倾斜蜗舌对多翼离心风机流场及噪声的影响

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

中图分类号：TH442 文献标识码：A DOI编码：10.3969.issn.1006-1335.2013.03.019Numerical Simulation of the Influence of Inclined Volute Tongue onFlow Field and Noise of Multi-blade Centrifugal FansFU Shuang-cheng，LIU Xue-dong，ZOU Xin，LIU Wel-1T1i17g(Department of Mechanical Engineering，Changzhou University，Changzhou 2 1 30 1 6，Jiangsu China)Abstract：The flow field and noise of the straight volute tongue and the inclined volute tongu e in multi-bladecentrifugal fans were simulated respectively using the software Fluent.The simulation result shows that the influence of theinclined volute tongue on the velocity field of the multi-blade fan was mainly concentrated in the volute tongue region.Theinclined volute tongue can reduce the velocity in the volute tongue region，alter the fluid velocity vector on the volute tonguesurface，and decrease the local cyclone in the volute tongue region.In the case of the same speed，although the flow rate ofthe multi-blade centrifugal fan with inclined volute tongue was reduced by 5.76% in comparison with that with straightvolute tongue，the power of the impeller was reduced by 9.13% ，and the noise was also reduced by 12.2 dB.So，it issignificant fur reducing energy consumption and noise。

Key words：acoustics；multi-blade centrifugal fan；volute tongue；inclined volute tongue；numerical simulation多翼离心风机因压力系数高，噪声低而被广泛应用在分体落地式空调器、窗式空调器、除湿机和风机盘管等各种低压通风换气的诚。随着人们生活质量的提高和国家对家用电器噪声标准的强制实施，对多翼离心风机的低噪声也提出了更加苛刻的要求 il。气动噪声是多翼离心风机的主要噪声源，要想多翼离心风机的优化结构设计来降低噪声，首先需要了解多翼离心风机的内部流车低风机气动噪声的方法有很多，倾斜蜗舌是-种有效降低风机噪声的结构形式 [2-51。虽然对于常规蜗舌的多翼收稿日期：2012-07.27；修改日期：2012.10-10作者信息：付双成，(1976.)，男，黑龙江绥化人，博士，讲师，目前从事多相流分离、CFD数值模拟、噪声控制研究。

E-mail：fushch711###163.corn离心风机流场模拟的研究报道较多 ，但是对于倾斜蜗舌的多翼离心风机流场模拟的研究报道却很少。多翼离心风机蜗壳内部流动现象非常复杂。由于流动的非对称性，蜗壳内部的流场属于全粘性的三维流场，凭借现有的实验手段很难准确地测试叶轮和蜗舌间隙内部的某些流动状况。本文应用商业CFD软件对多翼离心风机分别采用倾斜蜗舌和常规直蜗舌多翼离心风机的三维内流惩噪声进行了数值模拟和对比分析，揭示了倾斜蜗舌对流场的影响规律，为降低风机噪声的结构优化提供理论依据。

1 数值模拟基本原理由于风机风道内空气流量不大，且气体的压缩性对流体的流动特性及压力分布影响不大，在此简化为不可压缩流体进行分析，气体流动可以由连续88 倾斜蜗舌对多翼离心风机流嘲噪声的影响 2013年6月方程、动量守恒方程、能量守恒方程来描述。

气动噪声的生成和传播可以通过求解可压N-S方程的方式进行数值模拟。FLUENT中用FfowcsWiliams和Hawngs提出的F 方程模拟声音的产生与传播，这个方程中采用了Lighthil的声学近似模型，即将声音的产生与传播过程分别进行计算，从而达到加快计算速度的目的。FW-H方程如下壶 -72p， ( -击 My (Un-Vn)6(厂)j ( )击[p0VnP(Rn-Vn)6(川式中P --远场声压，Pa；- - 远场声速，m/s；.--在X，方向的流体速度分量，m/s；M - - 在曲面法线方向的流体速度分量，m/s；- - 在X 方向的表面速度分量，m/s；- - 在曲面法线方向的表面速度分量，m/s；P--介质密度， /m ；日f厂)--Heaviside函数(厂)--Dirac函数- - Lighthil应力张量P.--压应力张量评价噪声的指标有声压级和A声级。利用式(1)得到的远场声压 P就可以计算出该点处的声压级 Lp 20lg F (2)式中p厂 基准声压，P02 x 10-。Pa；A声级可以由八个倍频带声压级计算得出，其计算公式为LA101g∑8 1 ～I (3)式中 --倍频带中心频率的计权衰减值。

2 数值模拟条件2.1几何模型及网格划分多翼离心风机的结构如图 1所示。利用GAMBIT建立多翼离心风机的几何模型，采用分块网格技术进行划分网格，图1中蜗舌区域I放大的网格如图2所示。其中如图2(a)为风机I：常规直蜗舌多翼离心风机，蜗舌半径为 14 mtn，采用六面体网格；图2(b)为风机I：倾斜蜗舌多翼离心风机，入口侧蜗舌半径为28 toni，出口侧蜗舌半径为14 mm，采用四面体网格。为了计算噪声，在两个风机模型中分别增加了长为500 mm的直的入口管道，并划分网格，在入 口管道和风机入口连接处设置interface面进行连接。

l231-蜗壳，2～叶轮，3-轮毂，4-蜗舌图 1多翼离心风机的几何模型Fig.1 The geometric model ofmulti-blade cen gal fan(a) (b)图2蜗舌区域网格Fig.2 The mesh ofvolute tongue2.2 计算模型及边界条件计算方法采用SEGREGATED隐式方法，采用RNG K模型，湍流动能、湍流耗散项、动量方程都采用 2阶迎 风 格 式 离 散；压 力- 速 度 耦 合 采 用SIMPLEC算法。

边界条件设置如下：风机进口为压力进口边界条件，总压为0；出口为压力出口边界条件，总压为0。壁面附近采用标准壁面函数，采用滑移网格计算，蜗壳区流体为静止网格，叶轮中心区流体、叶轮叶片区流体为多参考坐标系，叶轮转速为120 ra(1/s。

在稳态模拟收敛的基础上，改为非稳态的LES模型进行计算，收敛后加入Acoustics模型计算两个风机的噪声，取叶轮轴线上入口前300 mnl处监测点上的噪声进行比较。

3 计算结果及分析3.1速度分布模拟结果表明，空气进入风机后，在前向式叶片旋转作用下作圆周运动，同时又受离心力作用向叶片外轮廓流动，并在旋转过程中不断加速，随着风机流道内空间增大，流体流速逐渐减慢，这个过程中气体动能逐渐降低，静压能逐渐升高，最后流体流出风第33卷 第3期 噪 声 与 振 动 控 制 89机。整个流动过程形成了叶轮中心的低速区和叶轮端部的高速区。蜗舌区域的速度矢量如图3所示。

从图3可以看出，fb)图(风机II)倾斜蜗舌区域存在着旋流。从图4两种蜗舌表面的速度矢量图可以进- 步看出，两种蜗舌表面都存在着-定的旋流，常规直蜗舌表面流体大部分沿着蜗舌轴向方面运动，势必会造成垂直于流向方向的旋涡，而倾斜蜗舌表面的流体的流向大部分垂直于蜗舌的轴向，流动更好。

。. ∥≤ 'l ≮f--扭矩，N·m表 1列出了叶轮转速为120 rad/s、进出口均为大气压的操作条件下，风机I和风机I在功率、流量的模拟数据。由模拟数据可见，在相同转速下，多翼离心 式风机 采用倾 斜蜗舌 结构虽然 流量 降低 了5.67%，但是叶轮的功率降低了9.13%，大幅降低了能耗。

表 1风机I和风机II的数值模拟数据对比Tab.1 Comparison of simulated data between fan 1 and fan 23.4 风机噪声比较模拟结果表明，常规蜗舌的风机I的A声级噪声为111.1 dB，采用蜗舌结构的风机I的A声级噪声为98.9 dB，A声级噪声降低了 12.2 dB，降低噪声效果比较显著。

由式(3)可知，声压级LP决定了A声级噪声，模拟两种结构的声压级分布如下图5所示。从图5中可以明显地看出，倾斜蜗舌有效地降低了15 00050 000 Hz之间的声压级，从而降低了A声级噪声。

0 l 2 3 4 5 6XI o4频率/Hz图 5声压级-频谱关系图Fig.5 SPL-frequency spectrum diagram4 结 语(1)倾斜蜗舌对多翼离心风机速度场的影响主要集中在蜗舌区域，对其它区域影响较校倾斜蜗舌减小了蜗舌区域的速度，同时改变了蜗舌表面的流体速度矢量，减小了蜗舌轴向方向的旋流，更有利于减小噪声；(下转第118页)