軸流風扇

只在葉輪尾緣附近帶有導流罩的軸流風扇廣泛用於分體式房間空調器的室外機中.在這些系統中，除了要求結構緊湊，風量大之外，噪聲低更是一個關鍵的指標。然而，與動力用低壓風機相比，這種低壓風扇在結構配置、設計方法和內流現象上都有着許多的不同特點，在風扇低噪聲設計及其內流機制的把握上也並非易事。國內外對這類風扇的降噪研究多采用實驗手段或在葉片成型以後採用一些特定的方法來進行，而針對空調風扇動葉作彎掠設計實現其性能改善的研究則較少見報道。

在軸流葉輪常規準三維設計方法的基礎上，採用前緣彎掠技術，應用CFD /CAD方法對空調器軸流風扇進行禍合設計，以改善風扇在設計點的內流狀況，為降低其噪聲提供依據。採用三維納維-斯托克斯方程和Spalart-Allmaras湍流模型對整個室外機進行內流計算和分析，對風扇的性能進行預估，以減少相應的實驗工作量 ^[1]  。

風扇有軸流和徑流式兩種，是以風扇工作時空氣的流動方向而進行劃分的。軸流式風扇工作時，葉片推動空氣以與軸相同的方向流動，所以稱為軸流風扇；而徑流式風扇工作時，葉片推動空氣以與軸相垂直的方向（即徑向）流動，因此稱為徑流風扇。

軸流風扇分為大型軸流風扇、中型軸流風扇、小型軸流風扇，根據需求的使用地方選擇適合的軸流風扇。

一般而言，大型軸流風扇主要適用於粉塵、碎石場等之類的場所的排風；中型軸流風扇主要適用用室內的通風及排熱，例如：糧倉等；小型軸流風扇主要適用與機械設備的通風散熱，例如：電氣櫃等。

由於傳統渦輪風扇風壓並非在風扇中央部分產生，而是靠風扇扇葉轉動而出現。因此無論其轉速有多高，軸心下方不會有風吹下。但在風扇軸心下的正是發熱核心所在，是發熱的主要源頭。這樣情況造成了傳統軸流風扇的天生缺陷：受到電機的阻隔，氣流無法順利到達中央部位，造成“盲區”。 盲區的存在導致散熱器核心部分温度偏高，影響整體的散熱效果。為解決這一問題，離心式徑流風扇被製造出來 ^[2]  。

針對空調器風扇性能上風壓低使用上既要求風量大又要噪聲低的矛盾，本研究選擇某空調用性能優良的軸流風扇樣機作為彎掠設計的比較研究模型.樣機基本結構：葉輪外徑409mm，輪毅直徑120 mm，輪毅比0. 29，葉片數4，流量2220 m³/h，靜壓20 Pa，轉速880 r /min。新風扇的設計以保證流量為前提，着重改善風扇的內流分佈以降低噪聲。

新風扇的設計是在以往流體動力研究及其現有準三維設計方法的基礎上，採用前緣彎掠技術，應用CFD /CAD禍合方式進行的.對典型樣機風輪的結構特徵進行CAD估算，使用商用軟件FLUENT進行全三維CFD計算考察其外特性和內流特性，並與實驗結果進行比較和分析；採用常規方法作初步的準三維葉輪設計，進行CFD計算考察其外特性和內流特性；比較分析樣機風扇與新風扇的CAD/CFD的結果，調整初次設計的相關參數，以實現一個比較好的氣動佈局方案；運用CFD對調整之後的風扇性能進行預測，並根據計算結果進一步調整相關參數，對風扇作進一步的優化。

此外，設計中需要考慮的還有葉片弦長、葉片安裝角、葉型彎度角、翼型中弧線等參數。對這些參數進行優選取值及相互之間的合理匹配，以改善風扇氣動-聲學性能。

綜合考慮上述因素，設計的新風扇基本結構：風扇外徑408 mm，輪毅直徑100 mm，輪毅比0. 245，葉片數4，葉頂/葉根弦長276/80 mm，前彎角度44°，前掠角度20°。

同一個室外機中，分別對樣機風扇和新風扇進行了數值模擬.計算時對實機進行了適當的結構簡化，不考慮換熱器、出口格柵、電機及其支架的影響，但考慮側進風。

採用有限體積法離散控制方程，對整個室外機的三維定常流場進行分離式隱式求解。計算選用Spalart-A llm arcs湍流模型，對流項採用二階迎風差分格式，壓力月棗度禍合採用標準SIM PLE算法求解。

由於風扇系統的複雜性，整個計算域均採用非結構化網格，網格總數110 x 10⁴。葉輪所在的區域定義為旋轉區域，享有較多的網格數目。進出口均採用壓力邊界條件，進口為大氣條件，出口給定不同的背壓。當各計算殘差值小於1 x 10^-3時，認為計算收斂 ^[1]  。

a.新軸流風扇的氣動性能基本保持不變，在相同流量下，新軸流風扇的實測噪聲低於樣機風輪0.5-1.3dB( A級聲壓級)；

b.新軸流風扇降低了吸力面與輪毅附近渦流區的橫向遷移能力，增強了其徑向遷移能力，減小了葉道中二次渦的影響區域，增大了主流區域，使主流減速，噪聲降低；

c.新軸流風扇基本消除了樣機風扇在翼展中部存在的前緣分離現象 ^[3]  。