小型軸流式吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

張莉 林香泉 熊智文 譚海輝

1.電子科技大學(xué)中山學(xué)院 廣東中山 528400；

2.進(jìn)成（廣東）智能科技股份有限公司 廣東中山 528467

0 引言

吹風(fēng)機(jī)是一種常用的家電產(chǎn)品，其內(nèi)部包含多種部件，吹風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程需要綜合考慮多種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吹風(fēng)機(jī)性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)缺少規(guī)律性，設(shè)計(jì)成本較高，因此需要一種吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。改進(jìn)吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的相關(guān)文獻(xiàn)較少，陳凱哲等[1]設(shè)計(jì)了一種發(fā)梳式電吹風(fēng)機(jī)，將梳子與電吹風(fēng)結(jié)合，采用溫度/濕度控制，實(shí)現(xiàn)干發(fā)過(guò)程的智能吹風(fēng)和對(duì)頭發(fā)的護(hù)理。在吹風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，風(fēng)扇是吹風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是吹風(fēng)機(jī)氣流的動(dòng)力源。風(fēng)扇數(shù)值仿真研究不僅可以預(yù)測(cè)風(fēng)扇性能，還可以對(duì)其復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)進(jìn)行微觀(guān)研究、彌補(bǔ)試驗(yàn)測(cè)試的不足，已逐漸成為研究帶風(fēng)扇機(jī)構(gòu)性能的重要手段，已有學(xué)者通過(guò)數(shù)值仿真方式對(duì)包含風(fēng)扇系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真。以汽車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇為例，有研究對(duì)冷卻風(fēng)扇軸向伸入距離、風(fēng)扇與風(fēng)扇罩徑向間隙和風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)中心偏移距離三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)改善了發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱性能[1]。以數(shù)值模擬技術(shù)為紐帶，構(gòu)建現(xiàn)有產(chǎn)品與最終方案形成的邏輯關(guān)聯(lián)體，提升了設(shè)計(jì)方案形成的科學(xué)合理性，可為類(lèi)似的家電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供參考[2]。在正交試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在保證風(fēng)量不小于原始風(fēng)量的前提下，以噪聲值最低為目標(biāo)，引用RSM方法求算回歸方程，從而確定葉片最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，噪聲值縮減[3]。對(duì)該風(fēng)扇進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)改進(jìn)前后的風(fēng)扇在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行氣動(dòng)性能測(cè)試對(duì)比，在整車(chē)上進(jìn)行車(chē)內(nèi)外噪聲測(cè)試對(duì)比，測(cè)試結(jié)果表明風(fēng)扇性能得到優(yōu)化[4]。用計(jì)算流體力學(xué)的方法，分析三種不同參數(shù)對(duì)散熱器進(jìn)風(fēng)量和風(fēng)扇有效功率的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)虛擬正交試驗(yàn)的多目標(biāo)耦合分析，得到風(fēng)扇設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化方案。優(yōu)化后車(chē)型在模擬爬坡工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱性能顯著提升，內(nèi)部溫度分布狀況明顯改善[5]。綜上所述，對(duì)吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的研究較少，但針對(duì)吹風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，即風(fēng)扇的性能有較多的研究，對(duì)本文的研究工作有一定的指導(dǎo)意義。在一定風(fēng)扇結(jié)構(gòu)下，本研究主要解決兩個(gè)問(wèn)題：（1）得到吹風(fēng)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吹風(fēng)機(jī)性能的影響規(guī)律；（2）得到最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。本研究將對(duì)吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用，提高吹風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)效率，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

1 原吹風(fēng)機(jī)流場(chǎng)分析

1.1 流場(chǎng)仿真模型

吹風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速主要受風(fēng)機(jī)風(fēng)筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，家用吹風(fēng)機(jī)去掉外殼后的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)口、風(fēng)機(jī)內(nèi)殼體、風(fēng)機(jī)內(nèi)部風(fēng)扇及電機(jī)和加熱元件等附件。風(fēng)扇的周?chē)嬖诳諝猓碉L(fēng)機(jī)對(duì)周?chē)諝饬鲌?chǎng)的影響是有限的，選取吹風(fēng)機(jī)附近的空氣建立風(fēng)洞仿真模型，并通過(guò)設(shè)置網(wǎng)格加密區(qū)域以提高仿真結(jié)果的精度，吹風(fēng)機(jī)及計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格模型如圖2所示。計(jì)算區(qū)域邊界條件設(shè)置為壓力入口和壓力出口；采用多參考坐標(biāo)系方法對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行仿真，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速均為12000 rpm；采用SIMPLEC算法和二階迎風(fēng)格式進(jìn)行迭代計(jì)算。

圖1 吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 吹風(fēng)機(jī)風(fēng)洞模型及網(wǎng)格劃分

1.2 數(shù)值分析與結(jié)果討論

計(jì)算得到吹風(fēng)機(jī)內(nèi)部及其周?chē)目諝饬鲌?chǎng)分布情況，截取吹風(fēng)機(jī)中截面及風(fēng)扇壁面空氣速度場(chǎng)分布情況，空氣速度場(chǎng)分布情況如圖3所示，空氣壓力流場(chǎng)分布情況如圖4所示。分析速度云圖可以發(fā)現(xiàn)：在不考慮整體結(jié)構(gòu)改變的情況下，吹風(fēng)機(jī)風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊和簡(jiǎn)單，避免復(fù)雜結(jié)構(gòu)引起的流體動(dòng)能耗散。

圖3 原風(fēng)扇內(nèi)部及周?chē)鲌?chǎng)速度云圖（截面）

圖4 原風(fēng)扇內(nèi)部及周?chē)鲌?chǎng)壓力云圖（截面）

對(duì)吹風(fēng)機(jī)的工作性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)儀器主要包括變頻穩(wěn)壓電壓、轉(zhuǎn)速表和風(fēng)速儀。吹風(fēng)機(jī)在不同功率下的轉(zhuǎn)速和出口附近（距風(fēng)口3 cm）風(fēng)速如表1所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真結(jié)果接近，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型的正確性。可認(rèn)為仿真模型能夠較好地反映原吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特性，可以用于后續(xù)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下吹風(fēng)機(jī)性能分析和參數(shù)優(yōu)化。

表1 吹風(fēng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（25°C，65%RH）

2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)

風(fēng)扇安裝位置直接影響吹風(fēng)機(jī)內(nèi)部空氣流場(chǎng)的分布，決定吹風(fēng)機(jī)出口的風(fēng)速，影響吹風(fēng)機(jī)的性能。在風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、吹風(fēng)機(jī)進(jìn)出口結(jié)構(gòu)確定的情況下，決定風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和安裝位置的主要參數(shù)有：風(fēng)扇和馬達(dá)軸向距離（軸距D）、風(fēng)扇風(fēng)筒的軸向長(zhǎng)度（風(fēng)筒長(zhǎng)度L）以及風(fēng)扇和風(fēng)筒之間間隙（氣隙G），各參數(shù)如圖5所示。通過(guò)數(shù)值仿真的方法，研究這些結(jié)構(gòu)和安裝位置參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響規(guī)律，得到在不同結(jié)構(gòu)和安裝位置參數(shù)下，風(fēng)機(jī)內(nèi)部及其周?chē)諝饬鲌?chǎng)的速度分布情況。

圖5 吹風(fēng)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

在吹風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中，首先要保障的是其可以提供足夠的風(fēng)量，其次要盡量減小其工作噪聲。其中，在出口結(jié)構(gòu)一定的情況下，不考慮噪聲的影響，提高出口風(fēng)速可以增大風(fēng)量。空氣的對(duì)流換熱系數(shù)與風(fēng)速成正比，提高對(duì)流換熱系數(shù)，從而更快速地吹干頭發(fā)。出口風(fēng)速對(duì)風(fēng)機(jī)的干燥效果具有決定性的影響，成為決定吹風(fēng)機(jī)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。以吹風(fēng)機(jī)出口截面的平均風(fēng)速作為評(píng)價(jià)吹風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速的指標(biāo)。

2.2 數(shù)值分析與結(jié)果討論

原風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)參數(shù)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(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的大小，同時(shí)保持另外兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)及風(fēng)扇其余結(jié)構(gòu)不變的情況下，研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吹風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速的影響規(guī)律。其中，吹風(fēng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速均為12000 rpm。建立不同軸距的風(fēng)機(jī)計(jì)算模型，對(duì)在相同工況下，不同風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行分析，得到風(fēng)機(jī)內(nèi)部及風(fēng)機(jī)周?chē)目諝馑俣葓?chǎng)和壓力流場(chǎng)分布情況，得到不同氣隙結(jié)構(gòu)對(duì)吹風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速的影響規(guī)律。

2.2.1 風(fēng)扇和馬達(dá)軸向距離影響

保持氣隙和風(fēng)筒長(zhǎng)度不變，選取不同的軸距如表2所示，建立不同軸距下風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)模型。不同軸距條件下吹風(fēng)機(jī)出口截面風(fēng)速分布情況如圖6所示。風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速最高的情況為軸距大小為2 mm的情況，軸距過(guò)大和過(guò)小均會(huì)降低風(fēng)機(jī)出口最高風(fēng)速和平均風(fēng)速的大小。

圖6 風(fēng)扇安裝軸距對(duì)吹風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速的影響

表2 不同馬達(dá)與風(fēng)扇葉間距模型參數(shù)

2.2.2 風(fēng)扇和風(fēng)筒之間間隙影響

保持軸距和風(fēng)筒長(zhǎng)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(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)模型。不同氣隙大小條件下吹風(fēng)機(jī)出口截面風(fēng)速分布情況如圖7所示。風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速最高的情況為氣隙大小為1.5 mm的情況，間隙過(guò)大和過(guò)小均會(huì)降低風(fēng)機(jī)出口最高風(fēng)速和平均風(fēng)速的大小。

圖7 吹風(fēng)機(jī)氣隙大小對(duì)出口風(fēng)速的影響

表3 不同氣隙間距吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.3 風(fēng)扇風(fēng)筒的軸向長(zhǎng)度影響

保持氣隙大小和風(fēng)筒長(zhǎng)度不變，選取不同的風(fēng)筒長(zhǎng)度如表4所示，建立不同風(fēng)筒長(zhǎng)度下風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)模型。不同風(fēng)筒長(zhǎng)度條件下吹風(fēng)機(jī)出口截面風(fēng)速分布情況如圖8所示。風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速最高的情況為風(fēng)筒軸向長(zhǎng)度大小為98.44 mm時(shí)，出口風(fēng)速和風(fēng)筒的長(zhǎng)度并不是線(xiàn)性關(guān)系。這主要由于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣流場(chǎng)并非單向的，而是類(lèi)似螺旋形分布的流場(chǎng)。

圖8 風(fēng)筒的軸向長(zhǎng)度對(duì)出口風(fēng)速的影響

表4 不同風(fēng)筒軸向長(zhǎng)度吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 吹風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了建立吹風(fēng)機(jī)性能的參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，需找到各影響因素的數(shù)值大小對(duì)吹風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速影響的定量關(guān)系。Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法可以通過(guò)多元二次方程的方式，反應(yīng)響應(yīng)值和試驗(yàn)各因素的函數(shù)關(guān)系，故采用響應(yīng)面法研究風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化數(shù)學(xué)模型。以軸距（D）、氣隙（G）、風(fēng)筒長(zhǎng)度（L）作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的三個(gè)因素。采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并在中心點(diǎn)處進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)，量化可能產(chǎn)生的偶然誤差。根據(jù)單因素分析的結(jié)果，選取各影響因素對(duì)風(fēng)扇性能影響較大的尺寸范圍。

設(shè)計(jì)影響因素取為：X = (x1x2x3)T= (GLD)T

設(shè)計(jì)變量為：y=V

變量和各因素之間的關(guān)系為：Ey=f(x1,x2,x3)

采用BOX設(shè)計(jì)（Box-Behnken設(shè)計(jì)）設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析試驗(yàn)，采用二次多項(xiàng)式回歸方法，得到數(shù)值擬合關(guān)系：

試驗(yàn)點(diǎn)（x11，…，xp1，y1），…，（x1n，…，xpn，yn）

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

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用通用中心組合設(shè)計(jì)方式得到，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)值選擇及根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)結(jié)構(gòu)建立的模型進(jìn)行仿真計(jì)算后得到的出口截面平均風(fēng)速值如表5所示。得到吹風(fēng)機(jī)內(nèi)部及其周?chē)諝馑俣葓?chǎng)分布情況如圖9所示，出口截面空氣速度場(chǎng)分布如圖10所示。

圖9 吹風(fēng)機(jī)內(nèi)部及周?chē)鲌?chǎng)速度云圖（中截面）

圖10 吹風(fēng)機(jī)出口截面流場(chǎng)速度云圖

表5 試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.2 擬合模型與分析

得到出口速度V的響應(yīng)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(fēng)機(jī)內(nèi)部風(fēng)扇葉和風(fēng)筒之間的間隙距離、L為風(fēng)筒的軸向長(zhǎng)度、D為風(fēng)扇和電機(jī)之間的距離。擬合得到的數(shù)值模型和實(shí)際值之間的偏差如圖11所示。

圖11 實(shí)際值和方程估計(jì)值

采用方差分析，排除隨機(jī)因素誤差，采用二次模型進(jìn)行方差分析的結(jié)果如表6所示，模型具有顯著性，失擬項(xiàng)不顯著。

表6 二次模型的方差分析

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗(yàn)證

為了最大程度增大吹風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速，建立的優(yōu)化模型如下：

設(shè)計(jì)變量：x1～x2

MaxV

s.t.ximin≤xi≤ximax(i=1,2,3)

式中：ximin～ximax為設(shè)計(jì)變量xi的上限和下限值；i=1,2,3。x1～x2分別表示吹風(fēng)機(jī)內(nèi)部風(fēng)扇葉和風(fēng)筒之間的間隙距離（G）、風(fēng)筒的軸向長(zhǎng)度（L）、風(fēng)扇和電機(jī)之間的距離（D）。

根據(jù)工藝及產(chǎn)品尺寸，設(shè)定參數(shù)范圍如下，在該范圍內(nèi)對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1≤D≤8；0.5≤G≤3；80≤L≤150

根據(jù)擬合關(guān)系，得到在此尺寸范圍內(nèi)吹風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速最大時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。計(jì)算得到在D=1 mm，G=2.5 mm，L=140 mm時(shí)，出口風(fēng)速最大，預(yù)測(cè)出口風(fēng)速為6.5 m/s。

對(duì)該參數(shù)下的吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模型，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的可靠性。計(jì)算得到風(fēng)扇內(nèi)部及其周?chē)鲌?chǎng)分布及吹風(fēng)機(jī)出口處速度場(chǎng)分布情況，如圖12、圖13和圖14所示。吹風(fēng)機(jī)出口處的風(fēng)速確有提高，最高風(fēng)速6 m/s，平均風(fēng)速5.4 m/s，較預(yù)測(cè)值略低，考慮到擬合關(guān)系式允許30%范圍內(nèi)的誤差，該尋優(yōu)結(jié)果有一定的參考意義，擬合關(guān)系式對(duì)風(fēng)機(jī)性能的預(yù)測(cè)有一定的參考價(jià)值，該優(yōu)化方法可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

吹風(fēng)機(jī)的性能受到多種因素的影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響吹風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速。本文對(duì)吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)出口風(fēng)速的影響規(guī)律進(jìn)行研究。主要得到以下結(jié)論：

（1）采用單因素分析法，在改變其中一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)為原結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)：風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速最高的情況為軸距大小為2 mm的情況，軸距過(guò)大和過(guò)小均會(huì)降低風(fēng)機(jī)出口最高風(fēng)速和平均風(fēng)速的大小。風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速最高的情況為氣隙大小為1.5 mm的情況，間隙過(guò)大和過(guò)小均會(huì)降低風(fēng)機(jī)出口最高風(fēng)速和平均風(fēng)速的大小。風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速最高的情況為風(fēng)筒軸向長(zhǎng)度大小為98.44 mm的情況，出口風(fēng)速和風(fēng)筒的長(zhǎng)度并不是線(xiàn)性關(guān)系。

圖12 風(fēng)扇內(nèi)部及周?chē)鲌?chǎng)速度云圖（中截面）

圖13 流場(chǎng)速度云圖（截面1）

圖14 出口截面流場(chǎng)速度云圖

（2）通過(guò)采用Box-Behnken方法設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析試驗(yàn)，通過(guò)仿真計(jì)算得到不同結(jié)構(gòu)的吹風(fēng)機(jī)的性能。采用二次多項(xiàng)式回歸方法，建立了風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化數(shù)值模型。采用擬合的模型，在一定的尺寸范圍內(nèi)，對(duì)最優(yōu)的吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到了出風(fēng)口風(fēng)速最高的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過(guò)數(shù)值仿真進(jìn)行了驗(yàn)證，證明該方法可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。