风机盘管离心风机的CFD降噪分析与优化

余锐生，林 娟，姜灿华

（1.宁波甬仿应用技术有限公司，浙江 宁波 315000；2.浙江国祥股份有限公司，浙江 绍兴 312300）

多翼离心风机由于具有流量系数大、压力系数高、低噪声及尺寸小等特点，广泛应用于空调器中，特别是风机盘管，其风机系统由多个多翼离心风机并联而成。随着人们对空调舒适性要求的逐渐提高，空调器的噪声水平越来越受到企业和用户的关注，研发出低噪声的空调器成为产品开发人员所面临的难题。

本文针对某风机盘管的离心风机在运行时噪声大的问题，采用CFD分析方法对该机组的空气侧流动进行分析，着重研究了离心风机的内部流动特性，并针对其中的问题重新设计风轮、蜗壳，CFD仿真结果显示，新风机内部流场得到改善。将原方案与优化后方案进行实测对比，结果显示新设计离心风机在相同风量下的噪声值比原风机下降4.7 dB(A)，增强了其在空调产品市场竞争力。

1 风机盘管几何模型及网格划分

某风机盘管几何模型如图1所示，机组内部包含电机、蒸发器、外壳及两个并联运行的多翼离心风机等部件。

鉴于风机区域几何形状复杂，整机三维模型采用非结构化网格划分，并对风轮、蜗壳及交接面处网格局部加密，总网格数为1 400万左右。

2 CFD数学模型

CFD数值计算中采用三维稳态求解计算域内流场，湍流模型采用RNGk-ε，其连续方程、动量方程以及RNGk-ε湍流双方程分别见式（1）至式（4）[1]。壁面附近采用标准壁面函数。采用SIMPLE算法求解速度压力耦合。压力、动量离散采用2阶迎风格式离散，湍动能、湍流耗散率采用1阶迎风格式离散。蒸发器区域简化为多孔介质，且根据实验拟合得到多孔介质模型的黏性阻力系数和惯性阻力系数。

图1 风管式空调器几何模型

采用运动参数坐标系模型(Moving Reference Frame)实现离心风扇区域的动静界面间的数据传递。计算时进出口均采用压力边界条件[2]。

3 原始方案模拟分析

对原始方案进行CFD模拟分析，原始蜗壳及风叶线型见图2。风叶的外径为150 mm，风叶厚度为196 mm，叶片数为32片。

图2 原始方案中蜗壳、风叶线型

截取蜗壳的内部截面进行分析，图3为蜗壳内部截面的相对流线图。在蜗舌附近的出口处即图中的圆圈区域，存在明显的涡流，涡流的存在会堵塞出口，使得出口有效流通面积减小，不仅会降低风机效率，而且会增加风机的气动噪声[3]。

该风叶叶道内的相对流态如图4所示，较多的叶道内存在明显的相对涡流，增加流动损失，使得风机的全压和效率减小[4]。

4 离心风机优化方案

4.1 蜗壳优化

蜗舌的作用是防止部分气体在蜗壳内循环流动，蜗舌附近的流动较为复杂，是多翼离心风机的主要噪声源之一[5]。蜗舌设计时主要考虑蜗舌间隙以及圆角半径两个参数的影响。间隙过大可以减小气流对蜗舌的冲击，但会增大气流回流，降低风机效率，而间隙过小时情况恰好相反[6]。

图3 原始方案中蜗壳内部截面的相对流线图

图4 原始方案中叶道内的相对流线图

本文基于原方案的CFD仿真结果，采用对数螺旋线法重新设计蜗壳线型，重点改进蜗舌结构以及蜗壳出口结构，通过CFD仿真优化设计合理的蜗舌间隙、蜗舌半径以及出口扩压角[7-8]，尽可能消除蜗舌附近及蜗壳出口的涡流,以此来提高风机的效率及降低噪声。

4.2 风叶优化

由于原方案中风叶叶道内存在明显的相对涡流，因此需要对风叶进行优化。考虑叶片通用化问题，仅对叶片数进行优化，不进行叶型调整。

对每一种叶轮，当叶片数过多时，叶道内的有效过流面积减少，摩擦损失增大，风机效率降低，当叶片数过少时，叶轮中的轴向涡流强度上升，涡流损失增加，同样会降低风机效率[4，9]。在特定的风道内，存在着一个最佳叶片数，目前没有可靠的理论方法求解出最佳叶片数。本文利用CFD仿真分析，确定该风叶在此风盘上的最佳叶片数为43。优化方案中的风轮和蜗壳如图5所示。

图5 优化风机方案

5 优化方案模拟分析

分析新离心风机的相同位置的截面流态，图6为该截面的相对流线图，所示蜗舌区域出风口附近无明显涡流，出风更为顺畅。

图6 优化方案中蜗壳内部截面的相对流线图

叶道内的流态见图7。相对于原方案的风叶，增加叶片数后，叶道内涡流明显减小，可减小叶道内的涡流损失。

图7 原始方案中叶道内的相对流线图

6 实验验证

按GB/T 19232-2003《风机盘管机组》标准中所规定的噪声测试方法，在相同外壳中进行风量、噪声测试，将优化离心风机方案与原始离心风机方案对比，测试结果如表1所示。

表1 根据原始方案与优化方案所得仿真与实测值

图8、图9为实测的噪声频谱图。实验结果显示，仿真风量与实测风量误差小于1%。相同风量下，优化方案噪声降低4.7 dB(A)。

7 结语

本文利用CFD方法分析了风管式空调器的内部流场，针对内部流场涡流问题优化了风轮和蜗壳结构。通过CFD仿真对比及实验验证可得到如下结论：

（1）通过蜗壳优化，减少风机蜗舌和出口区域的涡流能有效降低离心风机气动噪声。

图8 原始方案噪声频谱图

图9 优化方案噪声频谱图

（2）通过CFD对比分析，确定最优叶片数，能抑制叶道内的相对涡流，从而起到降低噪声的效果。

（3）试验结果证明，仿真风量与实测风量误差小于1%。在相同风量下，噪声降低4.7 dB(A)。实测结果验证了本文分析方法的可靠性，其对于解决同类型产品噪声问题具有参考价值。