吸塵器用斜流風(fēng)機(jī)數(shù)值分析

甄長(zhǎng)文 周 洋 毛镮鐶 沈?qū)W君

（寧波富佳實(shí)業(yè)股份有限公司 余姚 315400）

引言

吸塵器電機(jī)作為吸塵器的心臟，其性能的優(yōu)劣對(duì)吸塵器產(chǎn)品質(zhì)量起至關(guān)重要的作用。目前國(guó)內(nèi)各大廠商中，使用最多的是離心葉輪風(fēng)機(jī)，其具有進(jìn)口風(fēng)量小，真空度高的優(yōu)點(diǎn)。隨著吸塵器電機(jī)功率的提高，葉輪的轉(zhuǎn)速逐漸增大，離心式葉輪風(fēng)機(jī)已經(jīng)不能滿足大風(fēng)量與高轉(zhuǎn)速吸塵器的要求，而斜流風(fēng)機(jī)具有風(fēng)量大、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿足實(shí)際工程中的需求，比如戴森吸塵器所使用的斜流風(fēng)機(jī)[1,2]與追覓吸塵器所使用的斜流風(fēng)機(jī)[3]，轉(zhuǎn)速都在120 000 rpm 以上，同時(shí)吸塵器的效率與噪音也很好。因此在吸塵器產(chǎn)品中，開(kāi)展斜流風(fēng)機(jī)的研究很有必要。

對(duì)于斜流風(fēng)機(jī)的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究。欒勇[4]以某工業(yè)斜流風(fēng)機(jī)作為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了后置導(dǎo)葉對(duì)斜流風(fēng)機(jī)空氣性能的影響，表明斜流風(fēng)機(jī)與后置導(dǎo)葉之間存在一個(gè)最優(yōu)距離，同時(shí)得到了最優(yōu)導(dǎo)葉數(shù)；韓潔婷[5]以某型單極斜流風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析與數(shù)值模型相結(jié)合的方法，研究導(dǎo)葉的傾斜角度對(duì)斜流風(fēng)機(jī)空氣性能的影響，表明導(dǎo)葉前傾能夠提升斜流風(fēng)機(jī)全流量區(qū)間的風(fēng)壓，后傾導(dǎo)葉的作用與前傾導(dǎo)葉相反；徐鵬等[6]基于CFD 方法，研究不同彎折角度對(duì)斜流風(fēng)機(jī)性能的影響，表明彎折角度對(duì)斜流風(fēng)機(jī)效率影響不大，彎折角過(guò)小將不利于葉片加載，彎折角過(guò)大則有利于高效工況區(qū)間的拓寬；Hee 等[7]基于數(shù)值方法研究應(yīng)用于吹風(fēng)機(jī)的斜流風(fēng)機(jī)，分析葉輪的葉尖間隙、葉片數(shù)量、葉片前緣角、葉片后緣角以及導(dǎo)葉的葉片前緣角、葉片后緣角斜流風(fēng)機(jī)性能的影響，結(jié)果表明，葉輪的葉尖間隙、葉片數(shù)量以及導(dǎo)葉的葉片后緣角是影響斜流風(fēng)機(jī)性能的主要因素；Fan Honggang 等[8]運(yùn)用數(shù)值試驗(yàn)與物模試驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過(guò)對(duì)多種參數(shù)進(jìn)行正交優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的斜流風(fēng)機(jī)效率與壓力均得到提高；陳鑫等[9]應(yīng)用數(shù)值方法，對(duì)一緊湊型兩級(jí)斜（混）流風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的斜流風(fēng)機(jī)能夠在不改變效率的前提下提高風(fēng)量。

上述學(xué)者對(duì)工業(yè)中斜流風(fēng)機(jī)的葉輪與導(dǎo)葉參數(shù)均進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)提高斜流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，但對(duì)于吸塵器中的斜流風(fēng)機(jī)的研究還未可見(jiàn)，因此本文以某型吸塵器電機(jī)中斜流風(fēng)機(jī)為模型，通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析斜流風(fēng)機(jī)的空氣特性，為高轉(zhuǎn)速吸塵器風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。

1 計(jì)算模型

本文以某型吸塵器電機(jī)中的風(fēng)機(jī)部分為研究對(duì)象，該型電機(jī)由電機(jī)組件與風(fēng)機(jī)組件構(gòu)成，風(fēng)機(jī)組件主要包含風(fēng)罩、葉輪以及導(dǎo)風(fēng)輪，風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 吸塵器電機(jī)結(jié)構(gòu)模型

1.1 物理模型

風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要包含風(fēng)罩、導(dǎo)風(fēng)輪以及葉輪，風(fēng)機(jī)具體參數(shù)如表1 所示。

表1 風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

圖2 為風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。為了能夠使計(jì)算穩(wěn)定，在進(jìn)口部分設(shè)置均壓箱，出口部分設(shè)置延長(zhǎng)段，葉輪的轉(zhuǎn)速為91 000 rpm。

圖2 斜流風(fēng)機(jī)計(jì)算模型

1.2 網(wǎng)格劃分設(shè)置

本文采用ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，運(yùn)用分段式網(wǎng)格的劃分方法，將風(fēng)機(jī)的計(jì)算域劃分為四個(gè)部分，分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這四個(gè)部分分別為均壓箱、旋轉(zhuǎn)域、靜止域以及出口延長(zhǎng)段，其中均壓箱、旋轉(zhuǎn)域、靜止域采用非結(jié)構(gòu)性四面體網(wǎng)格，出口延長(zhǎng)段部分采用結(jié)構(gòu)性六面體網(wǎng)格，各個(gè)部位的連接處采用interface 處理，此外每個(gè)部分的網(wǎng)格質(zhì)量均達(dá)到0.4 以上。如圖3 所示。

圖3 各區(qū)域網(wǎng)格劃分方法

2 數(shù)值方法及設(shè)置

2.1 數(shù)值方法

文章采用常見(jiàn)的CFD 軟件進(jìn)行斜流風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算。由于RNG k-ε 湍流模型能夠很好地預(yù)報(bào)旋流[10]，故采用RNG k-ε 湍流模型來(lái)求解三維定常雷諾平均Navier–Stokes 方程，速度壓力耦合方式選用SIMPLE，壓力方程格式離散式采用PRESTO，動(dòng)量方程與湍流方程均采用一階迎風(fēng)格式。

2.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)2.1 的數(shù)值方法，邊界條件如表2 所示。

表2 邊界條件設(shè)置

2.3 數(shù)值驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值方法的準(zhǔn)確性，本文將模型電機(jī)實(shí)物全部做加工并組裝而成。根據(jù)國(guó)標(biāo)的方法，吸塵器電機(jī)性能的測(cè)試方法采用孔板法[11]，測(cè)試設(shè)備如圖4 所示。在相同轉(zhuǎn)速下，通過(guò)測(cè)試裝備得到各個(gè)孔點(diǎn)下風(fēng)量與真空度的數(shù)值及其變化關(guān)系，結(jié)果如圖5 所示。

圖4 吸塵器電風(fēng)機(jī)空氣性能測(cè)試設(shè)備

圖5 試驗(yàn)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)圖5 可以看出，數(shù)值結(jié)果的風(fēng)量、真空度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的風(fēng)量、真空度變化趨勢(shì)一致，但在孔徑為50.8 mm 時(shí)，數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在較大的差異，這是因?yàn)樵囼?yàn)結(jié)果包含電機(jī)到風(fēng)機(jī)的效率，而數(shù)值結(jié)果僅是風(fēng)機(jī)的效率，因此存在較大誤差，其他孔徑下風(fēng)量與真空度的數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差保持在9 %以內(nèi)，證明數(shù)值方法是可靠的，可以用來(lái)進(jìn)行下一步的研究。

3 結(jié)果分析

3.1 子午面速度分析

由圖6 可以看出，隨著進(jìn)風(fēng)口孔徑的減小，風(fēng)機(jī)的吸入風(fēng)量在減小，同時(shí)內(nèi)部的空氣流速也在減小，風(fēng)機(jī)真空度在逐漸增大。這是因?yàn)樵诳讖捷^大時(shí)，相同轉(zhuǎn)速下，風(fēng)機(jī)能夠從外界吸入更多的風(fēng)量，同時(shí)，風(fēng)機(jī)吸入的空氣經(jīng)過(guò)葉輪后，能獲得更大的動(dòng)能，因此，在孔徑較大時(shí)，風(fēng)機(jī)吸入的風(fēng)量大，風(fēng)機(jī)中的空氣獲得的動(dòng)能更多，流速也會(huì)更大；而隨著孔徑減小，風(fēng)機(jī)吸入的風(fēng)量也在減小，風(fēng)機(jī)中空氣獲得的動(dòng)能減小，內(nèi)部流速也會(huì)跟著減小。風(fēng)量小，意味著風(fēng)機(jī)抽真空的速度越快，因此風(fēng)機(jī)的風(fēng)量減小，其真空度在增加。

圖6 子午面YZ 截面速度云圖

3.2 子午面壓力分析

圖7 是各個(gè)孔徑下子午面壓力變化分布，可以看出，整個(gè)區(qū)域可以分為三個(gè)部分，第一個(gè)部分是葉輪的進(jìn)風(fēng)口及延長(zhǎng)部分，這部分的壓力一般是負(fù)壓力，第二部分是葉輪與導(dǎo)風(fēng)輪區(qū)域，這部分的壓力既存在正壓也存在負(fù)壓，第三部分是導(dǎo)風(fēng)輪之后的區(qū)域，是正壓。從圖六可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口孔徑在50.8 mm 時(shí)，第一區(qū)域內(nèi)的壓力為負(fù)壓力，第二區(qū)域內(nèi)既存在正壓也存在負(fù)壓，第三區(qū)域只存在正壓；當(dāng)進(jìn)風(fēng)口孔徑為15.875 mm、12.7 mm 以及9.525 mm 時(shí)，第一區(qū)域內(nèi)的壓力為負(fù)壓力，且隨著孔徑的減小，負(fù)壓力在一直增大，第二區(qū)域內(nèi)只存在負(fù)壓力，且負(fù)壓力的最大值存在于第二區(qū)域及第一區(qū)域與第二區(qū)域交界處，即葉輪進(jìn)風(fēng)口處，第三區(qū)域內(nèi)只存在正壓。這是因?yàn)殡S著孔徑的減小，風(fēng)機(jī)吸入的風(fēng)量也越來(lái)越少，而葉輪的轉(zhuǎn)速一直保持一個(gè)恒定的速度在持續(xù)的運(yùn)行，使得葉輪進(jìn)風(fēng)口處的負(fù)壓也越來(lái)越大，這也是吸塵器的工作原理。隨著空氣進(jìn)入葉輪區(qū)域空氣被加速，獲得更大動(dòng)能，使得葉輪進(jìn)風(fēng)口處的空氣被吸入葉輪區(qū)域，同時(shí)葉輪前段的面積要大于后半段的面積，因此在進(jìn)風(fēng)口孔徑為15.875 mm 時(shí)，負(fù)壓的最大值存在于第二區(qū)域內(nèi)。

圖7 各孔徑下YZ 截面壓力云圖

3.3 風(fēng)機(jī)空氣性能特性分析

為了研究該風(fēng)機(jī)空氣性能，通過(guò)數(shù)值模擬，得到風(fēng)機(jī)P-Q 曲線圖，同時(shí)根據(jù)公式（1）、（2）和（3），可以計(jì)算出風(fēng)機(jī)的吸入功率與輸出功率以及風(fēng)機(jī)的效率。

式中：

P—葉輪入口處風(fēng)壓，也叫真空度，Pa；

Q—風(fēng)機(jī)吸入的風(fēng)量，m3/s；

N—葉輪轉(zhuǎn)速，rpm；

T—葉輪扭矩，N·m；

η—風(fēng)機(jī)效率，%。

根據(jù)上述公式，可以計(jì)算出風(fēng)機(jī)的效率，如圖8 所示。從圖可以看出，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相一致，也比較吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值方法的準(zhǔn)確性。同時(shí)還可以看出，風(fēng)量與真空度呈相反關(guān)系，效率則呈現(xiàn)先緩慢增大后迅速減小的趨勢(shì)，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口孔徑為12.7 mm 時(shí)，此時(shí)風(fēng)機(jī)吸入風(fēng)量為10.75 L/min，風(fēng)機(jī)的效率達(dá)到最大值。這是因?yàn)檫M(jìn)出口孔徑的減小，風(fēng)機(jī)吸入風(fēng)量也越來(lái)越小，但風(fēng)機(jī)的真空度在迅速增大，但風(fēng)量下降的趨勢(shì)要較真空度增長(zhǎng)趨勢(shì)慢，因此在孔徑為12.7 mm 時(shí)，風(fēng)機(jī)的效率達(dá)到最大；由于孔徑減小，風(fēng)機(jī)吸入的風(fēng)量也在減小，真空度也在增大，但此時(shí)風(fēng)機(jī)吸入量減小的速率要大于真空度增大的速率，因此風(fēng)機(jī)效率在緩慢減小。

圖8 吸塵器斜流風(fēng)機(jī)空氣性能特性曲線

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了某型吸塵器風(fēng)機(jī)空氣性能特性，得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)子午面壓力進(jìn)行分析，得到風(fēng)機(jī)負(fù)壓力最大區(qū)域存在于葉輪進(jìn)口部分與葉輪內(nèi)部區(qū)域；

2）通過(guò)對(duì)吸塵器風(fēng)機(jī)空氣性能進(jìn)行分析，風(fēng)機(jī)吸入的風(fēng)量與真空度呈相反關(guān)系，隨著風(fēng)量的增加，風(fēng)機(jī)效率先增大后減小，在進(jìn)風(fēng)口孔徑為12.7 mm 時(shí)，此時(shí)風(fēng)機(jī)吸入風(fēng)量為10.75 L/min，風(fēng)機(jī)的效率達(dá)到最大。