新研发的三维叶片全压风扇,可广泛应用于空调通风和降噪!

   电工小二        

研究人员成功地设计了一个优化的三维、光滑、弯曲叶片静压风扇。优化后的模型表明,通道内静压得到了均匀稳定的提高,前缘的流动分离得到了明显的降低。仿真结果表明,三维叶片稳定了流体的流动,并通过尽可能抑制流动分离来降低流动摩擦,使得静压和静效率相比原始模型都有了明显的提高。与原模型相比,静态效率提高了6.3%。


相关论文以题为“Optimal Design of a Plenum Fan with Three-Dimensional Blades”发表在《Applied Sciences》上。




离心式风扇通常用于工业用途或空调,因为他们是更有效率和安静比其他风扇在相同的转速每分钟(rpm)。具体来说,静音小,与现有的离心式风机相比,由于它没有外壳,可以产生良好的气流,被广泛用于空调和通风。


在工业使用或空调中,风扇的气力输送消耗了大部分能源。因此,要降低能耗,促进高效利用,提高风机效率是最重要的因素。叶片作为离心风机的叶轮,是决定风机性能最关键的部件。叶片几何形状是叶片表面流动分离和流型稳定的重要设计考虑因素。由于叶片对风扇的内部流动和效率等整体性能起着决定性的作用,因此针对叶片功能的改善进行了各种研究。


在本研究中,研究人员对静压通风机的翼型叶片进行了优化,并与原模型进行了性能比较。研究人员优化设计的叶片有四层,采用迭代法计算每一层的优化设计值。


几何模型与网格


本研究使用的是原送风机型号PRL-560L0(LG电子,韩国)。几何形状如图1所示,规范如表1所示。图2显示了计算领域。计算域半径为静压扇直径的3倍,高度设置为静压扇宽度的30倍。在图中,Block 1是流体通过bell mouse进入的区域,Block 2是风扇部分和旋转流区域,Block 3是有旋转流的区域。在本工作中,流场被视为一个壁。边界条件为入口条件为压力入口条件,出口条件为质量流量条件,空气密度为25℃。该区域的大小被认为足够大,以避免对流动的干扰。



图1.原型号PRL-560L0的几何形状。




图2.计算域。


表1.静压风机的额定变量。



图3为原始模型网格系统的轴向截面。由于叶轮和护罩弯曲且几何形状复杂,不能采用高质量的结构光栅,因此采用非结构光栅。分析时,为叶轮和钟形口设计了940万个格栅,采用了740万个四面体格栅和200万个楔形格栅。



图3.网格系统。


实验结果及与数值模拟的比较


为检验原模型数值计算结果的有效性,将其与设计条件下的实验结果进行了比较。实验设备为层流多喷嘴室,满足ANSI/AMCA标准210和ANSI/ASHRAE标准。图4a为燃烧室示意图,图4b为静压室风机试验场景。



图4.(a)多喷嘴室示意图;(b)测试场景。


从图5可以看出,CFD计算结果和实验结果与额定风量和静压条件吻合较好。



图5.数值和实验结果的比较(1100 rpm)。


叶片型线优化


在本研究中,为了设计压气机的最优翼型,将叶片分为四层,并对每一层进行了最优翼型设计。图6显示了一个三维弯曲形状和一个具有四层的刀片图像。



图6.静压风机叶片的层定义。


本文采用迭代法对三维叶片静压通风机进行优化设计。迭代法的计算流程图如图7所示。初始因子选择采用Taguchi法,作为正交数组表设计实验的有力统计工具。在参数空间的研究中,采用了依赖于因子数和层次数的正交数组。使用较少的实验运行次数,可以评估大量的输入变量以确定它们对输出响应变量的贡献。本研究采用田口法建立实验方案,选取各层的初始因子值。实验方案采用L12(211)正交阵列在1层和4层,L16(212)正交阵列在2层和3层。



图7.叶片优化迭代法流程图。


采用田口法选取初值后,采用响应面法(RSM),通过主效应分析对选取的主因子变量进行优化。在使用RSM时,有效地选择了待优化的因变量。


同时考虑层1、层4、层2、层3的参数,得到各层的初始值。选择第1层为叶片与叶冠相交的平面,由6个设计变量:选择第4层作为叶片与后板相交的平面。它由5个设计变量组成,分别为:α, γ, β1个,D 1,D 2和高度。为选择主要设计变量,对11个因素采用L12正交阵列,并通过计算模拟进行筛选分析。第1层和第4层主效应分析结果如图8a所示,第1层和D1、D2、4层的平均效应显著。



图8.翼型参数主效应图:(a)层1、层4;(b)层2和层3。


结论


在本研究中,研究人员对带有四层三维叶片的静压风机的性能进行了优化。原始模型和优化模型的数值计算均基于三维不可压缩RANS方程。湍流模型采用了用于流动分离分析的海温模型。原始模型的数值计算结果与实验结果吻合较好。总结结论如下:


优化后的三维叶片表面光滑、弯曲,通过尽可能抑制流动分离,稳定了流动,减少了流动摩擦。结果表明,优化后的模型与原模型相比,静压力和静效率均有提高。优化后的静态效率峰值时比原模型提高了6.3%以上。


在原模型中,叶片出口处损失较大。此外,在原始模型中,湍流度的增加是由于前缘的流动分离造成的。而在优化后的模型中,通道静压均匀稳定上升。明显减少了前缘的流动分离,使得流动稳定。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3460/htm



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