無(wú)葉風(fēng)扇由出風(fēng) 和微型風(fēng)機(jī)組成,微型風(fēng)機(jī)內(nèi)置于無(wú)葉風(fēng)扇內(nèi)部,這使得無(wú)葉風(fēng)扇變得更安全、更環(huán)保,目前無(wú)葉風(fēng)扇的問題主要集中在風(fēng)力和噪音上。其中傳統(tǒng)無(wú)葉風(fēng)扇出風(fēng)圈內(nèi)表面均設(shè)置成擴(kuò)散面,結(jié)構(gòu)單一,風(fēng)力較小,因此設(shè)計(jì)研究新型出風(fēng)圈內(nèi)表面對(duì)繼續(xù)創(chuàng)新無(wú)葉風(fēng)扇結(jié)構(gòu)具有指導(dǎo)意義。同時(shí),微型風(fēng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪音較大,因此設(shè)計(jì)低噪聲風(fēng)機(jī)對(duì)無(wú)葉風(fēng)扇降噪具有重要意義。
    本文提出了帶收縮型出風(fēng)內(nèi)表面的無(wú)葉風(fēng)扇結(jié)構(gòu),并依此為依據(jù)設(shè)計(jì)了兩款無(wú)葉風(fēng)扇。對(duì)小間隙無(wú)葉風(fēng)扇模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,驗(yàn)證了收縮型內(nèi)表面能夠高效地實(shí)現(xiàn)風(fēng)量放大作用。同時(shí)研究了收縮角和入口速度環(huán)量對(duì)小間隙無(wú)葉風(fēng)扇性能的影響,為無(wú)葉風(fēng)扇和內(nèi)置風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。設(shè)計(jì)了配套的兩級(jí)低速微型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu),取代單級(jí)高速風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)葉輪采用非均勻布置葉片,通過基于RANS+FW-H方法對(duì)不同葉片分布形式下風(fēng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)特性分析,表明非等距葉片布置可以降低風(fēng)機(jī)葉片通過頻率處的噪聲值,葉片分布不均勻度越大,對(duì)該頻率噪聲降低效果越明顯;但不均勻度過大,會(huì)導(dǎo)致低頻噪聲聲壓級(jí)的大幅增加,葉片不均勻度存在一個(gè)最優(yōu)區(qū)間。對(duì)小間隙無(wú)葉風(fēng)扇和兩級(jí)風(fēng)機(jī)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明新型無(wú)葉風(fēng)扇較傳統(tǒng)無(wú)葉風(fēng)扇性能和降噪效果都有了明顯提高,同時(shí)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了研究思路的可行性。
針對(duì)大出風(fēng)間隙結(jié)構(gòu)無(wú)葉風(fēng)扇無(wú)法形成穩(wěn)定射流的問題,通過格柵結(jié)構(gòu)設(shè)置保證了大出風(fēng)間隙條件下的均勻出風(fēng),數(shù)值模擬結(jié)果表明無(wú)葉風(fēng)扇間隙越大,需要的格柵密度越大。而收縮角對(duì)大出風(fēng)間隙結(jié)構(gòu)的性能和風(fēng)向也具有顯著影響,夾角過大或過小都會(huì)使風(fēng)向偏離中心位置。本文給出了無(wú)葉風(fēng)扇及其內(nèi)置低噪聲風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法,給出了帶收縮型出風(fēng)內(nèi)表面的無(wú)葉風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、無(wú)葉風(fēng)扇專用低速兩級(jí)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、不等距風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)以及帶格柵的大間隙出風(fēng)結(jié)構(gòu),給出了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)風(fēng)扇性能與噪聲指標(biāo)的影響,設(shè)計(jì)的新型無(wú)葉風(fēng)扇達(dá)到了設(shè)計(jì)目的,分析結(jié)果為新型無(wú)葉風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和產(chǎn)品開發(fā)提供了參考。

1.1研究背景和意義

    目前夏天家庭里去署的工具主要是空調(diào)和傳統(tǒng)三葉式風(fēng)扇?？照{(diào)耗電率較高,并且?guī)缀鯖]有通風(fēng);傳統(tǒng)風(fēng)扇的葉片暴露在空氣中,不僅容易附著灰塵,清洗麻煩,而且對(duì)小朋友還存在一定的安全隱患。英國(guó)人詹姆士戴森發(fā)明的無(wú)葉風(fēng)扇徹底改變了風(fēng)扇在人們心中的形象,它拋棄了傳統(tǒng)電風(fēng)扇的葉片部件,使風(fēng)扇變得更安全、更節(jié)能、更環(huán)保,因此,無(wú)葉風(fēng)扇被美國(guó)科技雜志評(píng)為了 2009年的全球十大發(fā)明之一。
    圖1.1為無(wú)葉風(fēng)扇工作原理圖,無(wú)葉風(fēng)扇由含基座的無(wú)葉風(fēng)扇出風(fēng)圈和微型風(fēng)機(jī)組成。狹義的無(wú)葉風(fēng)扇僅指出風(fēng) ,本文中如無(wú)特殊說明,無(wú)葉風(fēng)扇也僅指無(wú)葉風(fēng)扇出風(fēng) 。微型風(fēng)機(jī)將外界空氣抽吸到基座內(nèi)部,經(jīng)由風(fēng)機(jī)井壓后的空氣,從一個(gè)1 mm左右寬的環(huán)形出風(fēng)口吱出來。由于空氣是被強(qiáng)制從這一環(huán)形細(xì)縫里歡出來的,噴射出的急速氣流會(huì)基于霧沫夾帶的原理帶動(dòng)周圍的空氣一起向同方向運(yùn)動(dòng),氣流前進(jìn)會(huì)在無(wú)葉風(fēng)扇背后產(chǎn)生負(fù)壓,無(wú)葉風(fēng)扇背后的空氣會(huì)不斷地被吸入以維持前后的壓力平衡,氣流量被放大,最終使風(fēng)扇前方氣流較風(fēng)機(jī)入口氣流量增強(qiáng)15倍[2]。
    目前無(wú)葉風(fēng)扇以其結(jié)構(gòu)和原理的新穎性受到人們的喜歡,正逐漸走進(jìn)人們的曰常生活,但由于價(jià)格偏昂責(zé),暫時(shí)還沒有得到普及.除價(jià)格外,無(wú)葉風(fēng)扇還存在一些其他問題:首先,從能量角度來看,無(wú)葉風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口與傳統(tǒng)風(fēng)扇相比增加了氣流阻力,因此其轉(zhuǎn)換效率沒有傳統(tǒng)風(fēng)扇的髙,也就是說不考慮風(fēng)量放大作用,產(chǎn)生同等出風(fēng)量的無(wú)葉風(fēng)扇所需動(dòng)力髙于傳統(tǒng)風(fēng)扇.研究無(wú)葉風(fēng)扇的流場(chǎng)特性和影響因素,可以為無(wú)葉風(fēng)扇的繼續(xù)創(chuàng)新提供參考.其次,作為無(wú)葉風(fēng)扇的動(dòng)力源,內(nèi)置%型風(fēng)機(jī)同時(shí)也是最主要的噪聲源.無(wú)葉風(fēng)扇流量通過風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn),在低速時(shí)相當(dāng)安靜;但大風(fēng)量時(shí)需要提髙風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提髙使無(wú)葉風(fēng)扇的噪音比傳統(tǒng)風(fēng)扇還大,因此造成低轉(zhuǎn)速風(fēng)力小,髙轉(zhuǎn)速噪聲大的缺點(diǎn).對(duì)于無(wú)葉風(fēng)扇來說,設(shè)計(jì)髙性能低噪聲的微型風(fēng)機(jī)具有非常重要的意義.