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1、引言

隨著人們生活水平的提高以及環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)空氣質(zhì)量的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，而空氣凈化器作為一種能夠凈化空氣中的污染物、提高空氣清潔度的設(shè)備，受到廣泛的使用?？諝鈨艋魍ǔＴ谑覂?nèi)使用，顧客對(duì)噪音有直觀的體驗(yàn)，凈化器噪聲的很大一部分來(lái)自風(fēng)輪與空氣的作用，所以一個(gè)低噪的風(fēng)輪設(shè)計(jì)就顯得至關(guān)重要，對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行提效和降噪優(yōu)化有利于氣動(dòng)噪聲和整體能耗的降低。本文將從空氣凈化器風(fēng)輪著手，以降噪為首要研究目標(biāo)，利用ANSYS CFD系列軟件來(lái)探索一套風(fēng)輪的研究方法，以作為實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充。

2、風(fēng)輪流場(chǎng)仿真分析方案

市面上常見(jiàn)的空氣凈化器由過(guò)濾網(wǎng)、電機(jī)和風(fēng)輪等組成，產(chǎn)品的凈化原理如圖1所示。

圖1 空氣凈化器流場(chǎng)示意圖

本文將以無(wú)限極享優(yōu)樂(lè)牌空氣凈化器為研究對(duì)象，以現(xiàn)有電機(jī)、濾網(wǎng)等部件性能參數(shù)作為基礎(chǔ)，利用ANSYS CFD系列軟件來(lái)探索一套風(fēng)輪的研究方法，對(duì)凈化器的流場(chǎng)和噪聲進(jìn)行仿真優(yōu)化，以達(dá)到降噪的目的，并指導(dǎo)后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在整個(gè)空氣凈化器系統(tǒng)中，影響風(fēng)輪效率及噪聲大小的尺寸參數(shù)可達(dá)10多個(gè)。如果對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行全參數(shù)的分析，DOE數(shù)量會(huì)非常龐大，計(jì)算周期會(huì)很長(zhǎng)。因此在本文研究中，先保持葉型不變，選取葉輪部分安裝角度和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行參數(shù)化分析；若降噪結(jié)果不理想，再對(duì)葉型局部參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)一步對(duì)葉輪安裝參數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

3、流場(chǎng)及噪聲優(yōu)化分析

3.1 凈化器流場(chǎng)簡(jiǎn)化及網(wǎng)格劃分

圖1為某品牌空氣凈化器的原始幾何模型，為確保得到較高質(zhì)量的網(wǎng)格，先通過(guò)ANSYS DM的幾何清理工具，對(duì)凈化器模型進(jìn)行幾何修復(fù)并提取流場(chǎng)，并進(jìn)一步利用ANSYS Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終得到如圖2所示的整體網(wǎng)格。

圖2 凈化器流場(chǎng)整體網(wǎng)格

3.2 濾網(wǎng)阻力模型

在空氣凈化器中，各層濾網(wǎng)起到對(duì)空氣的不斷過(guò)濾和凈化作用，但也存在較大的空氣阻力。所以在凈化器流場(chǎng)的分析中，濾網(wǎng)模型必須考慮。但由于濾網(wǎng)層結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在仿真中直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分是不現(xiàn)實(shí)的，對(duì)于這類結(jié)構(gòu)的模擬，可使用Fluent軟件的多孔介質(zhì)模型來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化。其中初效濾網(wǎng)層透空率比較大且厚度較小，該層可忽略，僅需考慮HEPA微粒濾網(wǎng)和氣味濾網(wǎng)，相應(yīng)簡(jiǎn)化模型可根據(jù)圖3和圖4中壓降-流速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖中藍(lán)色線）進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，最終得出兩濾網(wǎng)的擬合關(guān)系分別為：P1=41×V1和P2=11×V2+23.5×V22，其中P1、V1表示HEPA微粒濾網(wǎng)的壓降與流速，P2、V2表示氣味濾網(wǎng)的壓降與流速。

圖3 HEPA微粒濾網(wǎng)壓降-流速關(guān)系

圖4 氣味濾網(wǎng)壓降-流速關(guān)系

3.3 原始模型的流場(chǎng)及噪聲評(píng)估

在進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算之前，先使用FLUENT對(duì)原始模型進(jìn)行分析，獲得原始設(shè)計(jì)的凈化空氣體積流量及噪音水平，作為后續(xù)優(yōu)化的基準(zhǔn)。為提高分析效率，計(jì)算中將使用MRF的方法來(lái)模擬葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域，根據(jù)電機(jī)參數(shù)設(shè)定該區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)速度為780rpm，對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的評(píng)估將采用FLUENT中的Proudman寬頻噪聲模型，主要考慮由固體邊界上的湍流邊界層流動(dòng)產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲，通過(guò)Curle積分評(píng)估離心風(fēng)機(jī)的聲功率級(jí)，在后續(xù)優(yōu)化過(guò)程中比較不同方案聲源最大聲功率級(jí)的變化，用于評(píng)估各優(yōu)化方案對(duì)噪聲的影響。

計(jì)算環(huán)境工況取壓力為101325Pa、溫度300K時(shí)的空氣參數(shù)，此時(shí)密度為1.225kg/m3；由于風(fēng)道內(nèi)流速較低，遠(yuǎn)小于0.3個(gè)馬赫數(shù)，可認(rèn)為流動(dòng)是不可壓的；對(duì)于該問(wèn)題可設(shè)定湍流模型為SST k-w模型。通過(guò)計(jì)算最終得到空氣流量為491m3/h，葉輪表面平均聲功率級(jí)為45.2dB，從圖5、圖6中可以看到在葉輪前緣處，聲功率是最大的，這可能是由于氣流對(duì)葉片前緣的沖擊作用引起的。

圖5 速度流線圖

圖6 葉輪表面聲功率級(jí)

3.4 風(fēng)輪優(yōu)化方案1

考慮到風(fēng)輪的葉型和安裝參數(shù)非常之多，在風(fēng)輪優(yōu)化方案1中將保持葉型不變，僅對(duì)以下四個(gè)參數(shù)（如圖7所示，箭頭方向?yàn)檎┻M(jìn)行優(yōu)化分析：

圖7 葉輪參數(shù)化方案

（1）出口寬度變化：以原始寬度為基準(zhǔn)，取值范圍為[-30mm, 0mm]；

（2）葉輪轉(zhuǎn)角1：葉輪扭轉(zhuǎn)角度，以原設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)，取值范圍為[-15°，15°]；

（3）葉輪轉(zhuǎn)角2：葉輪傾斜角度，以原設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)，箭頭方向?yàn)檎?，取值范圍為[-15°，15°]；

（4）葉輪數(shù)量：取值范圍為[50，80]。

確定了上述尺寸參數(shù)后，就可以進(jìn)行DOE分析。DOE計(jì)算結(jié)束后，可以利用ANSYS Workbench下的Parameters Correlation工具進(jìn)行全局敏感度分析，以確定在給定的參數(shù)范圍內(nèi)，各個(gè)輸入?yún)?shù)對(duì)結(jié)果的影響程度，通過(guò)分析可以排除一些對(duì)結(jié)果沒(méi)有影響的參數(shù)。

計(jì)算分析結(jié)果如圖8，見(jiàn)增大出口寬度可以增加風(fēng)量和全壓效率，還可以減小葉輪表面最大聲功率，而該參數(shù)對(duì)葉輪表面平均聲功率不敏感；此外隨著轉(zhuǎn)角1（即葉片扭轉(zhuǎn)角）變大，葉輪表面聲功率會(huì)降低，但風(fēng)量也會(huì)減少，而隨著轉(zhuǎn)角2（即葉輪傾斜角度）的增加，雖然能夠提高風(fēng)量，但會(huì)使得葉輪表面聲功率增加；增大葉輪數(shù)量可以提高全壓效率，而不會(huì)明顯影響其他輸出參數(shù)。

圖8 風(fēng)輪優(yōu)化方案的全局敏感度分析圖

根據(jù)全局敏感性分析，出口寬度越大對(duì)高效低噪的設(shè)計(jì)更有利，考慮到空間的限制，將保持葉輪寬度不變。使用Screening方法，分別以降噪和提高流量作為主要目標(biāo)進(jìn)行尋優(yōu)。最終得出以下原設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案的結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表1（注：以上變化均在參數(shù)取值范圍內(nèi)討論），結(jié)果顯示，若以降噪為優(yōu)先目標(biāo)，可降低葉輪表面平均聲功率級(jí)約2dB，但流量也會(huì)損失10%左右；若以提高流量為優(yōu)先目標(biāo)，可提高流量至少5%左右，但葉輪表面平均聲功率級(jí)會(huì)增加0.7dB左右。

3.5 風(fēng)輪優(yōu)化方案2

通過(guò)方案1的優(yōu)化很難在降噪的同時(shí)進(jìn)一步提高流量。因此方案2將考慮在原葉型的基礎(chǔ)上，對(duì)葉輪局部參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并選取較優(yōu)的葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝角度的優(yōu)化，選取如圖9的4個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖9 局部參數(shù)優(yōu)化方案

優(yōu)化結(jié)果對(duì)比如表2所示，該優(yōu)化后的葉輪，不僅能夠提高少量流量，還能降低葉輪表面平均聲功率級(jí)約0.7dB。

基于該優(yōu)化葉輪，按照葉輪優(yōu)化方案1的方法進(jìn)一步進(jìn)行安裝角度的尋優(yōu)，最終得出三種方案，見(jiàn)表3。

通過(guò)上述分析，由此可得組號(hào)2.2的葉輪，在流量減少不超過(guò)2%的情況下，降低葉輪表面平均聲功率級(jí)達(dá)1.43dB，效果最明顯。

圖10為原始設(shè)計(jì)和組號(hào)2.2的流線圖對(duì)比，可見(jiàn)流線的傾斜分布與葉輪的傾斜布置更加匹配，另外可以明顯降低葉輪流道內(nèi)的渦流區(qū)域，最終提高出風(fēng)的效率。

圖10 原始設(shè)計(jì)（左）和組號(hào)2.2（右）的流線圖

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證仿真優(yōu)化方案的可行性，針對(duì)原風(fēng)輪和按照方案組號(hào)2.2優(yōu)化后的風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，采用家用電器噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4214.1-2000中提供的方法，分別進(jìn)行了凈化器的噪聲測(cè)試，相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果如表4。

由測(cè)試結(jié)果可知，通過(guò)風(fēng)輪的優(yōu)化，最后能降低噪聲約1.9dB，與CFD降噪分析趨勢(shì)一致，說(shuō)明利用該參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行降噪研究是可行的。

5、結(jié)論

本文通過(guò)ANSYS Workbench平臺(tái)來(lái)搭建自動(dòng)化，參數(shù)化分析及優(yōu)化流程，利用DesignXplorer軟件研究了風(fēng)輪設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)流量和噪聲等輸出參數(shù)的影響，結(jié)果顯示通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以達(dá)到降噪的目的，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可靠性。主要的結(jié)論如下：

（1）通過(guò)對(duì)風(fēng)輪安裝角度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以降噪為優(yōu)先目標(biāo)，可降低葉輪表面平均聲功率級(jí)約2dB，但流量也會(huì)損失10%左右；若以提高流量為優(yōu)先目標(biāo)，可提高流量至少5%左右，但葉輪表面平均聲功率級(jí)會(huì)增加0.7dB左右。

（2）通過(guò)對(duì)風(fēng)輪局部參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以降噪和提高流量作為綜合目標(biāo)進(jìn)行尋優(yōu)，最終得到了可以同時(shí)提高流量和降低噪聲的葉輪設(shè)計(jì)，并且進(jìn)一步對(duì)安裝角度進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，最終得到了一組葉輪方案，在不明顯降低出風(fēng)量的情況下，能減少葉輪表面聲功率級(jí)達(dá)1.43dB。

（3）總的來(lái)說(shuō)，對(duì)該類型的離心風(fēng)輪，在不改變?cè)L(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，根據(jù)輸出目標(biāo)的不同，可以參考表5去調(diào)整尺寸參數(shù)，可見(jiàn)，要達(dá)到高效低噪的目的，通常有兩種辦法：一是根據(jù)實(shí)際情況來(lái)折中選擇，這也是目前DesignXplorer軟件常用的尋優(yōu)方法；二是通過(guò)優(yōu)化風(fēng)道參數(shù)來(lái)達(dá)到高效低噪的目的，這也是下一階段將進(jìn)行的研究。

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