小型軸流式吹風機結構優化設計研究

張莉 林香泉 熊智文 譚海輝

1.電子科技大學中山學院 廣東中山 528400；

2.進成（廣東）智能科技股份有限公司 廣東中山 528467

0 引言

吹風機是一種常用的家電產品，其內部包含多種部件，吹風機設計過程需要綜合考慮多種結構參數對吹風機性能的影響，通過試驗進行設計缺少規律性，設計成本較高，因此需要一種吹風機結構的設計方法。改進吹風機結構的相關文獻較少，陳凱哲等[1]設計了一種發梳式電吹風機，將梳子與電吹風結合，采用溫度/濕度控制，實現干發過程的智能吹風和對頭發的護理。在吹風機系統中，風扇是吹風機系統的關鍵部件，是吹風機氣流的動力源。風扇數值仿真研究不僅可以預測風扇性能，還可以對其復雜的旋轉流場進行微觀研究、彌補試驗測試的不足，已逐漸成為研究帶風扇機構性能的重要手段，已有學者通過數值仿真方式對包含風扇系統進行數值仿真。以汽車冷卻風扇為例，有研究對冷卻風扇軸向伸入距離、風扇與風扇罩徑向間隙和風扇旋轉中心偏移距離三個設計參數進行優化，優化后的結構改善了發動機艙的散熱性能[1]。以數值模擬技術為紐帶，構建現有產品與最終方案形成的邏輯關聯體，提升了設計方案形成的科學合理性，可為類似的家電產品創新設計提供參考[2]。在正交試驗結果的基礎上進行Box-Behnken試驗設計，在保證風量不小于原始風量的前提下，以噪聲值最低為目標，引用RSM方法求算回歸方程，從而確定葉片最優的結構參數，噪聲值縮減[3]。對該風扇進行改進優化設計，并對改進前后的風扇在試驗臺架上進行氣動性能測試對比，在整車上進行車內外噪聲測試對比，測試結果表明風扇性能得到優化[4]。用計算流體力學的方法，分析三種不同參數對散熱器進風量和風扇有效功率的影響規律。在此基礎上，通過虛擬正交試驗的多目標耦合分析，得到風扇設計參數的優化方案。優化后車型在模擬爬坡工況下，發動機艙散熱性能顯著提升，內部溫度分布狀況明顯改善[5]。綜上所述，對吹風機結構設計相關的研究較少，但針對吹風機的關鍵部件，即風扇的性能有較多的研究，對本文的研究工作有一定的指導意義。在一定風扇結構下，本研究主要解決兩個問題：（1）得到吹風機關鍵結構參數對吹風機性能的影響規律；（2）得到最優化的結構參數設計。本研究將對吹風機結構的設計具有指導作用，提高吹風機設計效率，節約設計成本。

1 原吹風機流場分析

1.1 流場仿真模型

吹風機出口風速主要受風機風筒內部結構的影響，家用吹風機去掉外殼后的結構如圖1所示，主要包括風機進出風口、風機內殼體、風機內部風扇及電機和加熱元件等附件。風扇的周圍存在空氣，吹風機對周圍空氣流場的影響是有限的，選取吹風機附近的空氣建立風洞仿真模型，并通過設置網格加密區域以提高仿真結果的精度，吹風機及計算區域網格模型如圖2所示。計算區域邊界條件設置為壓力入口和壓力出口；采用多參考坐標系方法對風扇進行仿真，風扇轉速均為12000 rpm；采用SIMPLEC算法和二階迎風格式進行迭代計算。

圖1 吹風機結構

圖2 吹風機風洞模型及網格劃分

1.2 數值分析與結果討論

計算得到吹風機內部及其周圍的空氣流場分布情況，截取吹風機中截面及風扇壁面空氣速度場分布情況，空氣速度場分布情況如圖3所示，空氣壓力流場分布情況如圖4所示。分析速度云圖可以發現：在不考慮整體結構改變的情況下，吹風機風道內部結構應盡量緊湊和簡單，避免復雜結構引起的流體動能耗散。

圖3 原風扇內部及周圍流場速度云圖（截面）

圖4 原風扇內部及周圍流場壓力云圖（截面）

對吹風機的工作性能進行試驗研究，試驗儀器主要包括變頻穩壓電壓、轉速表和風速儀。吹風機在不同功率下的轉速和出口附近（距風口3 cm）風速如表1所示。試驗數據與數值仿真結果接近，驗證了數值計算模型的正確性。可認為仿真模型能夠較好地反映原吹風機結構的流場特性，可以用于后續不同結構參數下吹風機性能分析和參數優化。

表1 吹風機試驗數據（25°C，65%RH）

2 關鍵設計參數對性能的影響

2.1 設計參數與評價指標

風扇安裝位置直接影響吹風機內部空氣流場的分布，決定吹風機出口的風速，影響吹風機的性能。在風扇結構、吹風機進出口結構確定的情況下，決定風扇結構和安裝位置的主要參數有：風扇和馬達軸向距離（軸距D）、風扇風筒的軸向長度（風筒長度L）以及風扇和風筒之間間隙（氣隙G），各參數如圖5所示。通過數值仿真的方法，研究這些結構和安裝位置參數對風機性能的影響規律，得到在不同結構和安裝位置參數下，風機內部及其周圍空氣流場的速度分布情況。

圖5 吹風機關鍵結構參數

在吹風機設計中，首先要保障的是其可以提供足夠的風量，其次要盡量減小其工作噪聲。其中，在出口結構一定的情況下，不考慮噪聲的影響，提高出口風速可以增大風量。空氣的對流換熱系數與風速成正比，提高對流換熱系數，從而更快速地吹干頭發。出口風速對風機的干燥效果具有決定性的影響，成為決定吹風機性能優劣的關鍵因素。以吹風機出口截面的平均風速作為評價吹風機出口風速的指標。

2.2 數值分析與結果討論

原風扇的結構參數分別為：L=116.44 mm，D=7.6 mm，G=1.38 mm，采用單因素分析方法，改變其中一個結構參數的大小，同時保持另外兩個結構參數及風扇其余結構不變的情況下，研究各結構參數對吹風機出口風速的影響規律。其中，吹風機風扇轉速均為12000 rpm。建立不同軸距的風機計算模型，對在相同工況下，不同風機結構的性能進行分析，得到風機內部及風機周圍的空氣速度場和壓力流場分布情況，得到不同氣隙結構對吹風機出口風速的影響規律。

2.2.1 風扇和馬達軸向距離影響

保持氣隙和風筒長度不變，選取不同的軸距如表2所示，建立不同軸距下風機的結構模型。不同軸距條件下吹風機出口截面風速分布情況如圖6所示。風機出口風速最高的情況為軸距大小為2 mm的情況，軸距過大和過小均會降低風機出口最高風速和平均風速的大小。

圖6 風扇安裝軸距對吹風機出口風速的影響

表2 不同馬達與風扇葉間距模型參數

2.2.2 風扇和風筒之間間隙影響

保持軸距和風筒長度不變，選取不同的氣隙大小如表3所示，建立不同氣隙下風機的結構模型。不同氣隙大小條件下吹風機出口截面風速分布情況如圖7所示。風機出口風速最高的情況為氣隙大小為1.5 mm的情況，間隙過大和過小均會降低風機出口最高風速和平均風速的大小。

圖7 吹風機氣隙大小對出口風速的影響

表3 不同氣隙間距吹風機結構參數

2.2.3 風扇風筒的軸向長度影響

保持氣隙大小和風筒長度不變，選取不同的風筒長度如表4所示，建立不同風筒長度下風機的結構模型。不同風筒長度條件下吹風機出口截面風速分布情況如圖8所示。風機出口風速最高的情況為風筒軸向長度大小為98.44 mm時，出口風速和風筒的長度并不是線性關系。這主要由于風扇旋轉產生的空氣流場并非單向的，而是類似螺旋形分布的流場。

圖8 風筒的軸向長度對出口風速的影響

表4 不同風筒軸向長度吹風機結構參數

3 吹風機性能優化設計

為了建立吹風機性能的參數化數學模型，需找到各影響因素的數值大小對吹風機出口風速影響的定量關系。Box-Behnken試驗設計方法可以通過多元二次方程的方式，反應響應值和試驗各因素的函數關系，故采用響應面法研究風機結構的參數化數學模型。以軸距（D）、氣隙（G）、風筒長度（L）作為試驗設計的三個因素。采用Box-Behnken試驗設計，并在中心點處進行三次重復試驗，量化可能產生的偶然誤差。根據單因素分析的結果，選取各影響因素對風扇性能影響較大的尺寸范圍。

設計影響因素取為：X = (x1x2x3)T= (GLD)T

設計變量為：y=V

變量和各因素之間的關系為：Ey=f(x1,x2,x3)

采用BOX設計（Box-Behnken設計）設計響應面分析試驗，采用二次多項式回歸方法，得到數值擬合關系：

試驗點（x11，…，xp1，y1），…，（x1n，…，xpn，yn）

Ey=f(x1,x2,x3) ≈a+bx1+…+cxp+…+dx12+…+exp2+fx1x2…+gxp-1xp

3.1 試驗設計與分析

試驗點設計采用通用中心組合設計方式得到，每個試驗點對應的參數值選擇及根據試驗點結構建立的模型進行仿真計算后得到的出口截面平均風速值如表5所示。得到吹風機內部及其周圍空氣速度場分布情況如圖9所示，出口截面空氣速度場分布如圖10所示。

圖9 吹風機內部及周圍流場速度云圖（中截面）

圖10 吹風機出口截面流場速度云圖

表5 試驗點設計

3.2 擬合模型與分析

得到出口速度V的響應面方程為：

V= 1.84+0.1837D+0.235G-0.1013L-0.72D·L-0.8525G·L

式中：G為吹風機內部風扇葉和風筒之間的間隙距離、L為風筒的軸向長度、D為風扇和電機之間的距離。擬合得到的數值模型和實際值之間的偏差如圖11所示。

圖11 實際值和方程估計值

采用方差分析，排除隨機因素誤差，采用二次模型進行方差分析的結果如表6所示，模型具有顯著性，失擬項不顯著。

表6 二次模型的方差分析

3.3 結構優化與驗證

為了最大程度增大吹風機出口風速，建立的優化模型如下：

設計變量：x1～x2

MaxV

s.t.ximin≤xi≤ximax(i=1,2,3)

式中：ximin～ximax為設計變量xi的上限和下限值；i=1,2,3。x1～x2分別表示吹風機內部風扇葉和風筒之間的間隙距離（G）、風筒的軸向長度（L）、風扇和電機之間的距離（D）。

根據工藝及產品尺寸，設定參數范圍如下，在該范圍內對風機結構參數進行優化設計：

1≤D≤8；0.5≤G≤3；80≤L≤150

根據擬合關系，得到在此尺寸范圍內吹風機出口風速最大時的結構參數。計算得到在D=1 mm，G=2.5 mm，L=140 mm時，出口風速最大，預測出口風速為6.5 m/s。

對該參數下的吹風機結構建立數值模型，對預測結構進行仿真計算，驗證預測模型的可靠性。計算得到風扇內部及其周圍流場分布及吹風機出口處速度場分布情況，如圖12、圖13和圖14所示。吹風機出口處的風速確有提高，最高風速6 m/s，平均風速5.4 m/s，較預測值略低，考慮到擬合關系式允許30%范圍內的誤差，該尋優結果有一定的參考意義，擬合關系式對風機性能的預測有一定的參考價值，該優化方法可以實現風機結構參數的優化設計。

4 結論

吹風機的性能受到多種因素的影響，結構參數直接影響吹風機出口風速。本文對吹風機結構參數對出口風速的影響規律進行研究。主要得到以下結論：

（1）采用單因素分析法，在改變其中一個結構參數時，保持其他結構參數為原結構參數。研究發現：風機出口風速最高的情況為軸距大小為2 mm的情況，軸距過大和過小均會降低風機出口最高風速和平均風速的大小。風機出口風速最高的情況為氣隙大小為1.5 mm的情況，間隙過大和過小均會降低風機出口最高風速和平均風速的大小。風機出口風速最高的情況為風筒軸向長度大小為98.44 mm的情況，出口風速和風筒的長度并不是線性關系。

圖12 風扇內部及周圍流場速度云圖（中截面）

圖13 流場速度云圖（截面1）

圖14 出口截面流場速度云圖

（2）通過采用Box-Behnken方法設計響應面分析試驗，通過仿真計算得到不同結構的吹風機的性能。采用二次多項式回歸方法，建立了風機結構的參數化數值模型。采用擬合的模型，在一定的尺寸范圍內，對最優的吹風機結構參數進行預測，得到了出風口風速最高的結構參數，并通過數值仿真進行了驗證，證明該方法可以實現風機結構參數的優化設計。