仿生后置导叶对混流风机

气动性能和噪声的影响

作者：

刘董节1，潘文康2，雷国茂2，刘小民1

单位：

1. 西安交通大学能源与动力工程学院；

2. 广东美的环境电器制造有限公司

摘要：

后置导叶是影响混流风机气动性能和声学性能的重要部件。受到鸮类翅膀启发，提取长耳鸮翅膀在40%翼展截面处的厚度分布，以原型导叶中弧线为基线，将鸮翼厚度分布应用于仿生导叶叶片设计。在相同风量条件下进行实验测量，采用仿生后置导叶的混流风机较原型风机的效率提升1.4%，噪声降低0.8 dB。基于导叶内流场数值仿真结果分析，发现在仿生导叶尾缘处未出现明显低速区，流场分布均匀，流动分离及尾缘脱落涡得到有效控制。研究结果表明，仿生导叶改善了混流风机上游叶轮与后置导叶的匹配性，显著降低了叶轮出口处气流对导叶前缘的冲击作用。噪声分析表明在中低频范围内，混流风机的宽频噪声和离散噪声均有不同程度的降低，从而达到了增效降噪的目的。

关键词：

混流风机；后置导叶；仿生设计；气动性能；噪声

DOI：

10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2025.02.001

引言

混流风机是一种将机械能转化为流体动能与压力能的通用机械设备，其性能介于离心与轴流通风机之间且兼备两者特点，被广泛应用于工农业生产和航空航天等领域[1-4]。导叶作为风机关键流动元件，用于流体能量转换和保障系统稳定运行。

国内外众多学者着力于研究风机的高效低噪设计，发现风机特性与其内部流体流动状态密切相关。在性能优化方面，相关研究主要关注于叶片数量和动静叶间距的影响。赵征等[5]研究发现，增加高比转速离心风机的叶片数量能够显著提升风机的气动性能并降低运行噪声。叶增明等[6]通过数值分析发现，多级轴流风机的动静叶间距调整在额定流量下对效率影响有限。冯和英等[7]揭示了转子轴向间距对对转螺旋桨性能和噪声的影响，发现增加间距能降低噪声最多10 dB，提升效率1.4%，同时影响气流速度和压力分布。

部分学者研究了叶片角度对性能的影响。王思杰等[8]提出的等-变环量设计方法，经试验和模拟验证可提升风机全压4%并改善流动状况，优于传统扭叶片设计。于思琦等[9]数值模拟表明，增大空调用多翼离心风机的叶片出口角虽能提高风压和效率，但会加剧涡量和压力分布不均。Zhao等[10]研究发现，弯掠叶片相比传统直叶片可降低端部损失并改善端壁角区流动，但会略微增加中部损失。Yang等[11]和张翔等[12]研究显示，叶片包角变化通过改变叶轮出口液流角影响离心泵性能。通过以上改进措施使风机的设计能够较好地满足高效能和低噪声的要求，有力推动了风机技术的发展。

近年来，仿生学为风机优化提供了新方法。相关研究聚焦于鸟类飞行与噪声特性，发现翼型结构可显著降低气流阻力并抑制涡流发展。田晨晔等人[13]借鉴长耳鸮和海鸥翅膀的翼型结构优化贯流风机叶片，提升了气动性能并降低了能耗。王雷等人[14]将长耳鸮翅膀的静音飞行特性应用于轴流风机叶片仿生设计，实现了降低气动噪声和提升风量的双重目标。

由此可见，动叶优化对风机性能提升效果显著。然而，目前关于导叶优化设计研究相对较少。石亚君等[15]、任向轩等[16]以及李剑、刘宏凯等[17-18]通过CFD分析表明，增加导叶数量和优化设计可显著提高风机效率、降低轴功率并改善气流流动。贾玲等[19]采用数值方法研究了管式斜流风机的后导叶对风机的影响，发现增加导叶数量可以改善风机的流动特性，但会增加摩擦损失和制造成本。Xu等[20]和Shi等[21]通过CFD和试验研究发现，调整垂直轴流泵导叶入口角可以消除涡流并提升泵的性能。在混流设计中，韩洁婷等[22]采用倾斜导叶设计并结合流体径向压力梯度理论分析，对斜流风机进行了气动性能优化。根据已公开发表的文献调研，现有关于混流风机性能研究主要集中于叶轮设计和优化，针对后置导叶形状结构对混流风机气动性能影响的研究相对较少。

本文以一款无叶风扇用混流风机为研究对象，前期研究工作中，已对混流风机的叶轮、导叶以及叶轮与导叶的匹配进行了优化，使风机风量增大46 m3/h，噪声降低3.53 dB。为进一步实现增效降噪目标，本文以鸮翼为仿生原型，对该混流风机后置导叶进行仿生设计，探索基于导叶仿生设计实现无叶风扇用混流风机增效与噪声控制的可行性。通过数值模拟计算，研究仿生导叶对混流风机气动性能与声学特性的影响，并结合流场和压力场分析，揭示混流风机后置导叶仿生设计的降噪机理。本研究为混流风机仿生导叶开发及风机气动性能的提升提供了理论基础和技术支持。

文章脉络

1 仿生翼型重构

2 数值计算方法及验证

2.1 数值计算模型

2.2 数值计算方法

2.3 网格无关性验证

3 数值模拟计算及分析

3.1 非定常流场计算

3.2 稳态流场分析

3.3 噪声分析

图片展示

图1 翼型厚度分布图

图2 混流风机简化结构模型

图3 导叶叶片示意图

图4 混流风机流域数值计算模型

图5 网格无关性验证

图6 网格划分示意图

图7 噪声采集示意图

图8 导叶速度流线分布图

图9 导叶静压分布图

图10 导叶表面声功率级分布图

图11 带有不同导叶混流风机的声压级频谱图

结论

本文以无叶风扇用混流风机为对象，基于鸮翼仿生学原理对混流风机后置导叶进行优化设计，研究了原型导叶与仿生导叶对混流风机气动性能及噪声特性的影响。得到的主要结论如下：

1）后置导叶的仿生设计可有效提升混流风机的气动性能并降低其运行噪声。实测结果表明，在相同风量条件下，采用仿生导叶的混流风机相较原型风机的效率提升1.4%，噪声降低0.8 dB。

2）仿生后置导叶的叶片表面流动速度分布得到显著改善，叶片尾缘流动分离得到较好控制，未出现明显的涡脱落现象。由于仿生导叶的前缘厚度增加，上游叶轮出口处的压力分布均匀性得到提升。因此，当气流进入后置导叶时，导叶前缘冲击损失显著降低。

3）采用仿生后置导叶后，叶片前缘的流动状态显著改善，气流冲击强度明显减弱。在导叶叶片表面，低声功率级区域更靠近叶片前缘位置，且与原型导叶相比，其声功率级强度降低，分布范围扩大。实验结果表明，在中低频段，配置仿生后置导叶的混流风机，其宽频噪声和离散噪声均有降低。

作者简介：

刘董节，硕士学位。研究方向：旋转机械设计优化及噪声控制。地址：陕西西安交通大学创新港。E-mail：ldj3198@163.com。

文章引用：

[1] 刘董节, 潘文康, 雷国茂, 等. 仿生后置导叶对混流风机气动性能和噪声的影响[J]. 家电科技, 2025(02): 18-22.

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