叶轮设计对吸油烟机风机系统风量及噪声的影响研究

摘要

在目前国内吸油烟机市场中，巨大的商机与激烈的行业竞争并存，各吸油烟机的品牌关注度相近。由于各品牌吸油烟机的性能相近，进一步提高吸油烟机的性能表现和品质有助于增强产品的市场竞争力。调查显示，使用人群在采购吸油烟机时的两个最重要考量因素分别为风量和噪声。吸油烟机产品的不断发展，也对其风量提高和噪声降低提出了更高要求。优化目标方面，目前的风机优化研究多集中于风机风量、效率或噪声等单方面性能的提升，并且往往以其他方面性能的牺牲为代价，已有的多目标研究通常选取风量和效率作为优化目标;优化设计方面，大量研究基于现有的风机产品进行改良，设计改进空间有限。
　　本文课题来源于校企合作项目，目标是在提升风量的同时，降低气动噪声。为提高吸油烟机产品的设计改进空间，本文设计了吸油烟机风机系统的初始模型，基于计算流体力学(ComputationalFluidDynamics)仿真分析工具，用正交实验的方法分析研究风机结构参数对吸油烟机风机系统的风量和噪声的影响并进行结构优化设计，提升了风机性能，分析了叶轮各结构参数对于风量和噪声的影响机理，并提出了运用这些机理优化设计风机系统的方法。
　　首先，针对产品对于风量和噪声的优化要求，采用独立参数经验设计方法，对风机进行包括蜗壳气动设计、叶轮气动设计和进气装置设计在内的初始参数设计，在UG中完成实体建模和装配，获得风机系统的初始模型。
　　其次，探寻吸油烟机风机系统的数值模拟方法，在ICEMCFD中实现风机流道的网格划分，在CFX中完成风机系统的旋转模拟仿真计算，并通过对比初始模型的仿真结果和原有产品的实测数据，分析仿真分析模型的有效性、合理性。
　　再次，安排模拟正交试验，通过直观分析得到叶轮各结构参数对于风量、噪声影响的极差，通过采用综合平衡法和综合评分法，确定对于双目标最优的叶轮结构参数组合方案，通过对优化后的叶轮进行仿真实验，验证其已达到优化设计目标，风机系统风量和噪声表现得到提升。
　　然后，通过因素指标分析，得到不同叶轮结构参数下的风机风量，在Matlab中实现不同结构参数与风量的单因素影响关系描述，通过对比观察不同结构参数下速度矢量图、速度云图、涡流云图和压力云图的变化，发现导致风量下降的摩擦损失、内循环现象和尾迹现象，结合出口速度三角形模型、相对涡流模型、影响关系拟合曲线，分析叶轮各结构参数对风机系统风量的影响机理。
　　最后，讨论吸油烟机风机系统空气动力噪声源构成;基于Proudman噪声理论研究强前弯叶片的涡流噪声特性;研究旋转噪声特性，包括基频旋转噪声与整体噪声对比以及叶轮结构参数对旋转噪声的影响机理;分析四极子源噪声的分布规律。
　　本文优化得到的吸油烟机风机系统模型达到设计目标，通过双目标优化方法提升了研究对象的风量和噪声表现;研究过程中得到的分析结果可为吸油烟机风机系统核心技术的开发提供理论和数据支持，有助于提高并改善强前弯多叶离心式风机的开发效率和设计效果。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 课题研究意义

1．3 课题国内外研究现状

1．4 论文的技术路线和框架

1．5 本文的主要工作

第二章 离心式风机结构与噪声基础

2．1 吸油烟机主要类型

2．2 风机性能指标与结构参数

2．2．1 风机的性能指标

2．2．2 风机的结构参数

2．3 风机气动噪声

2．3．1 噪声的物理量度

2．3．2 风机的噪声源

2．3．3 叶片的空气动力噪声

2．4 离心式风机的基本方程

2．4．1 速度三角形模型

2．4．2 离心式风机流体力学方程

2．5 本章小结

第三章 多叶离心式风机初始模型关键尺寸设计

3．1 多叶离心式风机的性能特点

3．2 多叶离心式风机的结构特点

3．3 多叶离心式风机气动设计

3．3．1 叶轮气动设计

3．3．2 蜗壳气动设计

3．3．3 进气装置设计

3．4 本章小结

第四章 多叶离心式风机数值模拟

4．1 CFD仿真流程

4．2 多叶离心式风机模型输出

4．3 多叶离心式风机模型网格划分

4．3．1 网格划分要求与形式选用

4．3．2 网格划分过程

4．3．3 网格优化过程

4．4 多叶离心式风机模型旋转仿真

4．4．1 湍流及壁面处理模型

4．4．2 噪声模型的校核与选用

4．4．3 模型仿真参数设定与求解

4．5 CFX仿真分析模型验证

4．6 本章小结

第五章 多叶离心式风机优化与仿真结果分析

5．1 正交试验优化方案

5．1．1 实验目的

5．1．2 试验因素及水平确定

5．2 正交试验结果分析

5．2．1 模拟试验结果

5．2．2 叶轮结构参数极差分析

5．3．3 双目标优化过程

5．3 风量与叶轮结构参数关系分析

5．3．1 风量与叶轮宽度关系分析

5．3．2 风量与叶片倾角关系分析

5．3．3 风量与叶片数关系分析

5．3．4 风量与叶轮大径关系分析

5．4 叶轮结构参数对噪声的影响研究

5．4．1 吸油烟机风机系统空气动力噪声源

5．4．2 涡流噪声特性研究

5．4．3 旋转噪声特性研究

5．4．4 四极子声源研究

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要研究成果

6．2 创新点

6．3 后续工作展望

参考文献