流场分析：基于STAR CCM+轴流风叶仿真分析

双螺杆泵 2023年7月11日浏览：1743 评论：1 收藏：3

前言

随着生活水平的不断提高，人们对生活品质要求越来越高，逐渐由刚性需求逐渐拓展到舒适性、健康性等感性指标上来。空调作为量大面广的家用电器之一，除给消费者带来制冷、制热性作用以外，空调风机系统噪音直接关系到消费的舒适性，因此，低噪风叶正成为轴流风叶设计的一个趋势。从学科上来看，这类风叶与工业用风叶相比，一方面在结构配置、设计方法和流动特性上有着很大不同；另一方面在性能上，虽然风压低但风量范围变化大且气动及声学的综合性能要求高，故这类低压风机的设计并非易事。特别是在轴流风扇形状对噪音抑制方面需要进行更深入研究。目前，轴流风叶的设计主要基于实验和CFD 技术，随着CFD 技术的成熟和普及，CFD 技术成为空调风叶结构设计的主要手段。本文利用CFD 技术对不同风叶表面形状和不同叶片外缘翘曲度的空调轴流风叶方案进行仿真分析，然后选择最优方案制作模卡，进行实验测试，从而验证CFD仿真结果。

计算模型

本文以某空调室外机轴流风扇为研究对象，对轴流风扇结构进行优化分析，提高风扇风量同时降低风扇气动噪音。风扇气动噪音是空调外机噪音的一个主要来源，目前为了降低风叶气动噪音，风叶外形在逐步进行仿生设计，例如风叶边缘做成锯齿状，风叶端面打孔，叶片增加“蜻蜓痣”等方法，通过大量实验证明仿生设计可以降低风叶的气动噪音。本文对风叶外形进行优化设计，研讨风叶外形与噪音的关系。

为节省计算时间，CFD 模拟仅对风扇模型进行分析，研讨风扇性能。优化前风叶几何参数如表1所示。模型如图1-3 所示，风叶前后端的圆管长度大于10 倍风扇外径，这主要是为了风叶进出口端湍流能够达到充分发展阶段，模型两端进出口为压力边界条件。

表1 风叶几何参数

流场分析：基于STAR CCM+轴流风叶仿真分析的图1

流场分析：基于STAR CCM+轴流风叶仿真分析的图2

流场分析：基于STAR CCM+轴流风叶仿真分析的图3

图1 风叶俯视图

图2 风叶侧视图

流场分析：基于STAR CCM+轴流风叶仿真分析的图4

图3 计算区域示意图

网格划分

CFD 模型利用STAR CCM+ 软件进行网格划分，网格划分为多面体网格，在风扇表面划分边界层，网格数量为1255300，网格质量在0.66 以上，在风叶处对网格进行加密处理，CFD 模型两端为压力进出口边界条件，采用非稳态计算，风扇转速为850RPM。

流场分析：基于STAR CCM+轴流风叶仿真分析的图5

图4 网格模型

仿真模型方案

利用STAR CCM+ 软件对仿真模型进行分析，分析模型共有四种方案，如图5所示。方案一为原始方案，其余三个方案均为优化改善方案，方案一风叶叶片表面光滑，方案二、三、四在风叶叶片表面进行处理，叶片表面为波浪型，四种方案在叶片表面、叶片外缘翘曲度均有所不同。分别对比分析模型的质量流量与风叶表面的最大湍动能，风量大小关系与风扇的性能曲线，得出叶片表面的最大湍动能与风扇的表面形状、叶片边缘翘曲度存在一定的联系。

流场分析：基于STAR CCM+轴流风叶仿真分析的图6

流场分析：基于STAR CCM+轴流风叶仿真分析的图7

图5 四种方案示意图

风量分析

监测CFD模型出口流量，对原始方案和改善方案的仿真结果进行对比，可以得出改善方案均比原始方案风量高，其中方案四最大，同比方案一提高7.3%。

流场分析：基于STAR CCM+轴流风叶仿真分析的图8

图6 仿真风量对比图

流场分析

湍动能的大小反应了压力的脉动程度，湍动能越大说明压力脉动越大。同时叶片表面的压力脉动会引起空气的脉动，从而产生了噪音，因此噪音在频谱上的峰值一般与叶片表面的最大湍动能存在一定的关系，降低最大湍动能的值可以降低噪音的峰值，从而降低Tonal音（即离散噪音）。

图7为方案三风叶表面压力云 图和湍动能云图，从图中可以得风叶压力最高点和湍动能最大点均出现在风叶前缘，这是因为在风叶旋转过程中风叶前缘在切割流体时会引起风叶压力面与吸力面的周期性振动，增大风扇的气动噪音。因此在设计风叶时，风叶前缘会做适当加厚处理，从而减少风叶的振动最终达到减少气动噪音的目的。与文献中在风叶表面增加“蜻蜓痣”是同样的原理。

流场分析：基于STAR CCM+轴流风叶仿真分析的图9

图7 方案三风叶表面截面湍动能云图

图8为模型截面的湍动能云图， 从图中看出叶片外缘也存在湍动能较大的区域，这主要由风扇外缘处发生脱离的空气，产生 较大 的漩涡导致。本文正是针对此类涡流设计了不同风扇外缘翘曲度进行研讨 。各分析方案的湍动能结果可以得出，方案四的湍动能最大，方案三的湍动能最小，综合考虑风量与湍动能大小，最终优选方案三为最佳方案。方案三风量比方案四低1.2%，但最大湍动能比方案四降低27%，因此选择方案三制作模卡，实验验证。

流场分析：基于STAR CCM+轴流风叶仿真分析的图10

图8 截面湍动能云图及湍动能对比图

实验验证

利用风洞设备测试方案一与方案三风叶的风量，测试结果表明方案三在整机中风量比方案一大11%。

室外机放置在消音室里，进行噪音测试，根据测试结果得出， 方案三的tonal音比方案一降低1.5dB，从数值看方案三的噪音特性要优于方案一 ，图9 中红色曲线为方案三的频谱噪音曲线，绿色为方案一的曲线，从图中可以看出改善后风叶的噪音特性有了明显的改善。将机器放置在室外，从体感上，方案三的噪音要低于方案一，因此方案三有明显的改善效果。

流场分析：基于STAR CCM+轴流风叶仿真分析的图11