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《华中科技大学》 2009年
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空调风扇系统结构设计与离散声辐射关联机制的研究

周拨  
【摘要】:作为量大面广、耗能巨大的空调器(家用及商用)及其风机系统,不仅因为这类低压风机系统在空调器上不可缺少并在工程中有着十分广泛地应用,而且从学科上来看,这类风机与动力用风机相比,一方面在结构配置、设计方法和内流机制上都有着很大不同的自身特点;另方面它在性能上,虽然风压低但风量范围变化大且性能上有很高要求的低噪声,气动及声学的综合性能要求高,故这类低压风机系统内流的研究及其机制的把握上也并非易事,特别是在它内流中的涡-声现象及其相互作用问题,不少方面都还不清楚需要进行专题的更深入研究。研究表明,通过了解内流涡结构细节及涡特性,寻求涡场与流场速度三角形相匹配,可以达到提高空调风机气动-声学性能的目的。为此,本文通过数值仿真和实验测试手段对空调风轮、风道结构设计与性能及离散声辐射关联机制开展研究,旨在为提高空调风机外特性性能、降低噪音提供依据。 文中详细给出了自行研制的高精度空调风机外特性性能试验台的测试原理及其设计的基本方法,比较了不同送风方式(侧送/顶送)情况下,多流量测量范围(喷嘴开数9/3/1)的不同内流结构。实验结果表明,设计能达到流量测量的精度要求;侧送风比顶送风方式有更好的测量精度;在同种送风方式下小流量范围测量精度更高;侧送风测量精度最高值在满量程的1/3到2/3之间。文中分析并指出了影响顶送风方式测量精度的原因在于转弯处分离流动对测量流道的堵塞。并对整流装置在两种送风方式(侧送/上送)下的整流效果进行了深入的数值分析。结果表明转弯处分离流动堵塞了测量流道,并进一步影响到通过整流装置后相对喷嘴的来流均匀性,最终影响了上送风方式测量精度。通过对采用两种送风方式整流效果的比较,探讨了试验台多层孔板整流装置加速主流、耗散涡流的整流机制。研究结果为类似的外特性性能试验台的设计及精度评估,提供了有价值的内流依据和实测数据参考。 文中数值模拟了贯流风机在启动、变速、停止过程瞬态变化过程,分析了贯流风机内偏心涡在变工况和变转速时的分布特性;进一步揭示了贯流风机中的偏心涡流动及其演化机制,为改善贯流风机风道的设计及其优化和降噪提供重要的内流特性数据。研究结果给出的偏心涡流动机制为:贯流的启动过程,偏心涡先于贯流而形成,是由于偏心涡的存在而导致贯流的产生,由于旋涡偏离叶轮旋转轴线地中心而引起了贯流,并非贯流先于偏心涡而形成;贯流的停止过程,风轮内,从上游到下游流速快速衰减;存在于风轮内缘附近的偏心涡,穿过叶片向下游脱落,导致叶轮内部贯流区域扩大,加快了流速的衰减。贯流风轮的变速过程,偏心涡的位置几乎没有变化,风轮的变速只是体现在叶轮内流速的变化上。变工况时偏心涡的分布特性结果表明:当背压提高时,贯流风机内部的偏心涡所卷区域增大,偏心涡卷吸作用增强,横穿叶轮内部的贯流通流面积减弱;位于蜗壳进气边附近的低能区域增加;背压增加时,偏心涡在周向上朝远离蜗舌的方向移动,在径向上向叶轮的中心移动;当背压不变时,提高或降低贯流风机的转速,偏心涡的位置基本不变;风机流量的改变是由于叶轮圆周速度改变的结果,并非是偏心涡位置变化而引起流量的变化。 本文提出采用一种新型的不等距蜗舌(这里统称为斜蜗舌)在提高风机的外特性性能的同时,相对降低噪声。通过试验与数值模拟,比较直叶片式、斜叶片式贯流风机分别用直蜗舌和斜蜗舌时内流、外特性及噪声频谱。对内部流场进行数值分析,发现与采用常规蜗舌的贯流风机不同的是斜蜗舌贯流风机偏心涡位置随着蜗舌间隙的变化而发生改变。探讨了斜蜗舌对贯流风机内流的影响及降噪的机制。 研究采用两种不同蜗壳结构的多翼离心风机,应用商业CFD软件对多翼离心风机采用斜蜗壳配置的三维内部流场进行了数值分析,并与常规直蜗壳内部的流动进行了对比。数值分析结果表明:多翼离心风机采用斜蜗壳能明显改善其内部流动特征,消除风机底盘近蜗舌位置的出口旋涡,提高风机的气动特性,并降低噪音特性,增加风机的流量与压力,并显著降低气动噪音。本研究数值计算的气动特性结果与实验结果基本吻合。研究了不等距的叶片分布方式在空调多翼离心风轮上的应用,提出并给出叶片的分布形式用弦函数进行调制的方法。将叶片分布在周向均匀分组,在满足叶片旋转的动平衡要求同时,达到较好的不等距的叶片分布形式调制通道噪声的效果。选用了四种叶片分布方案进行了噪声对比分析表明不等距的离心风轮在风量不变的基础上,可以起到降低噪音的效果。 通过将斜流风机引入空调室外机中,探讨斜流风轮与蜗壳的匹配设计问题,讨论了空调室外机中后置斜流风轮的可能性。比较了斜流叶轮对称和不对称两种轴向蜗壳入口方式,不对称蜗壳静压分布较好;额定工沉时单向涡流束取代了对称蜗壳中的双向涡流,从而避免了由于双向涡流可能引起的中间层的分离,以提高外特性。前缘弯掠风轮与常规斜流风轮相比,可以改善在低流速时的失速特性,提高失速裕度。合理的运用弯掠,能有效的抑制二次流的发展,减少低能流体在端壁附近的堆积。通过使用前缘弯掠叶片,斜流风机整体性能得到提升。 介绍了作者在解决外机“高温跳停”问题的一些风道的研究,主要涉及到导风圈及网罩的改进对于外机高温跳停问题解决的影响。从数值计算和试验的结果看出,导风圈及网罩的结构形式,对于外机的送风的平直度、以及噪音都有影响。通过导风圈及网罩的的优化设计,可以提升外机高温跳停的极限温度。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB657.2

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