[科普中国]-轴流风扇

简介

只在叶轮尾缘附近带有导流罩的轴流风扇广泛用于分体式房间空调器的室外机中.在这些系统中，除了要求结构紧凑，风量大之外，噪声低更是一个关键的指标。然而，与动力用低压风机相比，这种低压风扇在结构配置、设计方法和内流现象上都有着许多的不同特点，在风扇低噪声设计及其内流机制的把握上也并非易事。国内外对这类风扇的降噪研究多采用实验手段或在叶片成型以后采用一些特定的方法来进行，而针对空调风扇动叶作弯掠设计实现其性能改善的研究则较少见报道。

在轴流叶轮常规准三维设计方法的基础上，采用前缘弯掠技术，应用CFD /CAD方法对空调器轴流风扇进行祸合设计，以改善风扇在设计点的内流状况，为降低其噪声提供依据。采用三维纳维-斯托克斯方程和Spalart-Allmaras湍流模型对整个室外机进行内流计算和分析，对风扇的性能进行预估，以减少相应的实验工作量1。

轴流风扇分类风扇有轴流和径流式两种，是以风扇工作时空气的流动方向而进行划分的。轴流式风扇工作时，叶片推动空气以与轴相同的方向流动，所以称为轴流风扇；而径流式风扇工作时，叶片推动空气以与轴相垂直的方向（即径向）流动，因此称为径流风扇。

轴流风扇分为大型轴流风扇、中型轴流风扇、小型轴流风扇，根据需求的使用地方选择适合的轴流风扇。

一般而言，大型轴流风扇主要适用于粉尘、碎石场等之类的场所的排风；中型轴流风扇主要适用用室内的通风及排热，例如：粮仓等；小型轴流风扇主要适用与机械设备的通风散热，例如：电气柜等。

由于传统涡轮风扇风压并非在风扇中央部分产生，而是靠风扇扇叶转动而出现。因此无论其转速有多高，轴心下方不会有风吹下。但在风扇轴心下的正是发热核心所在，是发热的主要源头。这样情况造成了传统轴流风扇的天生缺陷：受到电机的阻隔，气流无法顺利到达中央部位，造成“盲区”。 盲区的存在导致散热器核心部分温度偏高，影响整体的散热效果。为解决这一问题，离心式径流风扇被制造出来2。

轴流新风扇的设计原理针对空调器风扇性能上风压低使用上既要求风量大又要噪声低的矛盾，本研究选择某空调用性能优良的轴流风扇样机作为弯掠设计的比较研究模型.样机基本结构：叶轮外径409mm，轮毅直径120 mm，轮毅比0. 29，叶片数4，流量2220 m3/h，静压20 Pa，转速880 r /min。新风扇的设计以保证流量为前提，着重改善风扇的内流分布以降低噪声。

新风扇的设计是在以往流体动力研究及其现有准三维设计方法的基础上，采用前缘弯掠技术，应用CFD /CAD祸合方式进行的.对典型样机风轮的结构特征进行CAD估算，使用商用软件FLUENT进行全三维CFD计算考察其外特性和内流特性，并与实验结果进行比较和分析；采用常规方法作初步的准三维叶轮设计，进行CFD计算考察其外特性和内流特性；比较分析样机风扇与新风扇的CAD/CFD的结果，调整初次设计的相关参数，以实现一个比较好的气动布局方案；运用CFD对调整之后的风扇性能进行预测，并根据计算结果进一步调整相关参数，对风扇作进一步的优化。

此外，设计中需要考虑的还有叶片弦长、叶片安装角、叶型弯度角、翼型中弧线等参数。对这些参数进行优选取值及相互之间的合理匹配，以改善风扇气动-声学性能。

综合考虑上述因素，设计的新风扇基本结构：风扇外径408 mm，轮毅直径100 mm，轮毅比0. 245，叶片数4，叶顶/叶根弦长276/80 mm，前弯角度44°，前掠角度20°。

同一个室外机中，分别对样机风扇和新风扇进行了数值模拟.计算时对实机进行了适当的结构简化，不考虑换热器、出口格栅、电机及其支架的影响，但考虑侧进风。

采用有限体积法离散控制方程，对整个室外机的三维定常流场进行分离式隐式求解。计算选用Spalart-A llm arcs湍流模型，对流项采用二阶迎风差分格式，压力月枣度祸合采用标准SIM PLE算法求解。

由于风扇系统的复杂性，整个计算域均采用非结构化网格，网格总数110 x 104。叶轮所在的区域定义为旋转区域，享有较多的网格数目。进出口均采用压力边界条件，进口为大气条件，出口给定不同的背压。当各计算残差值小于1 x 10-3时，认为计算收敛1。

总结a.新轴流风扇的气动性能基本保持不变，在相同流量下，新轴流风扇的实测噪声低于样机风轮0.5-1.3dB( A级声压级)；

b.新轴流风扇降低了吸力面与轮毅附近涡流区的横向迁移能力，增强了其径向迁移能力，减小了叶道中二次涡的影响区域，增大了主流区域，使主流减速，噪声降低；

c.新轴流风扇基本消除了样机风扇在翼展中部存在的前缘分离现象3。