种不同外周叶片角的噪声频谱在基频处相差不大，都是由几个无序而较小的波峰组成。但外周叶片角为 19° 和 22° 时，二次谐波处均存在一个明显的波峰，且峰值较高。外周叶片角为 24° 时，二次谐波处没有明显波峰。外周叶片角为 26° 和 29° 时，二次谐波处均存在一个较小波峰，但峰值并不高。

　　图 6 为不同外周叶片角的贯流风机 A 声级频谱图。从图中看出，在基频处，外周叶片角为 22° 时的 A 声级最低，外周叶片角为 29° 时次之，其它 3 种情况几乎相同。在二次谐波处，外周叶片角为 26° 时的 A 声级最低，外周叶片角为 24° 时次之，较 26° 时高 2dB （ A ）左右，其它 3 种情况均较高。另外，二次谐波处的 A 声级总体水平比基频处高。

　　综合考虑流量和噪声，外周叶片角为 26° 时的风机性能相对最优。

4 　结论

　　通过利用商用 CFD 软件 FLUENT6.2 和自行研发的“空调用贯流风机参数化建模软件”，对不同外周叶片角下的贯流风机进行实体建模和网格划分，并对内流场和气动声场进行数值模拟，可以获得外周叶片角变化对风机流量和噪声的影响，有利于优化设计参数，提高风机性能。

参 考 文 献

[1] 游斌，区颖达 . 影响横流风机性能的各几何因素 [J]. 风机技术， 1997(6): 22-25.

[2] 区颖达，吴克启 . 横流风机特征参数的实验研究及统计分析 [J]. 流体机械， 2000, 18(12): 5-6.

[3] 张师帅，罗亮 . 空调用贯流风机叶轮几何建模的参数化 [J]. 风机技术， 2006(5): 14-16.

[4] Young J Moon, Yong Cho, Hyun-Sik Nam, Computation of unsteady viscous flow and aeroacoustic noise of cross-flow fans. Computers-Fluids, 2003, Vol.32 (3):995-1015.

[5] Hayashi T, Kobayashi Y. Low-noise design of cross-flow fan based on frequency modulation. JSME, 1996, Vol.63 (1):3446-3451.

[6] Koo H M. Experimental study of the noise and the performance of cross-flow fans in room air-condition systems. Noise Control Engineering Journal, 2000, Vol.48 (2):41-47.