广东美的环境电器制造有限公司 528425
摘要：风扇作为美的环境电器的主打产品一直以来是公司发展中的重中之重，而风叶做为风扇的核心零部件，风叶设计的好坏是衡量风扇生产企业的重要标准之一。风叶设计现有的通常方法是基于轴流通风机的理论设计或者在试验数据模型的基础上进行改进，然后外发手板试验。这种设计一般都是基于设计者的经验积累来判断风量及噪音的变化趋势，中间缺少方案验算环节，较难从气动及结构设计上判断其好坏，本文以KYT25-15A转页扇为基础，建立其风量及气动噪音的评价方法，以指导风叶设计并缩短开发周期，节省手板费用。
关键词：KYT25-15A转页扇；风量；气动噪音；CFD计算
1.基于KYT25-15A转页扇整机的风量评价方法的CFD计算
考虑到风扇后网及其他组件、风量室对其影响，首先采用KYT25-15A整机进行分析，风量室为边长为4M的正方体，风扇放置在其体心位置，让风扇在室内循环吹风。
1.1对整机3D模型进行一定的简化，然后对其进行网格的划分，网格模型分静止部分和旋转部分，静止部分为风扇本体，特别要注意后网罩网格单元尺寸的控制，旋转部分为风扇扇叶部分，画网格时需考虑叶片厚度及轮缘部分，由于后网罩及叶片较薄，最后得到整机网格数量庞大，达千万级。
1.2本次为稳态计算，对于风室四周取为壁面边界条件，扇叶部分为旋转体，转速为其高档实测，静止部件和旋转部件采取MRF模型传值，交界面采用INTERFACES格式，时间步长取为自由步长，初次迭代次数取为2000。
1.3计算收敛后统计数据并进行后处理，处理后的结果得出：由于风压比较小，风扇本体上静压值也相对较小，且比较均匀，当循环风被吹出一段距离后发生卷曲，回流等，这里有个问题就是在风量室测试到半径比较大的区域时，既有吹出风，又有回流风，会不会有一部分风被抵消或被掺混，影响风速，从而使风量室测试误差较大？
在风扇出口取一流量监测面，计算后其流量值为0.16kg/s，即7.44m^3/min。后才知道，此由之前KYT25-15A风扇开发组提供的风叶计算模型与实际测量模型不一致，故在此不与实验数据对比，只讨论共性的问题。
2.基于KYT25-15A转页扇风洞模型的风量评价方法的CFD计算
2.1风叶手板模型的建立
由整机计算经验可知，模型网格庞大，计算耗时较长，不利于工程设计快速响应应用，这里在试验手板模型的基础上建立简化的风洞计算模型，手板模型分别为：A，KYT25-15A转页扇首次手板（轮毂外径110mm）；B，KYT25-15A转页扇理论设计手板（轮毂外径110mm）；C，KYT25-15A超薄转页扇理论设计手板（轮毂外径88mm）。
2.2风洞模型网格划分及边界条件
在处理网格模型的过程中，最难处理的是风叶，尤其是前缘，尾缘，叶尖、压力面、吸力面处，在此些地方加密，采用自适应较好的四面体网格进行处理。
风洞直径取3m，长度为4m，将风扇置于一风洞中心位置处，计算为稳态计算，湍流模型为双方程的RNG k-ε模型，不考虑热影响，风洞进口为总压边界条件，并且总压值为0，出口为平均静压边界条件，静压值为0，并设置计算收敛残差条件为1e-4，时间步长为自由步长，迭代次数为1000（如若不满足收敛条件，后续再增加步长）。
针对上述三种手板方案进行CFD计算，待计算达到收敛后，在风扇下游0.8M处建立流量统计面，分别与试验数据比较如下表1所示：
表1
由表1可知，A、B两手板风叶理论计算值与试验值误差非常小，C手板误差相对较大，可能原因：（1）网格精度及计算误差；（2）风量室本身的测试风量波动较大。
3.基于KYT25-15A转页扇风洞模型的气动噪音评价方法的CFD计算
3.1风扇噪音理论及分类
气动噪音声源由单极子噪音、偶极子噪音、四极子噪音组成。风扇噪音主要由旋转噪音（离散噪音）和涡流噪音组成。旋转噪音主要是叶片通过频率频率的基频及其谐波向外辐射噪音的，涡流噪音主要是由非定常随机压力脉动产生的，在风扇噪音中，偶极子声源和四极子声源占主导地位，因此在对KYT25-15A转页扇风洞模型的气动噪音评价时主要考虑偶极子和四极噪音声源。
3.2风扇噪音模型
通常在计算风扇气动噪音时采用希尔伯特声类比模型；近年来发展了一种名为LOWSON的声学模型，这种模型在希尔伯特声类比模型基础上考虑到旋转马赫数在半径方向上的分量和对流对声压的影响。LOWSON噪音模型将作用在风扇叶片表面上的力与声压相对应，将风扇旋转周期性运动看做简谐运动，增加时间和空间的因素，得到叶片数为Z的风扇噪声声压：
Z为风扇叶片数；
在建立模型的时候，通过对整机枫叶以及A手板风叶数据的树立，得到这两种风叶片表面偶极子声源分布，其中整机CFD计算风叶表面偶极子声源分布如下图1所示。
图1
通过对一系列些数据分析出，由A手板CFD风叶噪音声压级频谱和声功率频谱在叶片通过频率（基频）数据与实测噪音声功率级数据（52.7HZ）误差较大，但与二倍频的声功率级较为接近。
结论
由以上计算可知，基于KYT25-15A转页扇：
（1）风洞模型可以在理论数值计算上很好评价目前转页扇的风量，可在定性与定量层面用于设计方案对比。
（2）LOWSON噪音模型预估的二倍频下声功率级与实测噪音比较接近，可可在定性与定量层面用于设计方案对比。
参考文献：
[1]芮正明.基于CFD的风扇及叶轮流场仿真与优化[D].天津大学.2016.
[2]范士杰，卢炳武，轧浩，孔祥瑞.车用风扇启动噪声的CFD分析与实测[C].2007年中国汽车工程学会年会论文集.2007.
论文作者:龙任强
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/9/18
标签：噪音论文; 风扇论文; 模型论文; 风量论文; 手板论文; 声源论文; 风洞论文; 《基层建设》2018年第24期论文;