空調(diào)室內(nèi)機(jī)橫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部流動及氣動聲學(xué)研究.pdf

1、目前橫流風(fēng)機(jī)的氣動效率和氣動噪聲問題引起了越來越多的關(guān)注。首先，橫流風(fēng)機(jī)具有獨一無二的幾何結(jié)構(gòu)，在居家、商業(yè)和工程領(lǐng)域上的應(yīng)用非常廣泛。其次，橫流風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動與其它類型的風(fēng)機(jī)有著顯著區(qū)別，如氣流兩次通過葉柵、在葉輪內(nèi)部的偏心渦結(jié)構(gòu)等，迄今為止針對橫流風(fēng)機(jī)的氣動設(shè)計方法還很不完善。因此，研究橫流風(fēng)機(jī)內(nèi)流特征和氣動聲源特性，考察葉輪幾何特征對氣動特性的影響，并在此基礎(chǔ)上探討風(fēng)機(jī)性能和噪聲的評價方法，小僅具有實際的應(yīng)用價值，也具有重要的理論

2、意義。
　　 本論文以某型號空調(diào)室內(nèi)機(jī)所使用的橫流風(fēng)機(jī)為研究對象，建立了氣動-聲學(xué)測試實驗裝置，詳細(xì)測量了具有不同葉輪幾何特征的橫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及空調(diào)室內(nèi)機(jī)系統(tǒng)的氣動性能和噪聲特性，討論了橫流風(fēng)機(jī)及空調(diào)室內(nèi)機(jī)系統(tǒng)氣動，聲學(xué)性能的評價方法，重點分析了葉輪幾何特征變化對氣動，聲學(xué)特性產(chǎn)生的影響。
　　 內(nèi)流場的研究是開展氣動-聲學(xué)研究的基礎(chǔ)。本文采用PIV激光測試系統(tǒng)對橫流風(fēng)機(jī)的進(jìn)口及出口流場進(jìn)行測量，由于橫流風(fēng)機(jī)葉輪封閉，本研

3、究對實驗裝置進(jìn)行細(xì)致的改裝后，采用三孔氣動探針從葉輪側(cè)面伸入，詳細(xì)測量了葉輪內(nèi)部區(qū)域的流場。測量結(jié)果較為全面地展示了橫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部的特殊的流動彤態(tài)，重點討論了當(dāng)葉片外周角改變時所引起的流場形態(tài)的變化。此外，在橫流風(fēng)機(jī)的主要聲源面-蝸舌和蝸殼固避埋設(shè)動態(tài)壓力傳感器陣列，測量了具有不同葉片外周角度的葉輪掃過固壁表面產(chǎn)生的非定常壓力脈動特征。
　　 本文同時采用商用軟件FLUENT對具有不同葉片外周角的橫流風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動展開非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模

4、擬。結(jié)合實驗結(jié)果，進(jìn)一步揭示了橫流風(fēng)機(jī)進(jìn)出口不均勻流動形態(tài)及葉柵做功和流動損失機(jī)理，深入分析了葉片外周角變化對內(nèi)部流動形態(tài)產(chǎn)生的影響。通過非穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果得到了固壁表面的壓力脈動特征，并與實驗結(jié)果相對比，討論了橫流風(fēng)機(jī)表面聲源的分布特點，并且考察了葉片外周角度變化時對聲源特征的影響。
　　 本文在橫流風(fēng)機(jī)內(nèi)流場的實驗和數(shù)值研究基礎(chǔ)上，完善了橫流風(fēng)機(jī)性能預(yù)測的平均流線法。把偏心渦回流區(qū)域假設(shè)為相對封閉的環(huán)流區(qū)域，將橫流風(fēng)機(jī)流場劃分成

5、偏心渦同流區(qū)和通流區(qū)，并通過數(shù)值計算結(jié)果考察了偏心渦同流區(qū)域的特征尺度在節(jié)流條件下的變化。根據(jù)主流區(qū)域的流動特點，分別建立了相應(yīng)的損失模型。其中，主流葉柵區(qū)域的壓升及流動損失采用Powell的半經(jīng)驗葉柵理論建立，針對橫流風(fēng)機(jī)葉柵的不均勻來流特點，對葉柵進(jìn)氣攻角的周向分布進(jìn)行了假設(shè)。通過計算詳細(xì)比較和討論了不同葉輪在葉柵局部區(qū)域所產(chǎn)生的理論及實際壓升和流動損失，通過與實驗結(jié)果的對比，證實了所建立的平均流線方法可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測了外周角度變

6、化時橫流風(fēng)機(jī)的總壓和靜壓曲線。
　　 本文發(fā)展了考慮橫流風(fēng)機(jī)葉輪節(jié)間交錯特征及風(fēng)機(jī)軸向長度的氣動噪聲預(yù)測方法。首先在葉輪的相鄰交錯節(jié)對應(yīng)的固擘表面分別埋設(shè)動態(tài)壓力傳感器，并對近場壁而壓力脈動的時域結(jié)果進(jìn)行互相關(guān)分析，證實了交錯葉輪不同節(jié)的葉片掃過周圍固壁所產(chǎn)生的壓力脈動存在時域差，并且時域差與葉輪節(jié)間交錯的角度和轉(zhuǎn)速之間存在關(guān)聯(lián)。噪聲預(yù)測基于非穩(wěn)態(tài)CFD模擬獲得的近場盧源表面的壓力脈動結(jié)果，根據(jù)實驗結(jié)論對帶有交錯特征的橫流風(fēng)機(jī)葉

7、輪軸向各節(jié)對應(yīng)的近場聲源時域特征進(jìn)行假設(shè)，采用FfowesWilliams-Hawkings方程的Farassat IA積分形式的解進(jìn)行計算。計算結(jié)果給出了橫流風(fēng)機(jī)近場蝸舌、蝸殼及旋轉(zhuǎn)葉輪的聲源分布特性，分析了葉片外周角度改變時，聲源特征的變化。其次，計算得到了具有三種不同交錯角度的葉輪的室內(nèi)機(jī)遠(yuǎn)場噪聲的時域和頻域結(jié)果，以及各階離散噪聲的指向特性，并且在計算中考察了橫流風(fēng)機(jī)軸向長度對計算結(jié)果的影響。將計算所得結(jié)果與詳細(xì)的聲學(xué)測量結(jié)果相對

8、比，討論了計算方法的準(zhǔn)確性。
　　 最后，針對橫流風(fēng)機(jī)葉輪軸向較長并分節(jié)交錯的幾何特征，將葉輪各節(jié)簡化為近場存在脈動時域差的點源，提出了陣列的點源模型用于橫流風(fēng)機(jī)節(jié)間交錯角度的低噪聲優(yōu)化設(shè)計。將計算結(jié)果與聲學(xué)預(yù)測結(jié)果和實驗結(jié)果相對比，證實了模型簡化的合理性。通過模型的計算結(jié)果重點分析了不同轉(zhuǎn)速條件下，葉輪節(jié)間交錯角度與風(fēng)機(jī)各階離散噪聲間的關(guān)系，并對葉輪交錯角度進(jìn)行低噪聲優(yōu)化，優(yōu)化后的葉輪相比原葉輪在氣動性能不變的前提下，氣動噪聲