超高速電風(fēng)機系統(tǒng)數(shù)值模擬分析及實驗驗證

楊國蟒 胡余生 陳彬 馬寅輝 肖勇

（1. 珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070； 2. 廣東省高速節(jié)能電機系統(tǒng)企業(yè)重點實驗室 珠海 519070）

引言

超高速電風(fēng)機是手持式真空吸塵器的核心部件，在密閉殼體內(nèi)部產(chǎn)生較大的真空度形成負(fù)壓，吸取塵埃、碎屑等，并利用過濾裝置對吸取的空氣進(jìn)行過濾和凈化[1]。電動吸塵器為了提高吸力、減少體積，要求其電風(fēng)機轉(zhuǎn)速盡可能高[2]，以實現(xiàn)較大的真空度和吸入功率。手持式真空吸塵器電風(fēng)機最高速度可達(dá)160 000 rpm，最大真空度可達(dá)25 kPa，其中葉輪、擴壓器等氣動部件是電風(fēng)機的動力核心，設(shè)計的好壞直接影響到吸塵器的吸入功率和吸入效率[3]。設(shè)計周期內(nèi)要驗證多種氣動方案，如果每次都打樣、裝機、測試，開發(fā)周期未免加長，所以建立整個電機系統(tǒng)的仿真分析方法，可以替代反復(fù)多次的驗證試驗，從而提高研發(fā)效率。

本文首先研究了吸塵器電風(fēng)機的測試標(biāo)準(zhǔn)[4]，根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)建立測試系統(tǒng)仿真模型，然后用現(xiàn)有的一款成熟的電風(fēng)機模型與測試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計算真空度和吸入功率。最后，搭建吸塵器電風(fēng)機空氣性能試驗臺對該電風(fēng)機的空氣性能進(jìn)行測試，校核仿真方法的正確性。

1 計算模型

1.1 物理模型的建立及網(wǎng)格生成

如圖1 所示，電風(fēng)機系統(tǒng)有電風(fēng)機、均壓箱、流量計、壓力計和流量調(diào)節(jié)裝置組成，參考測試標(biāo)準(zhǔn)，流量調(diào)節(jié)裝置用的是孔板，所以本文的仿真方法也是基于孔板。

圖1 吸塵器電風(fēng)機測試系統(tǒng)示意圖

流場的計算域由葉輪、擴壓器、均壓箱、入口管道和孔板組成，利用Pro-E 軟件創(chuàng)建整體的三維模型和流體域。采用TurboGrid 劃分葉輪網(wǎng)格，然后旋轉(zhuǎn)復(fù)制生成整個葉輪的網(wǎng)格，均壓箱和管道部分采用ICEM 特有的Block 劃分網(wǎng)格，由于擴壓器和機殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用適用性較好的四面體網(wǎng)格，整體網(wǎng)格情況如圖2 所示，為減小網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果的影響進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證（圖3），并結(jié)合計算的時效性，最終確定計算域網(wǎng)格數(shù)量為500萬。

圖2 整體網(wǎng)格情況

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

1.2 氣動控制方程

空氣在壓縮機和電風(fēng)機內(nèi)的流動滿足連續(xù)性方程、動量方程和能量方程[5]：

連續(xù)方程：

動量方程：

能量方程：

式中：

ρ—密度；

CP—熱容；

u—速度；

μ—粘度；

T—溫度；

Pr—普朗特數(shù)；

WsQs—源項。

1.3 多重參考系及邊界條件

針對含有運動固體邊界的流動問題，CFX 軟件中提供了多重參考坐標(biāo)系。計算時將葉輪區(qū)域設(shè)在移動網(wǎng)格坐標(biāo)系，其他區(qū)域設(shè)在靜止坐標(biāo)系。計算使用了如下的邊界條件。

1）進(jìn)口邊界條件：給定壓力邊界條件，值為1 atm。

2）出口邊界條件：取自由出流邊界條件，流動充分發(fā)展。

3）壁面條件: 采用無滑移固壁條件,并使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)確定固壁附近流動。

2 模擬結(jié)果及分析

圖4（a）是電風(fēng)機系統(tǒng)的壓力云圖，從中看出，在電風(fēng)機高速旋轉(zhuǎn)作用下，并由于孔板的節(jié)流作用，均壓箱內(nèi)部形成負(fù)壓。均壓箱的作用是穩(wěn)定和平衡氣體壓力，壓力測點就在均壓箱的內(nèi)部。從圖4（a）看，整個均壓箱的壓力比較均勻，說明壓力場在均壓箱內(nèi)得到充分發(fā)展，整個區(qū)域內(nèi)壓力變化不大，能夠滿足壓力測試的要求。進(jìn)一步在均壓箱內(nèi)部取兩條正交線，如4（b），并提取線上11 個點的靜壓值，如表1 所示，各點的壓力波動在2 Pa 左右，說明兩條線壓力分布十分均勻。

圖4 測試系統(tǒng)壓力情況

表1 正交線壓力分布

圖5 是電風(fēng)機內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)圖，從流線圖中可以看出，由于在出口處的流動損失發(fā)生在無葉擴壓器出口處，模型能夠捕捉到出口流動損失，并且在出口處的流出速度較小，說明出口處的主要損失發(fā)生在氣流流經(jīng)無葉擴壓器，由軸向變化為徑向的過程中。總壓云圖呈現(xiàn)出相似的結(jié)論，入口處氣流全壓較低，氣流經(jīng)葉輪作功，全壓升高，由于渦流的存在形成了低壓區(qū)，減小了葉輪出口處的流通截面積。渦耗散代表了流動過程中的不穩(wěn)定現(xiàn)象，從圖5（c）中可以看出，渦耗散現(xiàn)象主要發(fā)生在軸承架處。

圖5 電風(fēng)機內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)圖

為了定量分析電風(fēng)機內(nèi)部壓力損失大小和各部件壓損的占比，分別計算電風(fēng)機各部件壓力損失，如表2 所示，從中可以看出，電風(fēng)機內(nèi)的損失主要是擴壓器的壓力損失，壓損占比達(dá)到了76.26 %，這一點與上面的分析相符。所以，在設(shè)計電風(fēng)機時要注意擴壓器的設(shè)計，盡量提高擴壓器的靜壓恢復(fù)系數(shù)，降低壓力損失。

表2 電風(fēng)機各部件壓力損失 單位：Pa

3 實驗驗證

因為吸入功率是按照下面公式計算[4]，所以吸入功率與真空度和空氣流量有關(guān)。

式中：

H—真空度；

Q—空氣流量（m2/min）。

為驗證本文計算結(jié)果的有效性，需要將電風(fēng)機實測結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20291-2006 《家用真空吸塵器性能測試方法》搭建空氣性能試驗裝置[4]，如圖6 所示，通過不同孔徑共10 個孔板調(diào)節(jié)空氣流量，通過真空表讀取壓力值P0，大氣壓Pa-P0即為真空度，將測試得到的流量和真空度與仿真值進(jìn)行對比。圖7、圖8 分別是真空度和流量實測值與仿真值對比情況，從圖中可看到模擬結(jié)果與實驗結(jié)果符合較好，趨勢基本一致，數(shù)值誤差控制在5 %以內(nèi)，表明本文數(shù)值模擬方法可以預(yù)測電風(fēng)機的空氣性能，為后續(xù)電風(fēng)機氣動部件優(yōu)化提供了便利。

圖6 空氣性能實驗裝置

圖7 真空度隨孔板變化

圖8 流量隨孔板變化

4 結(jié)論

1）基于CFX 對超高速電風(fēng)機系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，由于孔板的節(jié)流作用在均壓箱內(nèi)形成負(fù)壓，且孔板的壓力損失與真空度相當(dāng)，并在均勻箱內(nèi)取正交兩條直線提取壓力值，壓力波動在2 Pa 左右，所以實測得到的壓力值較準(zhǔn)確。

2）計算電風(fēng)機各部件壓力損失，發(fā)現(xiàn)電風(fēng)機內(nèi)部的損失主要集中擴壓器以及風(fēng)道轉(zhuǎn)彎處，壓力損失占比高達(dá)76.3 %。在機殼內(nèi)部也有較大的渦流損失，這兩處要設(shè)計合理的氣路，以降低壓損，提高效率。

3）搭建了空氣性能試驗臺對仿真方法進(jìn)行驗證，真空度和流量實測值與模擬結(jié)果符合較好，趨勢基本一致，數(shù)值誤差控制在5 %以內(nèi)，表明本文計算方法可以預(yù)測超高速電風(fēng)機的空氣性能。