高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱循環(huán)風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳昊,龍鐵明，藍(lán)文清

（1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，西安 710000；2.廣東瑪澳環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備科技有限公司，東莞 523000）

引言

循環(huán)風(fēng)機(jī)是溫度試驗(yàn)箱中對流換熱的關(guān)鍵設(shè)備，對蒸發(fā)器的運(yùn)行工況及溫度均勻性均有較大影響，一般以多翼離心風(fēng)機(jī)或軸流風(fēng)扇為主。相較于一般空調(diào)用循環(huán)風(fēng)機(jī)，環(huán)境試驗(yàn)箱用風(fēng)機(jī)要求溫度適應(yīng)范圍廣（（-70～150）℃）；靜壓高（內(nèi)箱部件形狀復(fù)雜，數(shù)量位置不一，蒸發(fā)器管排數(shù)多，翅片形狀復(fù)雜）；風(fēng)量高（溫度均勻性要求）；效率高（風(fēng)機(jī)發(fā)熱量小）；但由于風(fēng)機(jī)處于箱體密閉空間的工作環(huán)境中，對噪音要求相對不高。

國內(nèi)絕大多數(shù)環(huán)試設(shè)備廠家一般外購成品葉輪搭配自制蝸殼，由于蝸殼非標(biāo)，因此造成風(fēng)機(jī)廠家提供的性能曲線不再適用。由于缺乏相關(guān)的風(fēng)機(jī)選型及設(shè)計(jì)概念，造成在行業(yè)中對于風(fēng)機(jī)選型基本依賴工程經(jīng)驗(yàn)或盲目試錯狀態(tài)，尤其是在大型非標(biāo)環(huán)境試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常遇到壓頭不足造成的蒸發(fā)器換熱風(fēng)量不足，效率低下造成的發(fā)熱及電機(jī)壽命縮短等問題。

在國內(nèi)多翼離心風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，西安交通大學(xué)劉小民教授課題組針對多翼離心風(fēng)機(jī)的高效低噪優(yōu)化開展了大量研究，主要包括多翼離心風(fēng)機(jī)的參數(shù)化優(yōu)化[1,2]，基于仿生葉片的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化[3-5]等。諸永定[6]基于Kriging代理模型及遺傳算法，針對抽油煙機(jī)用多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果顯示風(fēng)量提升4.4 %，效率由20.15 %提升至21.73 %，所采用的方法可以顯著減少CFD的優(yōu)化迭代次數(shù)。針對以上總結(jié)，可見國內(nèi)對于多翼離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要以常規(guī)家電為主，針對環(huán)境試驗(yàn)箱所用多翼離心風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)尚缺乏針對性研究。

在針對環(huán)境試驗(yàn)箱的氣流組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究方面，吳昊[7]以36 L的高低溫試驗(yàn)箱出回風(fēng)口結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以箱體邊角處12點(diǎn)位置與箱體中心處溫差的加權(quán)平均作為優(yōu)化目標(biāo)，基于Kriging代理模型及粒子群算法進(jìn)行參數(shù)化全局尋優(yōu)，優(yōu)化結(jié)果顯示多點(diǎn)與箱體中心的平均溫差下降了15.5 %，顯著提升了溫度均勻度。

本文針對環(huán)境試驗(yàn)箱用多翼離心風(fēng)機(jī)，基于代理模型優(yōu)化及CFD數(shù)值計(jì)算，對蝸殼及葉輪的16個結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)全局優(yōu)化設(shè)計(jì)，使風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量提升24.71 %，最大靜壓差提升了14.63 %并顯著拓寬了風(fēng)機(jī)高效區(qū)的范圍。基于蒸發(fā)器仿真，將原始風(fēng)機(jī)及優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)對不同翅片類型的蒸發(fā)器循環(huán)風(fēng)量進(jìn)行比較，證明所優(yōu)化的風(fēng)機(jī)在搭配多種類型的蒸發(fā)器翅片時，風(fēng)量及效率均有大幅度提升，所采用的方法也為環(huán)境試驗(yàn)箱的風(fēng)量設(shè)計(jì)匹配提供了參考。

1 研究背景介紹

本文研究背景為1 000 L高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1中的原始風(fēng)機(jī)方案，為2臺多翼離心風(fēng)機(jī)，其中每臺葉輪外徑為202 mm，其葉片為均等厚度1 mm的圓柱形前彎葉型，葉片46枚，葉輪軸向長度97.6 mm，對其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，控制參數(shù)共16個，蝸殼部分6個，葉輪部分9個，軸向長度為葉輪蝸殼共同設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)參數(shù)如圖2所示。

圖1 研究對象的結(jié)構(gòu)示意

對圖2中的風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維建模，流動域采用多面體面網(wǎng)格+結(jié)構(gòu)化核心網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格單元總數(shù)量：2 324 355，如圖3所示。

圖2 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)化

采用56核的DELL塔式服務(wù)器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算，CPU型號為Intel Xeon Gold 6238R。空氣熱物性采用理想氣體模型，湍流模型采用k-w SST兩方程模型，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系及凍結(jié)轉(zhuǎn)子法進(jìn)行交界面處理，葉輪轉(zhuǎn)速1 400 r/min，設(shè)置空氣進(jìn)出口溫度為203.15 K。采用壓力進(jìn)出口邊界條件，給定不同進(jìn)口質(zhì)量流量，可得風(fēng)機(jī)性能曲線如圖4所示。

由圖4可見，風(fēng)機(jī)最大靜壓差413.25 Pa，最高效率接近70 %，其中效率計(jì)算方法為：

圖4 風(fēng)機(jī)的性能曲線

其中：

P—靜壓差（Pa）；

Q—體積流量（m3/h）；

τ—全流場扭矩（N-m）；

n—轉(zhuǎn)速（rpm）。

根據(jù)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行規(guī)則，可得原設(shè)計(jì)中1 000 L的試驗(yàn)箱中2臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)時風(fēng)量翻倍，壓頭保持不變。

2 風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況的確定

考慮測試區(qū)空載情況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況，此時流動損失主要產(chǎn)生在蒸發(fā)器部位，對全箱體流動域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD計(jì)算。其中蒸發(fā)器為叉排9排8只，有效長度830 mm，翅片采用平板翅片，片距4 mm，全箱體流動域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)10 078 533，蒸發(fā)器部位截面網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 蒸發(fā)器截面網(wǎng)格示意

經(jīng)過計(jì)算收斂性對比測試，湍流模型采用Spalart-Allmaras一方程模型，流場初始溫度203.15 K，可得蒸發(fā)器外流域中間截面壓差及速度分布如圖6所示。

由圖6可見，203.15 K時，蒸發(fā)器迎面風(fēng)速（2.77～3.08）m/s，空氣側(cè)壓降（264～267）Pa。為驗(yàn)證CFD計(jì)算結(jié)果，對圖6中的運(yùn)行工況采用ColiDesigner換熱器仿真軟件對蒸發(fā)器外空氣側(cè)流動進(jìn)行計(jì)算，其中空氣側(cè)壓降關(guān)聯(lián)式細(xì)節(jié)可參閱文獻(xiàn)[8]，可得如表1所示的蒸發(fā)器仿真結(jié)果。

圖6 蒸發(fā)器空氣側(cè)流場分布

由表1可見，CoilDesigner結(jié)果迎面風(fēng)速同CFD計(jì)算偏差為（-4.41～6.10）%，壓降偏差為（-0.09～-1.14）%，可見二者結(jié)果非常接近，因此可由CoilDesigner軟件確定蒸發(fā)器PQ曲線。由蒸發(fā)器PQ曲線及風(fēng)機(jī)PQ曲線可確定風(fēng)機(jī)交點(diǎn)工況如圖7所示。

表1 CoilDesigner蒸發(fā)器仿真結(jié)果

圖7中風(fēng)機(jī)交點(diǎn)工況對比如表2所示。

圖7 風(fēng)機(jī)交點(diǎn)工況的確定

由表2可見，搭配正弦波紋鋁翅片蒸發(fā)器時，由于翅片造成的流動損失較大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)風(fēng)量減小，但運(yùn)行工況效率較高，風(fēng)機(jī)發(fā)熱量較小。

表2 搭配不同蒸發(fā)器時的風(fēng)機(jī)工況

3 溫度均勻性驗(yàn)證

對203.15 K時的全箱體溫度分布進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD計(jì)算，其中箱體內(nèi)壁鋼板厚度1 mm，隔熱材料采用聚氨酯發(fā)泡，厚度100 mm，導(dǎo)熱系數(shù)0.04 W/m*K，溫度監(jiān)控點(diǎn)分布已在圖1中標(biāo)出，其中每個監(jiān)控點(diǎn)距離相鄰邊界20 mm，溫度場（-60～ -70）℃如圖8所示。

由圖8可見，所采用的CFD方法可以良好捕捉箱體內(nèi)壁，隔熱層，邊界層的溫度梯度，這些細(xì)節(jié)也可以基于非穩(wěn)態(tài)對流傳熱，用于精確計(jì)算箱體冷負(fù)荷[9]。其中箱體近壁面下方會存在一個較明顯的局部高溫區(qū)，這主要是由于渦的存在所引起，減少渦有利于提升溫度均勻性。溫度場監(jiān)控點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 全箱體流動域溫度分布

圖9中對應(yīng)位置實(shí)測的結(jié)果與CFD結(jié)果對比如表3所示，實(shí)測中多出的1點(diǎn)為出風(fēng)口溫度。

圖9 溫度監(jiān)控點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)

由表3的結(jié)果來看，CFD結(jié)果較實(shí)測溫度偏高（0.39～0.83）℃，這可能是由于CFD計(jì)算對于一些工程細(xì)節(jié)無法完全還原的原因。

表3 CFD溫度與實(shí)測溫度對比

4 風(fēng)機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由以上的內(nèi)容分析可見，原始風(fēng)機(jī)方案已經(jīng)可以滿足溫度均勻及循環(huán)風(fēng)量的需求，但用于一些非標(biāo)箱的設(shè)計(jì)中時，風(fēng)機(jī)可能面臨著風(fēng)量不足的問題，例如增加蒸發(fā)器管排數(shù)及翅片數(shù)時，測試區(qū)產(chǎn)品數(shù)量眾多發(fā)熱量大且排布復(fù)雜時，較大的流動損失會造成氣流循環(huán)困難。雖然采用更大尺寸的葉輪及蝸殼能夠提升風(fēng)量，但風(fēng)機(jī)的效率無法得到保證，由此造成的風(fēng)機(jī)發(fā)熱無法避免。希望優(yōu)化設(shè)計(jì)提升風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、壓頭、效率以滿足更加復(fù)雜的需求。

同一般風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的情形不同的是，在一般家用電器中，由于搭配的元件都是固定的，因此風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況也是固定的，優(yōu)化設(shè)計(jì)也只是針對某一單一工況點(diǎn)。但是在環(huán)境試驗(yàn)箱中,隨著測試條件的改變，風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況也是不確定的，因此在提升風(fēng)量及風(fēng)壓的基礎(chǔ)上，希望風(fēng)機(jī)在整個工況區(qū)都具有較高的效率，全工況區(qū)的效率提升也是一般葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題。基于此問題，本研究提出一種基于小樣本機(jī)器學(xué)習(xí)代理模型的多目標(biāo)優(yōu)化算法，針對如圖2所示的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu)，對優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)進(jìn)行CFD計(jì)算，可得2臺并聯(lián)時，不同葉輪蝸殼搭配不同蒸發(fā)器方案的性能對比如圖10所示。

由圖10的優(yōu)化結(jié)果可見，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)較原始風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、靜壓差、均有較大幅度提升，其中最大質(zhì)量流量提升24.71 %，對應(yīng)效率提升了3.69 %，最大靜壓差提升14.63 %。根據(jù)一般環(huán)試設(shè)備廠家的設(shè)計(jì)人員水平，可能完全不具有風(fēng)機(jī)氣動優(yōu)化能力，所謂的優(yōu)化蝸殼也只是單純的放大尺寸。因此在此對原始葉輪搭配尺寸優(yōu)化放大的蝸殼進(jìn)行了展示，可見原始葉輪搭配放大后的蝸殼雖然能夠提升部分風(fēng)量，但是風(fēng)機(jī)壓頭及效率會嚴(yán)重下降，由此造成的風(fēng)機(jī)發(fā)熱問題將更加顯著。圖11展示了優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)的效率對比。

圖10 搭配不同蒸發(fā)器時風(fēng)機(jī)工況

如圖11所示，雖然風(fēng)機(jī)最高點(diǎn)效率有所下降，但整個工況區(qū)域上效率提升明顯。搭配不同翅片時風(fēng)機(jī)性能對比如表4所示。

表4 優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)性能對比

圖11 優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)效率對比

可見優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)搭配不同蒸發(fā)器翅片時的風(fēng)量提升（18.57～25.26）%，工況效率提升（6.29～8.18）%，因此風(fēng)機(jī)的發(fā)熱量將顯著下降，制冷過程中的降溫速率將明顯增大。

5 結(jié)論

本文針對環(huán)境試驗(yàn)箱箱中的多翼離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化及對箱體性能影響展開研究，基于CFD數(shù)值模擬，對原方案采用的風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模仿真并獲得了性能曲線，根據(jù)換熱器仿真軟件確定了不同翅片類型的蒸發(fā)器靜壓流量曲線，由風(fēng)機(jī)及蒸發(fā)器性能曲線確定了風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)。對203.15 K時箱體內(nèi)的多點(diǎn)溫度分布進(jìn)行實(shí)測，同CFD結(jié)果對比表明，CFD仿真數(shù)據(jù)的誤差在1 ℃以內(nèi)。對蝸殼及葉輪的16個結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)全局優(yōu)化，使風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量提升24.71 %，最大靜壓差提升了14.63 %，顯著拓寬了風(fēng)機(jī)高效區(qū)的范圍，搭配不同類型翅片蒸發(fā)器時，風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況的風(fēng)量及效率均有顯著提升，所采用的方法為環(huán)境試驗(yàn)箱的風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及風(fēng)量匹配提供了參考。