空调用贯流风扇内部流场可视化及流速分布研究芳纶盘根

空调用贯流风扇内部流场可视化及流速分布研究

空调用贯流风扇内部流场可视化及流速分布研究 2011： 摘要：通过激光幕及激光多普勒流速计(LDV)等先进实验手段，对目前家用、车用小型空调中所使用的贯流风扇内部流场进行了可视化及流速分布研究，得出了有无热交换器及叶轮叶片倾角变化时贯流风扇内部流动变化的规律。1引言近年来随着家用、车用空调被广泛使用，空调机的小型化开始受到人们的重视。贯流风扇由于结构紧凑，在体积上相对其它形式的风扇有很大优点，同时在尺寸较小的情况下比轴流和离心风扇的效率高。因此，它被越来越多的空调生产厂家所关注。采用这种风扇的空调可以把气体以无涡旋的形式深深吹到空间或房间中去，另外这种风扇轴向可以很长，所以风量大而且送风均匀。到目前为止，各国尤其是日本及欧美国家对贯流风扇内部流动已经进行了很多研究，但多数研究都是在不设置热交换器的情况下进行的。贯流风扇应用于空调后，风扇入口处要安装热交换器，所以对装有热交换器的贯流风扇进行研究更具有实际意义。搞清有、无热交换器条件下贯流风扇内部流场情况以及流动特征，将会对改进风扇性能以及进一步的理论分析提供有力的证据。本文是在壳体和舌片形状与位置不变的条件下，通过对贯流风扇内部流动的可视化以及激光多普勒流速计(LDV)等先进的实验手段，在有无、热交换器、叶轮叶片倾角等条件改变的情况下，详细地对贯流风扇入口区域、叶轮内部区域的流动特征及速度分布情况进行实验研究和总结。2实验装置及实验方法研究对象是日本某电器公司提供的贯流风扇。图1为实验用贯流风扇样机(安装有热交换器)简图。叶轮外径95mm、内径70mm(内外径比为0.737)、全长217mm。叶轮的35枚叶片是等间隔分布，整个叶轮由2块环形板分为三部分，回转轴安装于侧板上。叶片为1mm厚的圆弧叶片，叶片倾角α是圆弧叶片两端连线与叶片外端和回转轴中心连线的夹角。实验用叶轮共5种，其它尺寸相同，叶片倾角分别为19°、24°、26°、29°、34°。实验测定点坐标系是以叶轮回转轴轴心为圆心。为以下讨论问题方便，建立如图2所示以叶轮回转中心为圆点的极坐标系。

图1贯流风扇(设置热交换器)

图2极坐标系

贯流风扇内部流动可视化实验，是通过激光幕法，利用干冰升华产生的白色二氧化碳作为示踪粒子，用摄象机进行图象记录。贯流风扇内部流速测定实验，是通过LDV对贯流风扇内部流场各点的速度大小和方向进行测量，从而绘制出贯流风扇内部流动的速度矢量图。3实验结果与分析3.1贯流风扇内部流动的可视化图3、4为3种不同叶轮叶片倾角的条件下贯流风扇内部流动可视化图象。

图3贯流风扇内部流场可视化图象(设置热交换器)

图4贯流风扇内部流场可视化图象(未设置热交换器)

图中白色部分为气体粒子的流动轨迹，实验中叶轮转速N=1300r/min，由可视化图象可以看出：3.1.1气体流入区域在该区域的气体流动方向有3种：(1)指向叶轮回转轴心；(2)与叶轮回转方向相同；(3)与叶轮回转方向相反。也就是说，在该区域气体流入叶轮的流量分布是不均匀的，存在主要流入区域。设置热交换器的场合，叶轮叶片倾角α=24°时，气体主要流入区域范围最大(主要流入区域范围夹角约140°)；α=34°时，气体主要流入区域范围最小(主要流入区域范围夹角约50°)。未设置热交换器的场合，α=24°时，气体主要流入区域范围最大(主要流入区域范围夹角约160°)；α=19°时，气体主要流入区域范围最小(主要流入区域范围夹角约85°)。3.1.2叶轮内部区域无论叶片倾角是多少，叶轮内部总存在只有少量气体粒子流动的区域，这是由于这个区域有偏心涡流存在。从实验结果可知，无论是否设置热交换器，这个偏心涡流在α=24°时区域面积最小，设置热交换器在α=19°时区域面积最大，未设置热交换器在34°时区域面积最大。另外偏心涡流的涡心位置随α的增大，从叶轮回转轴下侧向回转轴右侧移动。3.1.3气体流出区域气体粒子由叶轮流出后，在壳体与导流板之间管道内的流动是扩散流动，流动的方向与壳体曲线大致相同。随着α的增大，气体粒子的流动区域逐渐变宽，并沿逆时针向舌口方向移动，在α相同的条件下，该区域在未设置热交换器时比设置热交换器时宽。比较设置与未设置热交换器的可视化图像可以看出：α相同、设置热交换器时，主要流入区域范围比未设置热交换器的场合小；偏心涡流区域面积比未设置热交换器的场合大，而且涡心位置也发生变化。这是由于热交换器阻尼作用的存在，使得气体在通过热交换器时产生了压力损失所引起的。也就是说，这个损失使偏心涡流的涡心从原来的舌口附近向叶轮回转轴心方向移动，同时偏心涡流区域面积增大。3.2贯流风扇内部流动的速度分布图5、6为2种不同叶轮叶片倾角的条件下，贯流风扇速度分布矢量图，箭头的起始点为被测定点，箭头方向为速度方向，箭头方向为速度方向，箭头长度代表速度大小。

图5贯流风扇内部流动的速度矢量图(设置热交换器)

图6贯流风扇内部流动的速度矢量图(未设置热交换器)

实验中叶轮转速N=1300r/min。通过与叶轮外侧、内侧距离最近的圆周(r=30、58mm)上的两个测定点的速度三角形进行分析，结果如表1、2所示。

表1叶片倾角α(°)1924262934流动方向与叶轮回转方向相同的区域无无320°～10°320°～40°320°～120°流动方向指向回转轴的区域320°～0°320°～30°10°～120°40°～120°无流动方向与叶轮回转方向相反的区域0°～120°30°～120°无无无叶轮内部偏心涡流中心极坐标角度290°300°305°310°0°注：设置热交换器时表2叶片倾角α(°)1924262934流动方向与叶轮回转方向相同的区域110°～130°无120°～130°110°～130°320°～130°流动方向指向回转轴的区域320°～350°320°～40°320°～80°320°～80°无流动方向与叶轮回转方向相反的区域0°～100°40°～120°90°～110°90°～100°无叶轮内部偏心涡流中心极坐标角度265°285°290°295°335°注：未设置热交换器时

从表中可以看出，无论设置热交换器与否，偏心涡流的涡心位置都是随着α的增大，向着叶轮回转方向移动。另外，在贯流风扇入口处存在主要流入区域，这与可视化实验所得出的结论是一致的。从图5、6可以看出，无论热交换器设置与否，气体在流入区域的流速都不大，经过叶片的加速流入叶轮内部，然后从另一侧再经叶片加速后流出叶轮，流速是递增的。在叶片倾角相同的条件下，未设置热交换器的场合的最高流速以及流入区域的范围都大于设置热交换器的场合。另外，不设置热交换器时的偏心涡流位置比设置热交换器时靠近叶轮回转轴。产生这个现象的原因，仍然是由于热交换器阻尼作用的存在，使得气体在通过热交换器时产生了压力损失所引起的。从以上比较看出，由于热交换器的设置，使得贯流风扇出口处的流速减小，同时引起偏心涡流涡心的移动，从而影响整个流场内气体的流动。4结论(1)在入口区域，气体的流动并不都是指向叶轮内部的，而是存在主要流入区。因此笔者认为现在空调中普遍采用的热交换器分布方式不尽合理，应该在主要流入区域增加热交换器的厚度，而在非主要流入区域减少或取消热交换器的设置，从而提高热交换的效率。(2)在叶轮内部区域，气体的流动存在涡流，该涡流的涡心并非回转轴心，而是偏心涡流。偏心涡流的涡心位置随着叶轮叶片倾角α的增大从叶轮回转轴下方向右侧移动。另外，偏心涡流区域面积大小也产生变化，叶片倾角α=24°时的偏心涡流区域面积最小。在其它条件相同时，设置热交换器后，由于热交换器的阻尼作用，引起偏心涡流区域面积增大，涡心位置由叶片附近向叶轮轴心移动。这部分区域的气体流动速度由于在通过叶片时受到叶片的加速作用，而比入口区域的流速大。(3)在流出区域，气体流动是扩散的。随着叶片倾斜角增加这个区域气体流动轨迹总体上变宽，同时沿逆时针移动。该区域的气体流动速度是经过叶轮两次加速后的速度，因此这部分区域的流速最大。(4)叶轮内部偏心涡流是贯流风扇所特有的一种流动，实验中各种条件的变化，无论是热交换器的有无，还是叶轮叶片倾角的变化，都会使得偏心涡流位置及大小发生变化，从而造成整个流场的流动及速度分布发生变化。作者简介：孙立群，男，硕士学位，1998年4月～1999年4月在日本室兰工业大学从事“贯流风扇内部流动”、“贯流风扇噪音”、“贯流风扇性能提高”的研究。通讯地址：116028大连市大连铁道学院机械工程系。孙立群（大连铁道学院）赵亮（大连铁道学院）杉山弘（日本室兰工业大学）(end)

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