CN109441878A - 一种吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法 - Google Patents

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李耀
司海青
田书玲
汪海波
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沈盈盈
宗奕彤
程晓辉
姜乃琪
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Abstract

本发明公开了一种吸尘器用离心风机气动性能的优化方法，根据吸尘器风机相关参数建立准确的计算模型，计算各个工况下的CFD仿真结果，并进行分析优化。本发明的计算模型更符合实际条件，使得计算结果更加准确。风机运行中的高速旋转状态采用MRF模型进行计算，降低了计算成本，缩短了计算时间。针对各个工况进行了计算，并将计算结果与实验就过进行对比，验证了本发明方法的可靠性。本发明的方法可直接服务于吸尘器风机的性能计算和产品设计，能降低实验成本，更高效地获得优化结果。

Description

一种吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法
技术领域
本发明涉及离心风机的优化设计领域，具体涉及一种吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法。
背景技术
随着社会的发展和时代的变迁，离心式风机作为各式各样风机中使用频次最高的种类，已经大量应用于生产、工业以及生活等各个领域。其中，小型离心式风机被广泛应用于家用吸尘器中。但是吸尘器风机一般存在噪声大、性能低的问题，因此，改进吸尘器所使用的小型离心式风机，提高风机的工作效率，对节约能源和资源配置有着非常重要的意义。
传统的方法由于受到计算机软硬件的限制，风机的设计与优化主要依赖实验手段进行，此方法的弊端在于难以准确描述风机内部流动近况，以至于优化后的风机可靠性差、性价比低，想要得到风机的具体性能需要很长的实验周期。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法，不仅可以揭示风机内部的流动情况，还能对风机进行一系列的优化处理，可以在很短时间内对风机进行优化处理，并取得好的效果。
一种吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法，包括以下步骤：
步骤1，建立离心风机初始模型；
步骤2，生成对应的计算网格；
步骤3，根据实际情况设置相应的边界条件和计算方法；
步骤4，根据不同工况设置不同转速以及对应的入口流量，将CFD仿真计算得到的结果与实验数据进行对比，验证计算方法的可靠性；
步骤5，对风机相关结构参数进行优化设计，使得离心风机获得最佳的工作环境。
作为改进的是，步骤1所述风机初始模型包括风机进风管、叶轮罩、动叶轮、定叶轮、电机、电机支架、机壳、风机出风口；所述风机进风管焊接于叶轮罩的风口处，定叶轮和电机支架通过螺栓贯穿固定在所述机壳端部的法兰上，所述叶轮罩安装在机壳端部的法兰边缘上，所述电机位于机壳内，悬挂于电机支架上，电机轴承穿过电机支架的中心孔以及定叶轮的中心孔并连接于动叶轮，对电机进行模型简化，保留外观特征，取电机的最大覆盖表面来表征电机对流动的影响，所述动叶轮位于叶轮罩与定叶轮之间的空腔中，动叶轮与定叶轮之间设有用于减小摩擦的垫片。
进一步改进的是，所述风机长度至少为进风管（1）入口直径的3倍，所述风机出风口（8）位于机壳（7）底部，是若干均匀分布的开孔。
作为改进的是，步骤2所述网格为自动生成的非结构四面体网格，并在动叶轮、定叶轮附近流动区域进行局部网格加密；所述网格由Body1、Body2、Body3三个Body生成，所述Body1生成的网格位于风机进风管，所述Body2生成的网格位于动叶轮内部，所述Body3生成的网格位于动叶轮与叶轮罩形成的空腔流域、以及电机与机壳形成的空腔流域。
进一步改进的是，为更好模拟边界层效应，提高正交性，风机进风管可采用棱柱边界层网格进行划分。
作为改进的是，步骤3中所述边界条件包括面边界条件和域边界条件，所述面边界条件包括壁面边界条件和进出口边界条件，所述域边界条件包括静止域边界条件和旋转域边界条件，所述壁面边界条件包括叶轮罩、机壳、定叶轮、电机、电机支架各表面形成的一般静止壁面，以及动叶轮表面形成的旋转壁面，所述进出口边界条件包括入口边界条件和出口边界条件，入口边界条件采用质量入口，具体数值根据实际情况进行设置，出口边界条件采用压力出口，表压为0，所述旋转壁面和旋转域采用MRF模型，风机中心轴为旋转轴，旋转速度根据实际情况进行设置。
作为改进的是，步骤4中所述工况为不同风机入口直径对应的不同入口流量，所述计算结果包括风机静压和效率，所述验证将CFD仿真计算得到的不同工况下风机静压和效率与实验测得相应工况下的结果进行对比；所述计算方法根据实际情况进行设置，吸尘器离心风机内部流场模拟采用压力基隐式求解器，计算基于三维雷诺时均Navier-Stokers方程；湍流模型选用RNG k-ε两方程模型，该模型适用于非设计工况且能较好地模拟分离流动；近壁面处理采用标准壁面函数，压力—速度耦合采用Coupled算法，压力离散方案采用PRESTO!，湍流动能方程：
湍流耗散项：
；
动量方程：
；
其中，其中，ρ为密度，t为时间，x i(j) 表示坐标位置，u i(j) 为对应位置上的速度，p为流体压力，μ为粘性系数，c 1、c 2为K方程的湍流普朗特数，σ k 表示K方程的湍流普朗特数（无因次数），σ ɛ 表示ɛ方程的湍流普朗特数（无因次数）。
其离散均采用三阶MUSUL格式，由于吸尘器离心风机属于旋转机械，故对动叶轮采用旋转坐标，其余部分采用静止坐标，旋转动叶轮和静止区域之间的耦合采用MRF模型
作为改进的是，所述风机入口直径为16mm；所述效率计算公式为：其中η表示效率，%，Q表示流量，L/S，H表示真空度，Kpa，P1表示输入功率，W。
作为改进的是，步骤5所述相关结构参数优化为叶轮罩结构参数优化和动叶轮结构参数优化。
进一步改进的是，所述的叶轮罩结构参数的优化是将叶轮罩的顶面边缘设计成凹面，凹面深度等于定叶轮到叶轮罩顶面的距离，凹面宽度等于定叶轮叶片径向长度。
进一步改进的是，所述的动叶轮结构参数的优化为保证动叶轮叶片的出口与入口份安装角不变，取长度为叶片原长的3/4的叶片安装于原叶片之间，短叶片与长叶片叶尖位于同一圆周上。
有益效果：
与现有技术相比，本发明提供了一种吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法，一种基于连续方程、动量方程及能量方程的先进的流体力学数值模拟方法，在模拟得到气流在风机内部的流动情况以及做结构优化的过程中，具有实验周期短、成本低等突出优势；
本发明采用的模型更完整，计算方法更合理，边界条件设置更符合实际情况，确保计算结果更接近于真实情况，并且将数值模拟的结果与实验测量结果进行比较，验证了模拟实验的可靠性；最后将优化后的模型与原模型进行比较，验证了优化设计的有效性。
附图说明
图1是本发明方法的实施流程图；
图2是吸尘器的离心风机优化前三维模型示意图，其中，风机进风管1、叶轮罩2、动叶轮3、定叶轮4、电机5、电机支架6、机壳7、风机出风口8；
图3是吸尘器的离心风机的三维网格划分示意图；
图4是模拟计算结果与实验测量值的对比图；
图5是优化前后叶轮罩三维模型示意图，其中图a为优化前叶轮罩三维模型示意图，图b为优化后叶轮罩三维模型示意图；
图6是叶轮罩优化前后性能对比图；
图7是优化前后动叶轮三维模型示意图，其中图a为优化前动叶轮三维模型示意图，图b为优化后动叶轮三维模型示意图；
图8是动叶轮优化前后性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。
实施例1 对一种吸尘器用离心风机气动性能进行计算并优化设计
如图1，是本发明方法的实施流程图，包括以下步骤：步骤1，建立离心风机初始模型；步骤2，生成对应的计算网格；步骤3，根据实际情况设置相应的边界条件和计算方法；步骤4，根据不同工况设置不同转速以及对应的入口流量，将计算得到的结果与实验数据进行对比，验证计算方法的可靠性；步骤5，对风机相关参数进行优化设计。
实施例2 对一种吸尘器用离心风机进行建模
如图2，是吸尘器离心风机优化前三维模型示意图，优化前模型包括风机进风管1、叶轮罩2、动叶轮3、定叶轮4、电机5、电机支架6、机壳7、风机出风口8，所述风机进风管长度至少是风机入口直径的3倍，风机进风管与叶轮罩相连，所述机壳顶端有向外延伸的部分，用来固定定叶轮与电机支架两端，延伸部分长度与定叶轮叶片径向长度相等，所述叶轮罩与机壳相连，所述动叶轮位于叶轮罩与定叶轮形成的空腔中，所述电机位于机壳内，固定于电机支架，电机转轴与动叶轮相连，对电机进行模型简化，保留外观特征，取电机的最大覆盖表面来表征电机对流动的影响，所述风机出风口位于机壳底部，是若干均匀分布的开孔。
实施例3 对一种吸尘器用离心风进行三维网格划分
如图3，是吸尘器离心风机的三维网格划分示意图，所述网格为自动生成的非结构四面体网格，并在动叶轮、定叶轮等复杂流动区域进行局部网格加密，网格由Body1、Body2、Body3三个Body生成，所述Body1生成的网格位于风机进风管，所述Body2位于动叶轮内部，所述Body3为其它流域，包括动叶轮与叶轮罩形成的空腔以及电机与机壳形成的空腔，所述网格为更好模拟边界层效应，提高正交性，风机进风管以及风机出风口可采用棱柱边界层网格进行划分。
实施例4 对一种吸尘器用离心风的仿真计算结果进行验证
所述验证过程是将CFD计算得到的不同工况下风机静压、流量和效率与实验测得相应工况下的结果进行对比，所述风机静压、流量和效率为风机入口处测得的结果，所述工况为不同风机入口直径以及流量大小，如图4，是模拟计算结果与实验测量值的对比图，其中实线表示实验测得的结果，虚线表示仿真计算得到的结果，不同线标表示不同物理量，分别为计算得静压、计算得效率、实验测静压、实验测效率和输入功率，由图可知，在相同的输入功率下，仿真计算得到的结果略微大于实验测得的结果，主要原因可能是计算没有考虑实际风机制成材料的摩擦阻力以及风机各部件的连接件的影响，计算后效率相差最大值约为3%，误差为5.45%，整体拟合度较高，说明仿真计算的结果具有较高的可靠度，可以作为预测离心风机的静压以及效率的方法。
实施例5 对一种吸尘器用离心风的叶轮罩进行优化
如图5，是优化前后叶轮罩三维模型示意图，其中图5(a)为优化前叶轮罩三维模型示意图，优化前叶轮罩罩面平滑，通过计算发现，叶轮罩与定叶轮叶片会有较大空隙，导致动叶轮甩出的气流一部分直接从定叶轮叶片上端逃逸，能量损失较大，降低了吸尘器风机的效率，其效率与静压如图6中实线所示，图5(b)为优化后叶轮罩三维模型示意图，优化后叶轮罩顶面边缘设计成凹面，凹面深度等于定叶轮到叶轮罩顶面的距离，凹面宽度等于定叶轮叶片径向长度，此设计在保持原动叶轮空腔大小不变的情况下，减小了叶轮罩与定叶轮叶片之间的空隙，引导气流通过导风轮叶片间的风道进入风机内部，减小了导风轮处由于气体的分流造成的能量损失，优化后静压与效率如图6中虚线所示，静压和效率明显提高。
实施例6 对一种吸尘器用离心风的动叶轮进行优化
如图7，是优化前后动叶轮三维模型示意图，其中图a为优化前动叶轮三维模型示意图，为后向型8叶片设计，图b为优化后动叶轮三维模型示意图，在保持原动叶轮叶片出、入口安装角不变的基础上，取叶片原长度的3/4，安装于相邻叶片之间，短叶片与长叶片叶尖位于同一圆周上，长短叶片的设置起分流作用，能有效分配流道气体流量及叶片气动载荷，改善叶轮出口的流动均匀性，提高离心叶轮的增压能力及稳定运行范围，动叶轮优化前后静压及效率如图8所示，是动叶轮优化前后性能对比图，其中实线表示优化前的计算结果，虚线表示优化后得到的结果，不同线标表示不同物理量，分别为优化前静压、优化前效率、优化后静压、优化后效率和输入功率，由图可知，在相同的输入功率下，相比叶轮罩的优化，动叶轮的优化设计对风机整体性能的提高更为明显。
仅以结合数据，给予说明，说明优化的结果。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立离心风机初始模型；步骤2，生成对应的计算网格；步骤3，根据实际情况设置相应的边界条件和计算方法；步骤4，根据不同工况设置不同转速以及对应的入口流量，将CFD仿真计算得到的结果与实验数据进行对比，验证计算方法的可靠性；步骤5，对风机相关结构参数进行优化设计。
2.根据权利要求1所述的吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法，其特征在于，步骤1所述风机初始模型包括风机进风管（1）、叶轮罩（2）、动叶轮（3）、定叶轮（4）、电机（5）、电机支架（6）、机壳（7）、风机出风口（8）；所述风机进风管（1）焊接于叶轮罩（2）的风口处，定叶轮（4）和电机支架（6）通过螺栓贯穿固定在所述机壳（7）端部的法兰上，所述叶轮罩（2）安装在机壳（7）端部的法兰边缘上，所述电机（5）位于机壳（7）内，悬挂于电机支架（6）上，电机（5）轴承穿过电机支架（6）的中心孔以及定叶轮（4）的中心孔并连接于动叶轮（3），对电机（5）进行模型简化，保留外观特征，取电机（5）的最大覆盖表面来表征电机（5）对流动的影响，所述动叶轮（3）位于叶轮罩（2）与定叶轮（4）之间的空腔中，动叶轮（3）与定叶轮（4）之间设有用于减小摩擦的垫片。
3.根据权利要求2所述的吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法，其特征在于，所述风机长度至少为进风管（1）入口直径的3倍，所述风机出风口（8）位于机壳（7）底部，是若干均匀分布的开孔。
4.根据权利要求1所述的吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法，其特征在于，步骤2所述网格为自动生成的非结构四面体网格，并在动叶轮、定叶轮附近流动区域进行局部网格加密；所述网格由Body1、Body2、Body3三个Body生成，所述Body1生成的网格位于风机进风管，所述Body2生成的网格位于动叶轮内部，所述Body3生成的网格位于动叶轮与叶轮罩形成的空腔流域、以及电机与机壳形成的空腔流域。
5.根据权利要求4所述的吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法，其特征在于，所述风机进风管与风机出风口均采用棱柱边界层网格进行划分。
6.根据权利要求1所述的吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法，其特征在于，步骤3中所述边界条件包括面边界条件和域边界条件，所述面边界条件包括壁面边界条件和进出口边界条件，所述域边界条件包括静止域边界条件和旋转域边界条件，所述壁面边界条件包括叶轮罩、机壳、定叶轮、电机、电机支架各表面形成的一般静止壁面，以及动叶轮表面形成的旋转壁面，所述进出口边界条件包括入口边界条件和出口边界条件，入口边界条件采用质量入口，具体数值根据实际情况进行设置，出口边界条件采用压力出口，表压为0，所述旋转壁面和旋转域采用MRF模型，风机中心轴为旋转轴，旋转速度根据实际情况进行设置。
7.根据权利要求1所述的吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法，其特征在于，步骤4中所述工况为不同风机入口直径对应的不同入口流量，所述计算结果包括风机静压和效率，所述验证将CFD仿真计算得到的不同工况下风机静压和效率与实验测得相应工况下的结果进行对比；所述计算方法根据实际情况进行设置，吸尘器离心风机内部流场模拟采用压力基隐式求解器，计算基于三维雷诺时均Navier-Stokers方程；湍流模型选用RNG k-ε两方程模型，该模型适用于非设计工况且能较好地模拟分离流动；近壁面处理采用标准壁面函数，压力—速度耦合采用Coupled算法，压力离散方案采用PRESTO!，湍流动能方程：
湍流耗散项：
；
动量方程：
；
其中，其中，其中，ρ为密度，t为时间，x i(j) 表示坐标位置，u i(j) 为对应位置上的速度，p为流体压力，μ为粘性系数，c 1、c 2为K方程的湍流普朗特数，σ k 表示K方程的湍流普朗特数（无因次数），σ ɛ 表示ɛ方程的湍流普朗特数（无因次数）；
其离散均采用三阶MUSUL格式，由于吸尘器离心风机属于旋转机械，故对动叶轮采用旋转坐标，其余部分采用静止坐标，旋转动叶轮和静止区域之间的耦合采用MRF模型
。
8.根据权利要求7所述的吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法，其特征在于，所述 风机入口直径为16mm；所述效率计算公式为：其中η表示效率，%，Q表示流量，L/ S，H表示真空度，Kpa，P1表示输入功率，W。
9.根据权利要求1所述的吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法，其特征在于，步骤5所述相关结构参数优化为叶轮罩结构参数优化和动叶轮结构参数优化。
10.根据权利要求9所述的吸尘器用离心风机的气动性能的优化方法，其特征在于，所述的叶轮罩结构参数优化是将叶轮罩的顶面边缘设计成凹面，凹面深度等于定叶轮到叶轮罩顶面的距离，凹面宽度等于定叶轮叶片径向长度；所述的动叶轮结构参数优化为保证动叶轮叶片的出口与入口份安装角不变，取长度为叶片原长的3/4的叶片安装于原叶片之间，短叶片与长叶片叶尖位于同一圆周上。
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