基于Flow Simulation的空氣凈化器風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)研究

藺勇智 楊威 劉東海

無(wú)限極（中國(guó)）有限公司 廣東廣州 510663

1 引言

目前空氣凈化器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，同時(shí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于空凈產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)的要求也愈加嚴(yán)格，風(fēng)機(jī)作為空氣凈化器的核心結(jié)構(gòu)，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)風(fēng)機(jī)能夠讓空凈企業(yè)靈活地根據(jù)產(chǎn)品定義需求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，優(yōu)秀的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)能力可以讓空凈企業(yè)打造性價(jià)比更具優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品[1][2]。因此風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力是空凈企業(yè)實(shí)力體現(xiàn)的重要指標(biāo)之一，是保證企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素。本文基于Flow Simulation流體仿真模塊，利用流體仿真分析及手板實(shí)測(cè)的組合方式探索并驗(yàn)證一套適合空氣凈化器風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)研究的方法。

2 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)理論計(jì)算

本文以一款雙進(jìn)風(fēng)前傾風(fēng)機(jī)的空凈開(kāi)發(fā)項(xiàng)目為案例進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。根據(jù)項(xiàng)目定義需求，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行理論計(jì)算設(shè)計(jì)。

2.1 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入

為滿足性能指標(biāo)，產(chǎn)品定義需求是一款雙進(jìn)風(fēng)的前傾離心風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，因此首先要評(píng)估雙進(jìn)風(fēng)前傾離心風(fēng)機(jī)的選型方向是否合理。通過(guò)計(jì)算風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速，可以評(píng)估預(yù)期選型的風(fēng)機(jī)形式是否合理。比轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下[3]：

其中：Q為風(fēng)機(jī)能輸出的額定流量，n為風(fēng)機(jī)葉輪的額定轉(zhuǎn)速，ρ為空氣密度，P為風(fēng)機(jī)額定全壓。

對(duì)產(chǎn)品定義需求技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，抓取出公式所需要的參數(shù)。根據(jù)產(chǎn)品CADR的技術(shù)指標(biāo)需求可以初步定義風(fēng)機(jī)理論額定流量。本文所研究的案例，初步定義風(fēng)機(jī)額定流量為Q=1000 m3/h，雙進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)可看成兩個(gè)風(fēng)機(jī)并聯(lián)，因此可按額定風(fēng)量的一半進(jìn)行計(jì)算[6]，則Q≈0.14 m3/s，20℃常規(guī)介質(zhì)空氣密度ρ≈1.2 kg/m3[4][5]。

根據(jù)產(chǎn)品CCM的技術(shù)指標(biāo)需求可以推斷出濾紙用量和活性炭等填充物用量，本文所研究的案例，初步定義單組濾網(wǎng)厚度為65 mm，表面積約為0.16 m2，單組濾網(wǎng)尺寸為360 mm×460 mm×65 mm。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行濾網(wǎng)樣品制作及測(cè)試，得到濾網(wǎng)樣品的“壓降-流速”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 濾網(wǎng)樣品壓降-流速實(shí)測(cè)曲線

因產(chǎn)品預(yù)定義為雙進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)，所以單組濾網(wǎng)的額定過(guò)風(fēng)量為500 m3/h。通過(guò)計(jì)算可知過(guò)濾網(wǎng)的額定流速約為0.9 m/s，因此通過(guò)圖1可以得出單組濾網(wǎng)的阻力約為60 Pa。考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)阻力、動(dòng)壓損失、理論計(jì)算效率等因素，初步定義風(fēng)機(jī)全壓為P=120 Pa。

根據(jù)風(fēng)機(jī)所需功率公式：

其中：q為總流量，P為風(fēng)機(jī)全壓，η為全壓效率，ηm為機(jī)械效率，K為電動(dòng)機(jī)容量安全系數(shù)。結(jié)合行業(yè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可知所需電機(jī)軸功率約為70 W。初步電機(jī)選型為軸功率85 W，額定轉(zhuǎn)速1270 rpm的電機(jī)。考慮電機(jī)壽命，不建議長(zhǎng)期滿載狀態(tài)下運(yùn)行，因此建議優(yōu)選設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n=1000 rpm。

因此通過(guò)比轉(zhuǎn)速公式計(jì)算可知：ns≈10.3，根據(jù)選型原則，可選前傾式離心風(fēng)機(jī)、后傾式離心風(fēng)機(jī)[6]。

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)合成本因素考慮，雙進(jìn)風(fēng)前傾離心風(fēng)機(jī)的選型方向是合理的，并初步獲得風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 初步風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 風(fēng)機(jī)葉輪理論設(shè)計(jì)

如圖2所示，風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)需要計(jì)算葉輪外徑D2、葉輪內(nèi)徑D1、葉片高度b、葉片進(jìn)風(fēng)角β1、葉輪出風(fēng)角β2、葉片間距t的取值。

根據(jù)葉輪周速計(jì)算公式：

圖2 葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖

可計(jì)算得風(fēng)機(jī)葉輪外徑D2取值范圍為：0.246 m～0.268 m。因此初步優(yōu)選，D2取250 mm、260 mm兩個(gè)參數(shù)值進(jìn)行理論設(shè)計(jì)。

根據(jù)流體連續(xù)性方程：

其中：β1為葉片進(jìn)風(fēng)角，β2為葉片出風(fēng)角。若葉輪進(jìn)出口相對(duì)速度相等，則：

為方便理論計(jì)算取：β1+β2=90°，則：β1=51°，β2=39°。

由于前傾風(fēng)機(jī)葉道短，葉片彎曲大，如圖3所示。為了減少葉道分離損失，一般δ=180°-（β1+β2）≤90°[1]。

根據(jù)歐拉方程：

可簡(jiǎn)化為：pt=ρu2C2u，當(dāng)β1+β2=90°時(shí)，根據(jù)幾何關(guān)系可知，C2u=2u2，如圖4所示。根據(jù)能量守恒原理，β2角度略微減小風(fēng)機(jī)的靜壓增大，流量減小，β2略微增大流量增大，風(fēng)機(jī)的靜壓減小。因此需要根據(jù)性能需求對(duì)β1和β2角度進(jìn)行微調(diào)。

圖3 葉片設(shè)計(jì)參數(shù)示意

圖4 葉輪葉片速度三角示意圖

根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，葉片距離t=(0.7～1)Rk，Rk為葉片圓弧半徑。因項(xiàng)目定義為塑料葉輪，葉片需要一定的結(jié)構(gòu)厚度，為了兼顧改善葉道內(nèi)流動(dòng)分離，葉片距t=1×Rk為最佳，

根據(jù)葉片數(shù)z計(jì)算公式：

則，葉片數(shù)量初步定義為45片。

2.3 蝸殼設(shè)計(jì)

蝸殼張開(kāi)度A示意圖如圖5所示。根據(jù)阿基米德螺旋線方程，可推導(dǎo)蝸殼張開(kāi)度A的計(jì)算公式為：

其中：B為蝸殼深度，取值為葉片高度加上結(jié)構(gòu)間隙，初步定義B=165 mm。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取C2u=2u2。

則，當(dāng)D2=0.25 m時(shí)，蝸殼張開(kāi)度A定義為65 mm。

當(dāng)D2=0.26 m時(shí)，蝸殼張開(kāi)度A定義為62 mm。

確定葉輪外徑D2及蝸殼張開(kāi)度A后，可以在三維軟件中使用笛卡爾坐標(biāo)系方程，通過(guò)阿基米德螺旋線方程式獲得所需的蝸殼曲線。同時(shí)由于空凈產(chǎn)品對(duì)靜音要求較高，因此需要采用短蝸舌的設(shè)計(jì)方案。

3 三維建模及Flow Simulation仿真分析

根據(jù)理論計(jì)算，有2個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)方案，如表2所示。

圖5 蝸殼張開(kāi)度A示意圖

表2 風(fēng)機(jī)理論設(shè)計(jì)定義方案參數(shù)梳理

3.1 設(shè)計(jì)方案梳理及三維建模

通常來(lái)說(shuō)空凈產(chǎn)品阻力主要由濾芯阻力和結(jié)構(gòu)阻力兩部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)阻力主要由濾芯艙蓋和出風(fēng)口柵格造成的阻力構(gòu)成。結(jié)構(gòu)阻力會(huì)根據(jù)產(chǎn)品ID設(shè)計(jì)等情況參數(shù)值略有不同，因此在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)早期，可以根據(jù)競(jìng)品測(cè)試或者行業(yè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)預(yù)估結(jié)構(gòu)阻力的“壓降-流速”曲線。首先將結(jié)構(gòu)阻力的“壓降-流速”和濾芯的“壓降-流速”數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合，得到整機(jī)的預(yù)估壓降-流速曲線，如圖6所示。

圖6 整機(jī)預(yù)估壓降-流速曲線

然后將理論計(jì)算的2個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)方案進(jìn)行三維建模。在風(fēng)機(jī)兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口處建有濾芯倉(cāng)，倉(cāng)內(nèi)放置用來(lái)模擬濾芯的實(shí)體模型，在Flow Simulation中設(shè)置該實(shí)體模型為多孔介質(zhì)，并載入整機(jī)的壓降-流速曲線，用來(lái)模擬風(fēng)機(jī)負(fù)載工況，如圖7所示。需注意，濾芯和風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口需留有合適的過(guò)風(fēng)間隙。

圖7 通過(guò)多孔介質(zhì)模擬風(fēng)機(jī)負(fù)載工況

3.2 使用Flow Simulation對(duì)方案進(jìn)行對(duì)比評(píng)優(yōu)

以效益優(yōu)先為原則，需要在兩個(gè)方案中優(yōu)選一個(gè)進(jìn)行后續(xù)的深度開(kāi)發(fā)，因此通過(guò)對(duì)兩個(gè)方案模型使用Flow Simulation流體仿真模塊進(jìn)行分析評(píng)優(yōu)，相對(duì)于手板模型測(cè)試驗(yàn)證評(píng)優(yōu)方法不但成本低，而且效率更高。

將兩個(gè)方案模型在Solid works中標(biāo)出葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域，在Flow Simulation中使用相同的計(jì)算域參數(shù)、葉輪轉(zhuǎn)速參數(shù)、邊界條件參數(shù)、多孔介質(zhì)參數(shù)（整機(jī)負(fù)載模擬設(shè)置）、目標(biāo)參數(shù)、網(wǎng)格參數(shù)等，對(duì)兩個(gè)方案模型分別進(jìn)行流體仿真分析，如圖8所示。

圖8 Flow Simulation流體仿真模塊進(jìn)行分析計(jì)算

仿真計(jì)算完成后，可通過(guò)Flow Simulation計(jì)算結(jié)果中的表面參數(shù)選項(xiàng)分析，得知風(fēng)機(jī)在加載濾芯工況下產(chǎn)生的風(fēng)量。通過(guò)聲學(xué)能量圖，可以橫向?qū)Ρ葍蓚€(gè)方案產(chǎn)生的聲學(xué)能量數(shù)據(jù)。兩個(gè)方案經(jīng)過(guò)分析計(jì)算后，對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 兩個(gè)方案流體分析數(shù)據(jù)

分析數(shù)據(jù)可知，方案1即可滿足產(chǎn)品定義風(fēng)量，從產(chǎn)品尺寸控制角度來(lái)說(shuō)，選擇方案1進(jìn)行開(kāi)發(fā)，更有利于后期的ID設(shè)計(jì)及成本控制，因此選擇方案1進(jìn)行深度優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3 利用Flow simulation進(jìn)行方案優(yōu)化

將方案1，利用Flow Simulation流體仿真模塊分析風(fēng)機(jī)負(fù)載濾芯工況下的風(fēng)機(jī)流速和葉輪相對(duì)壓力，如圖9、圖10所示。

圖9 風(fēng)機(jī)流速圖

圖10 葉輪表面相對(duì)壓力仿真分析圖

根據(jù)模擬分析結(jié)果并結(jié)合風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)理論，判斷可嘗試調(diào)整葉片入風(fēng)角β1、葉片出風(fēng)角β2取值，來(lái)優(yōu)化風(fēng)機(jī)性能[7]。根據(jù)β1+β2≥90°原則，進(jìn)行葉片出風(fēng)角β2及葉片入風(fēng)角β1的取值優(yōu)化，建立優(yōu)化方案流體分析實(shí)驗(yàn)計(jì)劃表，如表4所示。

表4 方案1優(yōu)化方案流體分析實(shí)驗(yàn)計(jì)劃表

根據(jù)優(yōu)化方案實(shí)驗(yàn)計(jì)劃表，分別建立優(yōu)化方案的三維模型，并利用Flow Simulation進(jìn)行流體仿真分析。對(duì)比數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 優(yōu)化方案流體分析數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)分析各優(yōu)化方案風(fēng)量除以聲學(xué)能量得到的比值，判斷優(yōu)化方案B更優(yōu)。優(yōu)化方案B可以適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，在滿足產(chǎn)品定義風(fēng)量的情況下有效降低噪聲值。觀察優(yōu)化方案B的葉輪相對(duì)壓力仿真分析圖，葉輪自蝸殼張開(kāi)度A至進(jìn)入蝸舌處葉片壓力明顯減少，如圖11所示。

圖11 優(yōu)化方案B葉輪表面相對(duì)壓力仿真分析圖

4 結(jié)論

對(duì)優(yōu)化方案B進(jìn)行手板樣機(jī)制作，并按國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果接近流體分析的數(shù)值，如表6所示，滿足項(xiàng)目定義的參數(shù)設(shè)計(jì)需求。

表6 手板堆疊樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)表6測(cè)試數(shù)據(jù)可以說(shuō)明本文基于Flow Simulation的流體仿真研究方法可有效并快速地進(jìn)行空氣凈化器風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，該仿真研究方法具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）高效性優(yōu)勢(shì)：Flow Simulation可快速對(duì)多個(gè)預(yù)設(shè)方案參數(shù)進(jìn)行分析評(píng)優(yōu)，指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)方向，加快研發(fā)進(jìn)度。

（2）經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)：Flow Simulation的驗(yàn)證方法可以大大節(jié)省企業(yè)樣機(jī)手板制作費(fèi)用。利用流體仿真可以進(jìn)行大量的方案分析計(jì)算，從而優(yōu)選價(jià)值方案再進(jìn)行手板驗(yàn)證。

研究中也發(fā)現(xiàn)了如下不足之處：

（1）Flow Simulation進(jìn)行流體分析計(jì)算，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高。需要企業(yè)對(duì)計(jì)算設(shè)備進(jìn)行額外投入。

（2）因項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)處于開(kāi)發(fā)早期，且考慮簡(jiǎn)化分析計(jì)算，通常模型較為簡(jiǎn)化，并未表達(dá)結(jié)構(gòu)中的所有細(xì)節(jié)，其分析結(jié)果必然受到影響，可能導(dǎo)致一定的錯(cuò)誤或較大的偏差。

相較于大量的手板驗(yàn)證，計(jì)算設(shè)備購(gòu)買成本相對(duì)較低，而因模型簡(jiǎn)化導(dǎo)致的計(jì)算偏差，可通過(guò)方案的手板校驗(yàn)盡可能地避免。計(jì)算機(jī)仿真輔助設(shè)計(jì)是不斷優(yōu)化迭代的過(guò)程，待產(chǎn)品結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，可對(duì)完整方案模型再次進(jìn)行流體分析驗(yàn)證，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行深度優(yōu)化，從而尋求最優(yōu)解[8][9]。