外周葉片角對空調用貫流風機性能及噪聲的影響

摘要 ： 利用 CFD 軟件 FLUENT6.2 和 自行 研發的“空調用貫流風機參數化建模軟件”，分別對外周葉片角為 19° 、 22° 、 24° 、 26° 、 29° 共 5 種情況 下的貫流風機進行實體建模和網格劃分，並對內流場和氣動 噪聲 進行數值模擬，研究了外周葉片角變化對貫流風機流量和噪聲的影響，優化了設計參數，提高了風機性能。

關鍵詞： 貫流風機； 外周葉片角； CFD

中圖分類號： TH43 　　　文獻標識碼： B

文章編號： 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

　　貫流風機結構簡單、體積小、噪聲低，產生的氣流高速、平穩，是分體式家用空調器中的重要部件。貫流風機由多葉葉輪和蝸殼構成，外周葉片角是一個用來表征葉輪的結構參數，同時也是貫流風機優化設計中需要考慮的重要參數，其變化對風機綜合性能具有直接影響 ^[1] 。目前，業內主要通過試驗的方法對其影響進行評估，而這必將使得產品的研發費用增加，週期延長，很不經濟 ^[2] 。 本文利用 商用 CFD 軟件 FLUENT6.2 和 自行 研發的“空調用貫流風機參數化建模軟件” ^[3] ，對不同外周葉片角情況下的貫流風機進行實體建模和網格劃分，並對內流場和氣動聲場進行數值模擬，研究外周葉片角變化對貫流風機流量和噪聲的影響，優化設計參數，提高風機性能。

1 　研究對象

　　貫流風機葉輪結構如圖 1 所示。具體參數：葉輪外徑為 97mm ，直徑比為 0.811 ，外周葉片角為 26 ° ，內周葉片角為 90 ° ， 葉片數 為 35 ，每個葉片不但沿徑向變角分布，而且還沿軸向扭曲分布，在軸向上每毫米葉片沿圓周方向的扭曲角度為 0.08 ° /mm ，葉輪轉速為 1000r/min 。

2　 計算方法

2.1　 流場計算

　　採用大渦模擬輸運方程 (LES) 計算貫流風機的非穩態流場，獲得可用於後續氣動聲學計算中需要的壓力脈動。考慮到流道形狀的複雜性，全部選用非結構化四面體網格。葉輪區域設為旋轉區域，動靜區域間採用滑移網格。壓力 - 速度耦合採用 PISO 算法，壓力項離散格式採用 PRESTO! ，其餘項均採用二階迎風格式。非穩態計算的時間步長設為 0.0002s ，葉輪旋轉 8~10 圈后，流動達到准穩態。邊界條件採用進口壓力和出口壓力，計算模型如圖 2 所示。

2.2 　氣動噪聲計算

　　通過大渦模擬輸運方程 (LES) 計算獲得非穩態流場后，採用基於 Lighthill 聲學類比理論的 FW-H 方程來模擬氣動噪聲的產生和傳播，並通過快速 Fourier 變換 (FFT) 計算獲得各種聲壓頻譜 ^[4-5] 。

　　葉片通過的頻率為 f=nZ/60 I，其中， n 為葉輪的轉速， z 為葉片數， I 為諧波序號（ I =1 時為基頻）。根據貫流風機的結構特征，可以計算得到：葉片通過的基頻為 583Hz ，波長為 0.5832m 。由於波長遠大於風機的特征尺寸，因此在聲學模型中可以忽略風機外殼和葉片之間對聲音的反射、衍射、散射作用。同時由於貫流風機的氣流馬赫數（ M a =0.0146 ）很小，因此 FW-H 方程中的四極子聲源也可以忽略不計 ^[6] 。

　　圖 3 為渦度分布圖，由圖可看出：在葉輪進、出口以及 蝸舌處存在較大渦度。這表明旋轉葉輪與靜止殼體之間相互干涉及對氣流週期性加速而產生的壓力脈動是小 馬赫數貫流風機 噪聲的重要來源， 因此選取葉輪和蝸舌作為聲源曲面來計算 貫流風機的氣動噪聲。

3 　結果分析

　　在貫流風機中，氣體二次通過葉輪的葉柵。氣流沿着與轉子軸線垂直的方向從葉輪一側徑向通過葉柵進入葉輪 , 然後穿過葉輪內部 , 第二次通過葉輪的另一側排出。當氣流第一次流經葉柵時，外周葉片角是進氣角，當氣流第二次流經葉柵時，外周葉片角是出氣角。由此可見，外周葉片角變化所引起的流場變化十分複雜。

　　筆者利用商用 CFD 軟件 FLUENT6.2 和自行研發的“空調用貫流風機參數化建模軟件”，對外周葉片角分別為 19° 、 22° 、 24° 、 26° 、 29° 共 5 種情況下的貫流風機進行實體建模和網格劃分，並對內流場和氣動聲場進行數值模擬，研究外周葉片角變化對風機流量和噪聲的影響。

表 1 不同外周葉片角下的風機流量

　　表 1 和圖 4 給出了不同外周葉片角下的風機流量。從圖中看出，葉輪的外周葉片角越小，葉片彎曲越大，葉片對流體的做功能力越大，從而使流量增加，但過小的外周葉片角使葉片阻礙了流道中流體的流動能力，從而造成流量減少。隨着葉輪的外周葉片角的減小，流量增加，但當葉片角為 19° 時流量急劇下降，與理論相吻合。故在一定範圍內，減小外周葉片角能改善氣流的流動狀況，促使風機性能有所提高。

　　從圖 5 中看出， 5 種不同外周葉片角的噪聲頻譜在基頻處相差不大，都是由幾個無序而較小的波峰組成。但外周葉片角為 19° 和 22° 時，二次諧波處均存在一個明顯的波峰，且峰值較高。外周葉片角為 24° 時，二次諧波處沒有明顯波峰。外周葉片角為 26° 和 29° 時，二次諧波處均存在一個較小波峰，但峰值並不高。

　　圖 6 為不同外周葉片角的貫流風機 A 聲級頻譜圖。從圖中看出，在基頻處，外周葉片角為 22° 時的 A 聲級最低，外周葉片角為 29° 時次之，其它 3 種情況幾乎相同。在二次諧波處，外周葉片角為 26° 時的 A 聲級最低，外周葉片角為 24° 時次之，較 26° 時高 2dB （ A ）左右，其它 3 種情況均較高。另外，二次諧波處的 A 聲級總體水平比基頻處高。

　　綜合考慮流量和噪聲，外周葉片角為 26° 時的風機性能相對最優。

4 　結論

　　通過利用商用 CFD 軟件 FLUENT6.2 和自行研發的“空調用貫流風機參數化建模軟件”，對不同外周葉片角下的貫流風機進行實體建模和網格劃分，並對內流場和氣動聲場進行數值模擬，可以獲得外周葉片角變化對風機流量和噪聲的影響，有利於優化設計參數，提高風機性能。

參 考 文 獻

[1] 游斌，區穎達 . 影響橫流風機性能的各幾何因素 [J]. 風機技術， 1997(6): 22-25.

[2] 區穎達，吳克啟 . 橫流風機特征參數的實驗研究及統計分析 [J]. 流體機械， 2000, 18(12): 5-6.

[3] 張師帥，羅亮 . 空調用貫流風機葉輪幾何建模的參數化 [J]. 風機技術， 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.