无叶风扇各部件研究现状

1.2.1无叶风康研究现状
英国家电厂家戴森(Dyson)受空气叶片干手器的启发,在2009年10月12曰推出了第代无叶风扇【3】,其独特的造型和产风原理以及平稳的风感,受到
很多学者和用户的青睐.2011年2月,戴森继一代无叶风扇后,在香港又强势推出的无叶风扇第二代,增加了无线遥控器。
因为没有叶片暴露在空气中,所以无叶风扇安全性能要优于传统风扇,同时风机内置于无叶风扇内部,还可以起到明显的降噪效果。传统风扇的出风量
要比无叶风扇大一些,比较适合大面积送风;而无叶风扇因为没有叶片来`切割'空气,向使用者输出的气流具有低撒流、轮廊呈线性的优点,使用者不会感到阶段性冲击和波浪形刺激,无叶风扇吹风给人一种接近自然风的体感,所以舒适感要强于传统风扇.同时线性低满流的气流有效从出风口喷出,能降低能量损失,即使相隔较远也会感觉到凉爽的感觉,能达到髙效节能的作用。无叶风扇的优势已被越来越多的人认可,已经形成了自己的市场.目前国内市场上的国外产品具有原创性,专利保护严格,但结构单一,价格较髙;而国产无叶风扇虽然价格便宜,功能较多,但创新性不足,因此研究无叶风扇流场特性,创新无叶风扇结构对打破国外专利垄断,降低无叶风扇价格具有现实意义。
目前无叶风扇还不能完全取代传统三叶式风扇,其问题主要集中在噪音和风力上面,对应部件就是内置风机和无叶风扇出风 。无叶风扇出口结构参数决定了最终出风的效果,无叶风扇紧邻出风口处设置一个科恩达表面。科恩达表面是一种已知的表面,离开出风口的流体经过该表面表现出科恩达效应⑷:流体(水流或气流)有离开原来的流动方向,改为随著凸出的物体表面流动的倾向,由于流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦,流体的流速会减慢,只要物体表面的曲率不是太大,依据流体力学中的伯努利原理,流速的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动。气流紧贴物体表面运动,在很大程度上避免了在尺寸发生改变的区域产生回流而导致能量损失,并能有效带动更大范围的流体随之流动。
目前国内外关于无叶风扇的专利[5][6]有很多/但现有专利中无叶风扇科恩达表面下游内环壁面均设置成扩散面,结构形式单一;另外出风口间隙比较小,造成很大的压阻。同时关于无叶风扇的研究论文还比较缺少,张广星[7]用数值模拟的方法研究科恩达面曲率半径对无叶风扇性能的影响,发现科恩达面曲率半径对无叶风扇速度场影响较大。王旱祥[8]等依然利用数值模拟的方法研究出口间隙和沪散面倾角对无叶风扇性能的影响,最终寻找出最佳倾角和间隙。

1.2.2风机降噪研究现状

    内置微型风机为无叶风扇提供动力,由于无叶风扇气流阻力较传统风扇要高,因此要求内置风机高转速运行,而高速旋转的叶轮势必产生很大的噪音。世界卫生组织认为,噪声污染已经成为影响人们身体健康和生活质量的严重问题[9],因此降低风机噪声对无叶风扇的推广意义重大。实践证明,风机叶片产生的空气动力性噪声远远大于风机的机械噪声和电磁噪声。风机噪声的影响因素众多,根据声福射的基本规律,噪声源可以分为单极子、偶极子和四极子。IJ.Sharland[iG]对风机噪声源特性进行了详细的研究,结果表明,轴流风机噪声具有偶极子特点,由叶片作用于流过风机的空气而产生的脉动引起,分为旋转噪:声和祸流噪声。
    风机的旋转噪声又称离散频率噪声,其发声机理主要有两种:一种是当叶片在自由空间旋转时,叶片邻近的某固定位置处的空气受到叶片和其压力场周期性激励而发声;另一种旋转噪声来自动叶与静叶之间的干涉,这种干涉既归因于压力场的相互作用,又归因于叶片尾迹的作用。当动叶与静叶间距较小时,动叶尾流扫过静叶片会产生脉动力,从而产生旋转噪声。其频率f跟叶片数Z和转速n有关,又称叶片通过频率,基频可表示为:除了叶片基频以外,风机的离散噪声还有与基频成倍数的各阶谐波组成,f=if (i=2,3,4……),各阶谐波的声压值逐渐减小。祸流噪声又称为宽频噪声,根源是随机脉动力,其主要是由叶轮入口来流不均匀(例如叶轮入口处有障碍物、急转 等)、动叶湍流边界层的漩祸自叶片后缘脱落时引起的压力脉动、二次祸流等原因引起的。研究表明,宽频噪声的强度与气流的八次方成比例。目前降低风机噪声的途径按原理可以分为两种:一是治标,采取消声器、隔声或吸声等措施;二是治本,用气动声学原理来设计降低风机噪声对于小型风机来说,釆用消声器的造价髙、体积大,有时甚至消声设备的造价和体积都大于风机本身,得不偿失;而人们对它们的低噪声要求又格外严格。对于小型风机,如果效率和噪声不能兼顾,印使降低效率来换取低噪声也是可取的。目前风机降噪的方法很多[12],主要包括叶片穿孔法【13]、前掠叶片降噪法仿生学降噪法[15】、不等节距叶片降噪法[16】【17]【18]等。其中不等节距叶片因为不改变叶片形状,成本相对其他控制方法更低。在结构上来说叶轮产生离散噪声的原因是叶片间周向夹角均勻布置,因此叶片非等距布置是降低叶轮离散噪声的有效手段。
一种最常用的叶片分布角按公式

,    图1.2为叶片分布示意图。中,等节距第n个叶片应安装的位置;9'?_不等节距第n个叶片安装的位置;关于叶片非均布式叶轮的研究工作开展较早,1^0%5011[2°】于1976年首次提出了采用周向随机布置叶片可以降低轴流压缩机基频噪声的观点;之后Melin和Sovran[21]对轴流压气机采用叶片非均布方案降低叶轮离散噪声的方法进行了研究,推导出了计算不等距叶片离散噪声的公式;￡%31<1[22]则采用叶片非均布方法成功地将一轴流风扇的基频噪声降低了 8dB;国内伍先俊[23]等研究了针对贯流风机的降噪,对风机叶片周向角进行了不等距优化设计,提出了一个优化设计模型;此外,针对离心风机采用非均布式叶轮的方法也有相关研究[24]。根据ghthill25]的气动声学理论,Wright[26]* Lowson[27]等人从不同角度导出了等节距叶片转子的声辖射公式,而国内学者孙晓峰又在Wright的基础上推出了不等节距叶片转子噪声的声福射公式,成功预测出某不等节距叶片比等节距叶片在叶片通过频率(BWF)处噪声比的降低幅值,并通过实验说明叶片可以在相当大的逾度内选择分布方式而不会使风机的气动性能恶化。马健峰[28]根据文献[19]叶片分组自平衡的分配方案进行叶轮叶片的不等距设计,并进行了数值模拟和实验研究,证明采用不等距叶片可以降低离心通风机基频噪声的峰值,但是总的噪声级基本不变。叶轮机械噪声和压力脉动有很大关系河合勇太[31]等证明了叶轮出口压力脉动与声压级的相关性,并用统计学的方法说明叶片节距角的偏差增大将会加大比BWF低的声音成分的声压级,建议叶片节距角分布要控制在一定的范围内。
    虽然不等距叶片布置方式的研究很早就已经开展,但是对不等距叶片的合理设计方法目前还没有形成,大多数设计更多的是采用简单的约束条件结合试验方法来进行。其中,约束条件一般釆用的是动平衡约束和性能约束条件。然而,由于不等距叶片确实能够对风机的离散噪声达到较好的控制效果,未来需要开展的研究重点是摸索出合理的不等距叶片设计方法。