弯曲倾斜出风格栅对电风扇性能影响的数值模拟研究及优化

弯曲倾斜出风格栅对电风扇性能影响的数值模拟研究及优化

柳洲

珠海格力电器股份有限公司 珠海 519000

摘  要  电风扇是夏日居家纳凉的必备品，普及率广。国家倡导节能减排，2021年11月公布《电风扇能效限定值及能效等级》强制性国家标准，对交流落地扇能效标准提升9%,基于电机功率和成本不变基础上，对电风扇能效有了更高的要求。本文通过对电风扇风叶及出风格栅的数值仿真计算与实验数值对比，验证计算的可靠性。分析了弯曲倾斜倾斜出风格栅对电风扇吹风的流场特性，设计内外反向双层出风格栅，内格栅与风叶的旋转方向相同，提高格栅强度和出口风速，外部格栅与风叶旋转方向相反，提高电风扇送风范围26.6%及送风舒适性，整体风量提升44.2%，提高电风扇能效。

关键词： 电风扇；出风格栅；风扇网罩；风量；CFD仿真 ；风速；能效

Abstract:Electric fans are a must-have item for cooling off at home in summer, with wide popularity. The state advocates energy conservation and emission reduction. In November 2021, the mandatory national standard of "Electric Fan Energy Efficiency Limits and Energy Efficiency Grades" was announced, and the energy efficiency standard of AC floor fans will be increased by 9%. Based on the unchanged motor power and cost, there are higher requirements for the energy efficiency of electric fans. In this paper, the reliability of the calculation is verified by comparing the numerical simulation calculation with the experimental value of the fan blade and air outlet grille. The flow field characteristics of the electric fan blowing by the curved inclined air outlet grille are analyzed, and the inner and outer reverse double-layer air outlet grille is designed. The results show that when the rotation direction of the inner grille and the fan blade is the same, the strength of the grille and the outlet wind speed can be improved; when the rotation direction of the outer grille and the fan blade is opposite, the air supply range and air supply comfort of the electric fan can be improved by 26.6%. The air volume is increased by 44.2%, improving the energy efficiency of electric fans;When the external grille rotates in the opposite direction to the fan blades, the air supply range of the electric fan will be increased by 26.6% and the air supply comfort will be improved. The overall air volume will be increased by 44.2% and the energy efficiency of the electric fan will be improved.

Keywords: Electric fan; out of the style grille; fan mesh cover; air volume; CFD simulation; wind speed; energy efficiency

1  引 言

      电风扇通过扇叶旋转对气体做功，带动空气流动使人凉爽。风量是其关键性能指标。随着生活质量水平的提高，对电风扇的性能要求越高: 要求风量大，送风范围广，距离远，噪声低。国家为推动风扇产业链的发展，围绕风量和能效性能，国家市场监督管理总局完善了电风扇的风扇测试方法[1]，提升了风量测试的稳定性和准确性，对电风扇能效能标准升级，公布了《电风扇能效限定值及能效等级》[2],在成本及电机功率不变的情况下,风量需要提升10%以上。电风扇风量的影响因素主要有风叶，出风格栅及电机转速，其中出风格栅设计的好坏直接影响电风扇风量，送风范围和送风距离。张震等［3］以轴流风叶的尾缘出风角为依据，设计优化了格栅叶片的入口角；谷德军等［4］人通过 CFD 技术研究不同种类和不同百叶角度的格栅对于机组性能的影响，确定了较优的格栅类型和百叶角度；刘佳微等[5] 优化出风格栅的入口角，提升空调室外机的性能。通过以上研究出风格栅能改善气动性能。电风扇格栅用途和风机或则空调的性能要求不一样，风量测试方法，能效及电风扇格栅设计思路差异较大。本文通过CFD建立电风扇的风场仿真模型及仿真电风扇风量的计算方式，并通过实验验证可靠性，分析了出风格栅对电风扇风量，送风范围的影响，通过优化出风格栅的截面形状及旋转方式，提升电风扇风量。

2  电风扇的风量测试方法及规律

   电风扇主要用于室内空气流通，散热纳凉。电风扇要求送风舒适，风速高，风量大，送风面积广等要求，国家根据其风扇特点，规定了风扇的测试方法 《交流电风扇和调速器》，并采用风环平均风扇累积计算方式。

    电风扇的风量测试方法：

    电风扇如下视图房间测试，长度4500mm,宽度4500mm，高度3000mm。S—试样样机；F—风速表；d—测试距离，风速表的叶片平面与被试电风扇的扇叶平面平行，这两个平行平面之间的距离d是被试电风扇扇叶标称直径的3 倍，风速表在试验平面内，沿着与扇叶轴线成垂直相交的水平轴和垂直轴线上，向左右上

下四个方向移动，风速表叶片的轴线应始终与电风扇扇叶的轴线相平行，试验时，应从距离扇叶轴线20mm 左右上下四点处开始测量，以每40mm 的增量分别沿着水平和垂直方向逐点向外移动，直到所测得的平均风速下降到低于24m/min 时为止（不含低于该值）

电风扇的总输出风量：所有风环风量的总和：

总风量=лr*d ,Q-通过风环的风量（m3/min），

能效=总风量/功率

V-同一半径上的平均风环风量，r-风环的平均半径，d为风环的宽度，等于40mm，S-风环的面积。

    通过以上风量的计算公式，可以看出电风扇风量越大，其要求风速越大，送风面积越广。风环半径越大，面积越大，对风量增幅明显，增加风量需要提高风环半径和其风速。

3、电风扇风叶及出风格栅的数值分析及实验验证

3.1 原始样机技术现状

本文研究的对象是目前电风扇市面上主流畅销，350规格系列的落地扇。按照国标GB_T 13380-2018 交流电风扇和调速器标准，风量要求46m3/min(-10%)。

电风扇的气动主体结构为 前出风格栅，后网，风叶，风叶由电机驱动，转速为1100rpm。原始直流机型结构主要参数如下：

表1  某35系列落地扇主要结构参数

3.2数值计算方法

采用CREO进行三维建模，只要包括风叶和出风格栅和后网，计算域分为旋转域和流体域，流体域的直径D略高于风叶直径d，D=(1+0.02)*d,根据电风扇的不同直径下的出风范围经验统计和考虑计算量，流体域的计算直径是D2=2.5*d，考虑风场的稳定性，出风口距离风叶3d,进风口距离风叶的直径1.5d其结构模型如下：

                      图1  原始风叶气动模型

将模型导入fluent meshing ,将模型分为计算域和流体域，风叶和格栅，其中对风叶尾缘和格栅局部加密，因结构比较复杂，格栅数较多，采用六面体网格，为了保证计算精度，对模型进行网格无关性验证，计算对比分析。格栅数在350-400万网格之间，风机的额定风量误差小于2%，使用ansys fluent 软件求解器：流体介质25℃的不可压缩空气；压力进口和压力出口；湍流方程：稳态计算，SST湍流模型；数值算法：采用压力-速度耦合SIMPLEC算法。

3.3 计算模型的可靠性验证

计算完成后不能直接提取风量，需要按照风扇的测试方法采集测点，即距离风叶3倍直径的的出口距离，取不同风环测点坐标的平均值如下，，测点在距离风叶1050mm的位置风环半径20、60、100、140、180、220、260、300、340、380、420、460mm取上下左右四个点，然后计算平均值。总风量=

лr*d，风机的计算和实验的测试值对比如下：

通过对比分析，风叶的测试误差和实验的误差1.2%，误差可以控制在5%以内，评估改方法模拟测试环境可靠，可以准确的预估电风扇的风量。

3、电风扇的气动格栅的优化设计

电风扇主要由风叶和出风格栅组成，风叶是提供动力，出风格栅提供安全防护。本文主要通过出研究出风格栅的出风方式提高电风扇的气动，改善出风范围，增加用户体验。目前的风量是41.57m3/min,国标要求风量46m3/min（-10%）要求，不满足要求。通过对风扇的风量测试数据分析，风量最大部位在140-220mm，最大风环半径为340mm，且在220-260其风量衰减幅度最大，为提高风量，需要提高风扇中间风速和静压，以减少220-260mm风速的衰减，同时要提高送风范围，需要提高340以外的风环风速。                  

  为提高风量的性能，满足强度要求，如图2将出风格栅设计成内外两层导叶，其中内层导叶主要提高静压能及内环风速，并减缓180-260mm风环的风速衰减，外层格栅主要扩大出风角度提高送风范围，并提高300mm以上风环的风速。 

    机头组件                  风叶              内侧格栅          外侧格栅

图2   出风格栅与风叶的结构分解图

内层导叶格栅设计方案:满足安全标准和强度的情况下，将原有方案的66根内格栅，中部99根弯格栅合并成60根加长型弯度格栅，通风面积由原有的75%，增加到87%，减少风阻，提高风速。按照图3和图4将内部格栅的弯度方向与风叶旋转气流出风V1的方向相反且形成一定的夹角，角度设计设计不能过大，优选10-30°，使V1速度分解成线速度U2W和U2t其中，U2W沿着导叶方向倾斜出风，U2t转化一部分静压能，提高静压和出口风速度；

图3 内层格栅风叶与风叶的气动速度图    图4  风叶与内层格栅的叶型截面

外层导叶格栅设计方案:满足安全标准和强度的情况下，将原始最外层竖直型99根导叶格栅更改成87根，增大进风面积，提高风量。同时为提高外层出风扩散角度，如图5和图6格栅的弯曲旋转方向与风叶的旋转方向相同，导叶与进出风轴向成一定的角度，其角度V2与叶片的出风角度V1相同，减小风阻，气流经过狭长的倾斜出风格栅通道，经过轴向旋转，将气流向外扩散，增加外环的风速和送风范围。但其角度不宜过大，过大会导致风扇整体风速太发散，中间风速会减弱，风感体验差，根据常规家用电风扇风场大数据统计及用户体验，风扇最大风速不低于180m3/min，优选10-30°。

图5   外层格栅导叶与风叶的气动速度图   图6 风叶与内层格栅的叶型截面

4. 数值模拟及结果分析

       风叶和后网不变，出风格栅设计成内外两层导叶，内部格栅的弯度方向与风叶旋转气流出风的方向相反且形成一定的夹角15°，通过仿真研究分析，格栅的倾斜角度与出风相反，并形成一定的角度，在其垂直于格栅表面的分速度会转发一定的压力能，提高静压能，通过气动仿真分析，如图7和图8原始样机内部直格栅表面静压是16-19pa , 而采用内部倾斜15°顺时针弯格栅静压25-34pa,静压能力提升约10pa，风速提高0.5m/s。

           原始样机内部直格栅              内部倾斜15°弯格栅

图7   不同内部格栅导叶格栅表面压力云图对比

原始样机内部直格栅              内部倾斜15°弯格栅

图8   电风扇出风风速云图

外部格栅格栅的弯曲旋转方向与风叶的旋转方向相同，导叶与进出风轴向成一定的角度，因外部格栅影响风量、送风范围和用户的风速风感体验，角度越大，外围风速越大，其风量越大，但是风速因外扩易发散，风感体验差。其设计交底需要在风量与风速体验中找平衡点，要求风量不低于46m3/min,其送风最大风速不低于200m3/min,针对外环格栅的角度设计0、5°、15°、17°、20°，仿真评估其最大风速和风量，如下：

通过验证，外层格栅角度的增大，其送风范围增加，风量增加，但是风速会减少，考虑风量满足国标46m3/min标准要求，风速不低于200m3/min,其外环的切风角度优先17°

格栅整体的设计方案，风叶顺时针旋转，出风格栅内环弯度方向采用顺时针旋转，倾斜方向与出风方向相反，倾斜15°，出风格栅外环弯度方向逆时针，其倾斜方向与出风方向相同，并倾斜17°，其测试风量49.9m3/min，相对原始风量提速44.2%，其出风范围由出风半径300mm提升380mm,提速26.6%，出风风速208m3/min ,满足要求。新设计出风格栅的风量测试数据：

5、结论

   本文基于ansys fluent平台，研究了电风扇出风格栅对其风量性能，送风范围，风感舒适性的影响及规律，设计了正反不同弯度，内外格栅倾斜角度的格栅设计方案，提升了风量和风感舒适性，其结论如下：

1)、采用CFD模拟电风扇风量的风场，在距离风扇3倍直径距离，采集上下左右各个点平均风环风速，模拟电风扇的风量的测点，统计风量，其风量误差控制在2%以内，验证了CFD模拟电风扇风场和风量的方法可靠性；

2)、出风格栅设计两层正反内外弯度格栅，相比直格栅，其强度更改，能一定程度的减少格栅的数量，增加出风面积，提高风量风速；

3)、研究内外格栅的弯曲方向和倾斜方向对风量的影响，内部格栅的弯度方向与风叶旋转方向相同，格栅倾斜方向与气流出风方向相反，其角度与风叶的轴向方向形成一定的夹角15°，可以使风叶的出风风速的垂直于格栅端面的分速度转化静压能，格栅避面压力提升10pa,提升风速风感。外部格栅的弯度方向与风叶的旋转方向相反，格栅倾斜方向与风叶气流出风方向相同，其与轴向的倾斜角度越大，风量和出风范围越大，但是出风最大风速风速降低，格栅的倾斜角度和风量之间需要合理的匹配，根据电风扇能效标准和风感体验，其倾斜方向与出风方向相同，并倾斜17°，其测试风量49.9m3/min，相对原始风量提速44.2%，其出风范围由出风半径300mm提升380mm,提速26.6%，满足性能要求。

参考文献

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