中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在2025年，隨著科技的不斷進(jìn)步，浴室暖風(fēng)機(jī)行業(yè)也在持續(xù)發(fā)展。多翼離心式浴室暖風(fēng)機(jī)憑借其獨(dú)特的性能，在市場(chǎng)中占據(jù)了重要地位。然而，其氣動(dòng)性能和噪聲問題一直是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)這一領(lǐng)域的深入研究，有助于提升產(chǎn)品性能，滿足消費(fèi)者對(duì)舒適、安靜沐浴環(huán)境的需求。

  一、浴室暖風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型概述

  以某典型浴室暖風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的離心風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，其三維模型清晰展示了各部分結(jié)構(gòu)。該離心風(fēng)機(jī)葉輪采用多翼離心前向葉片，葉輪內(nèi)徑D1為 70mm，葉輪外徑D0為 90mm，葉片數(shù)為 45 片，葉輪進(jìn)口角β1A為 103°，葉輪出口角β2A為 28°，蝸舌間隙 C 為 8mm。整個(gè)系統(tǒng)包含蝸殼、葉輪、隔板以及出口段等部分，各部分協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)浴室暖風(fēng)機(jī)的功能。

  二、浴室暖風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬方法

  (一)網(wǎng)格劃分

  《2025-2030年全球及中國(guó)浴室暖風(fēng)機(jī)行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，浴室暖風(fēng)機(jī)的離心風(fēng)機(jī)計(jì)算域分為進(jìn)口延長(zhǎng)段、集流器、葉輪、蝸殼和出口段 5 個(gè)主要部分。在網(wǎng)格劃分時(shí)，葉輪、蝸殼和進(jìn)口延長(zhǎng)段采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，集流器和出口段采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，同時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)部、蝸舌壁面附近的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加密。通過網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格單元大于 840 萬(wàn)時(shí)，進(jìn)出口壓差變化小于 1%，因此后續(xù)計(jì)算選定該網(wǎng)格數(shù)。

  (二)邊界條件設(shè)定及計(jì)算求解

  風(fēng)機(jī)工作在額定工況下，由于馬赫數(shù)低于 0.3，氣流視為不可壓縮流動(dòng)。入口設(shè)為壓力入口，出口設(shè)為質(zhì)量流量出口，葉輪以風(fēng)機(jī)軸心為旋轉(zhuǎn)軸。定常計(jì)算采用 SST 湍流模型，壓力 - 速度耦合項(xiàng)采用 SIMPLE 算法，初始邊界條件設(shè)置為速度入口，靜壓出口，模型采用無(wú)滑移壁面多重參考系 MRF 模型。流場(chǎng)穩(wěn)定后，將穩(wěn)態(tài)結(jié)果作為非定常計(jì)算的初值。非定常計(jì)算采用離散渦模型(DES)，壓力 - 速度耦合采用 PISO 方法，壓力項(xiàng)、動(dòng)量項(xiàng)、湍動(dòng)能及湍流耗散率項(xiàng)的離散都采用二階迎風(fēng)格式，時(shí)間項(xiàng)離散采用二階隱式格式。監(jiān)測(cè)的最大頻率設(shè)置為 10000Hz，根據(jù)奈奎斯特定理，非定常計(jì)算時(shí)設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為 1161r/min，葉輪旋轉(zhuǎn) 1r 所需步數(shù)為 1034 步，最大迭代步數(shù)設(shè)置為 15 步。

  三、浴室暖風(fēng)機(jī)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

  (一)穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果

  計(jì)算得出該浴室暖風(fēng)機(jī)離心風(fēng)機(jī)的全壓為 10Pa。從流場(chǎng)截面圖分析，在接近蝸舌處的葉輪內(nèi)部發(fā)生回流現(xiàn)象，這是由于葉輪內(nèi)部壓差使高壓區(qū)氣流流向低壓區(qū)，壓力波動(dòng)成為噪聲源。蝸舌和葉輪間流道過窄加劇了回流趨勢(shì)。在蝸殼彎折設(shè)計(jì)處，氣流撞擊壁面滯留旋渦，加強(qiáng)了振動(dòng)噪聲。在風(fēng)機(jī)進(jìn)流區(qū)域，葉片尖端因葉片圓弧曲率大、徑向流速和氣流角小產(chǎn)生旋渦。在出口段，氣流撞擊凸起壁面產(chǎn)生旋渦，形成三角區(qū)回流和低速區(qū)，降低了風(fēng)機(jī)流量性能和能量利用效率，加強(qiáng)了渦流噪聲。同時(shí)，出口段隔板上聲功率級(jí)較為集中，說(shuō)明現(xiàn)有隔板設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致較高聲壓產(chǎn)生。

  (二)瞬態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果

  為了解多翼離心風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)的靜壓波動(dòng)，在截面 S1 上設(shè)置不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，蝸舌和葉輪間隙處的監(jiān)測(cè)點(diǎn) P1 波動(dòng)頻率和振幅明顯高于其他出口點(diǎn)，這是由于湍流周期性通過該間隙，加劇氣流不均勻性導(dǎo)致脫流，產(chǎn)生高噪聲。進(jìn)口點(diǎn) P5 壓力脈動(dòng)振幅異常高，是因?yàn)槲伾嚅g隙設(shè)置不合理導(dǎo)致流動(dòng)分離，使接近蝸舌區(qū)域葉輪內(nèi)外流動(dòng)形態(tài)復(fù)雜。通過分析還發(fā)現(xiàn)，離心風(fēng)機(jī)的吸力面振幅大于壓力面，說(shuō)明葉片吸力面是葉輪內(nèi)部主要噪聲源。風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲采用 FW - H 方法模擬，在 5 號(hào)測(cè)點(diǎn)處的聲壓頻譜圖中，對(duì)應(yīng)聲壓級(jí) SPL 在 900Hz 出現(xiàn)峰值，計(jì)算得到基頻為 870Hz，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)離散噪聲特征明顯。

  四、浴室暖風(fēng)機(jī)噪聲特性改進(jìn)

  (一)優(yōu)化方案

  葉輪參數(shù)優(yōu)化：離心風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)離散噪聲主要來(lái)自葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)空氣的周期性打擊。通過單因素分析法選取不同葉片數(shù)試算優(yōu)化葉輪參數(shù)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同流量下，當(dāng)葉片進(jìn)口角為 110°、出口角為 30°、葉片數(shù)為 49 片時(shí)，靜壓性能最佳。采用新葉輪方案后，入流攻角減小，減緩了葉片流道中的分離渦，擴(kuò)大了葉道正常通流范圍，接近蝸舌區(qū)域的葉間旋渦變小，有助于減小渦流噪聲，10 個(gè)測(cè)點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲平均聲壓級(jí)降低了 1.50dB。

  蝸殼和出口段優(yōu)化：由于蝸殼和出口段處彎折段設(shè)計(jì)導(dǎo)致回流和渦流噪聲，將增大蝸舌間隙、消除彎折段和加長(zhǎng)隔板長(zhǎng)度定為方案 2。優(yōu)化后，出口段流線更整齊有序，減少了紊亂旋渦，流動(dòng)穩(wěn)定性增加，更多機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體動(dòng)能，流動(dòng)性能更佳。方案 2 與原始風(fēng)機(jī)相比，各部位聲壓級(jí)均勻降低，平均聲壓級(jí)降低了 2.80dB。

  (二)優(yōu)化方案結(jié)果分析

  將葉輪優(yōu)化后與方案 1 提出的蝸殼和出口段設(shè)計(jì)組合，得到優(yōu)化模型。從出口面湍動(dòng)能 TKE 分布圖看，優(yōu)化后消除了風(fēng)機(jī)出口大部分高湍動(dòng)能區(qū)域，運(yùn)行過程能量損耗明顯降低。在測(cè)點(diǎn) 5 的 A 加權(quán)聲壓級(jí)頻譜中，優(yōu)化模型在 1kHz 附近聲壓級(jí)降低，處于基頻附近，說(shuō)明葉輪優(yōu)化降低了旋轉(zhuǎn)噪聲，高頻范圍聲壓級(jí)降低與蝸殼和出口段結(jié)構(gòu)改進(jìn)有關(guān)。不過，原始風(fēng)機(jī)在相對(duì)大流量120m3/h情況下效率為 15.6%，優(yōu)化后因增加蝸舌間隙使泄漏流增加，效率降低為 14.0%。

  (三)試驗(yàn)驗(yàn)證

  在半消聲室對(duì)優(yōu)化前后的浴室暖風(fēng)機(jī)模型開展噪聲測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試環(huán)境和條件符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)點(diǎn)布置按規(guī)定進(jìn)行。優(yōu)化前后的模擬值和試驗(yàn)值對(duì)比顯示，流量為170m3/h時(shí)，模擬得到的平均聲壓級(jí) SPL 同試驗(yàn)值相比誤差均在3% 以內(nèi)。優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)10個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)平均值由48.57dB 降低到 45.46dB，降低了 3.11dB，降幅達(dá)到6.4%，證明了優(yōu)化方案的有效性。

  總結(jié)

  2025年，針對(duì)浴室暖風(fēng)機(jī)中多翼離心風(fēng)機(jī)的研究取得了顯著成果。原始風(fēng)機(jī)模型存在諸多問題，如葉輪葉片圓弧曲率大導(dǎo)致流動(dòng)分離和回流，產(chǎn)生偶極子噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲;出口段隔板設(shè)置不合理導(dǎo)致寬頻噪聲較大。通過對(duì)葉輪葉片數(shù)、進(jìn)口角、出口角的調(diào)整，有效降低了葉片流道間的入流攻角，減輕了葉片尖部流動(dòng)分離，降低了旋轉(zhuǎn)噪聲。對(duì)蝸殼結(jié)構(gòu)、出口段彎折和隔板長(zhǎng)度的改進(jìn)，顯著提升了流場(chǎng)性能，降低了寬頻噪聲。優(yōu)化后的浴室暖風(fēng)機(jī)具備更好的流場(chǎng)特性，能有效降低全頻段聲壓級(jí)。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明，優(yōu)化模型平均聲壓級(jí)下降了 3.11dB，降幅達(dá) 6.4%，降噪效果顯著，為浴室暖風(fēng)機(jī)行業(yè)技術(shù)發(fā)展提供了有力支撐，有助于提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，滿足消費(fèi)者對(duì)高品質(zhì)沐浴體驗(yàn)的需求。

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