1.2.1無葉風(fēng)康研究現(xiàn)狀
英國家電廠家戴森(Dyson)受空氣葉片干手器的啟發(fā),在2009年10月12曰推出了第代無葉風(fēng)扇【3】,其獨(dú)特的造型和產(chǎn)風(fēng)原理以及平穩(wěn)的風(fēng)感,受到
很多學(xué)者和用戶的青睞.2011年2月,戴森繼一代無葉風(fēng)扇后,在香港又強(qiáng)勢(shì)推出的無葉風(fēng)扇第二代,增加了無線遙控器。
因?yàn)闆]有葉片暴露在空氣中,所以無葉風(fēng)扇安全性能要優(yōu)于傳統(tǒng)風(fēng)扇,同時(shí)風(fēng)機(jī)內(nèi)置于無葉風(fēng)扇內(nèi)部,還可以起到明顯的降噪效果。傳統(tǒng)風(fēng)扇的出風(fēng)量
要比無葉風(fēng)扇大一些,比較適合大面積送風(fēng);而無葉風(fēng)扇因?yàn)闆]有葉片來`切割'空氣,向使用者輸出的氣流具有低撒流、輪廊呈線性的優(yōu)點(diǎn),使用者不會(huì)感到階段性沖擊和波浪形刺激,無葉風(fēng)扇吹風(fēng)給人一種接近自然風(fēng)的體感,所以舒適感要強(qiáng)于傳統(tǒng)風(fēng)扇.同時(shí)線性低滿流的氣流有效從出風(fēng)口噴出,能降低能量損失,即使相隔較遠(yuǎn)也會(huì)感覺到?jīng)鏊母杏X,能達(dá)到髙效節(jié)能的作用。無葉風(fēng)扇的優(yōu)勢(shì)已被越來越多的人認(rèn)可,已經(jīng)形成了自己的市場(chǎng).目前國內(nèi)市場(chǎng)上的國外產(chǎn)品具有原創(chuàng)性,專利保護(hù)嚴(yán)格,但結(jié)構(gòu)單一,價(jià)格較髙;而國產(chǎn)無葉風(fēng)扇雖然價(jià)格便宜,功能較多,但創(chuàng)新性不足,因此研究無葉風(fēng)扇流場(chǎng)特性,創(chuàng)新無葉風(fēng)扇結(jié)構(gòu)對(duì)打破國外專利壟斷,降低無葉風(fēng)扇價(jià)格具有現(xiàn)實(shí)意義。
目前無葉風(fēng)扇還不能完全取代傳統(tǒng)三葉式風(fēng)扇,其問題主要集中在噪音和風(fēng)力上面,對(duì)應(yīng)部件就是內(nèi)置風(fēng)機(jī)和無葉風(fēng)扇出風(fēng) 。無葉風(fēng)扇出口結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了最終出風(fēng)的效果,無葉風(fēng)扇緊鄰出風(fēng)口處設(shè)置一個(gè)科恩達(dá)表面?？贫鬟_(dá)表面是一種已知的表面,離開出風(fēng)口的流體經(jīng)過該表面表現(xiàn)出科恩達(dá)效應(yīng)⑷:流體(水流或氣流)有離開原來的流動(dòng)方向,改為隨著凸出的物體表面流動(dòng)的傾向,由于流體與它流過的物體表面之間存在表面摩擦,流體的流速會(huì)減慢,只要物體表面的曲率不是太大,依據(jù)流體力學(xué)中的伯努利原理,流速的減緩會(huì)導(dǎo)致流體被吸附在物體表面上流動(dòng)。氣流緊貼物體表面運(yùn)動(dòng),在很大程度上避免了在尺寸發(fā)生改變的區(qū)域產(chǎn)生回流而導(dǎo)致能量損失,并能有效帶動(dòng)更大范圍的流體隨之流動(dòng)。
目前國內(nèi)外關(guān)于無葉風(fēng)扇的專利[5][6]有很多/但現(xiàn)有專利中無葉風(fēng)扇科恩達(dá)表面下游內(nèi)環(huán)壁面均設(shè)置成擴(kuò)散面,結(jié)構(gòu)形式單一;另外出風(fēng)口間隙比較小,造成很大的壓阻。同時(shí)關(guān)于無葉風(fēng)扇的研究論文還比較缺少,張廣星[7]用數(shù)值模擬的方法研究科恩達(dá)面曲率半徑對(duì)無葉風(fēng)扇性能的影響,發(fā)現(xiàn)科恩達(dá)面曲率半徑對(duì)無葉風(fēng)扇速度場(chǎng)影響較大。王旱祥[8]等依然利用數(shù)值模擬的方法研究出口間隙和滬散面傾角對(duì)無葉風(fēng)扇性能的影響,最終尋找出最佳傾角和間隙。

1.2.2風(fēng)機(jī)降噪研究現(xiàn)狀

    內(nèi)置微型風(fēng)機(jī)為無葉風(fēng)扇提供動(dòng)力,由于無葉風(fēng)扇氣流阻力較傳統(tǒng)風(fēng)扇要高,因此要求內(nèi)置風(fēng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行,而高速旋轉(zhuǎn)的葉輪勢(shì)必產(chǎn)生很大的噪音。世界衛(wèi)生組織認(rèn)為,噪聲污染已經(jīng)成為影響人們身體健康和生活質(zhì)量的嚴(yán)重問題[9],因此降低風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)無葉風(fēng)扇的推廣意義重大。實(shí)踐證明,風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)的機(jī)械噪聲和電磁噪聲。風(fēng)機(jī)噪聲的影響因素眾多,根據(jù)聲福射的基本規(guī)律,噪聲源可以分為單極子、偶極子和四極子。IJ.Sharland[iG]對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲源特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究,結(jié)果表明,軸流風(fēng)機(jī)噪聲具有偶極子特點(diǎn),由葉片作用于流過風(fēng)機(jī)的空氣而產(chǎn)生的脈動(dòng)引起,分為旋轉(zhuǎn)噪:聲和禍流噪聲。
    風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲又稱離散頻率噪聲,其發(fā)聲機(jī)理主要有兩種:一種是當(dāng)葉片在自由空間旋轉(zhuǎn)時(shí),葉片鄰近的某固定位置處的空氣受到葉片和其壓力場(chǎng)周期性激勵(lì)而發(fā)聲;另一種旋轉(zhuǎn)噪聲來自動(dòng)葉與靜葉之間的干涉,這種干涉既歸因于壓力場(chǎng)的相互作用,又歸因于葉片尾跡的作用。當(dāng)動(dòng)葉與靜葉間距較小時(shí),動(dòng)葉尾流掃過靜葉片會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)力,從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)噪聲。其頻率f跟葉片數(shù)Z和轉(zhuǎn)速n有關(guān),又稱葉片通過頻率,基頻可表示為:除了葉片基頻以外,風(fēng)機(jī)的離散噪聲還有與基頻成倍數(shù)的各階諧波組成,f=if (i=2,3,4……),各階諧波的聲壓值逐漸減小。禍流噪聲又稱為寬頻噪聲,根源是隨機(jī)脈動(dòng)力,其主要是由葉輪入口來流不均勻(例如葉輪入口處有障礙物、急轉(zhuǎn) 等)、動(dòng)葉湍流邊界層的漩禍自葉片后緣脫落時(shí)引起的壓力脈動(dòng)、二次禍流等原因引起的。研究表明,寬頻噪聲的強(qiáng)度與氣流的八次方成比例。目前降低風(fēng)機(jī)噪聲的途徑按原理可以分為兩種:一是治標(biāo),采取消聲器、隔聲或吸聲等措施;二是治本,用氣動(dòng)聲學(xué)原理來設(shè)計(jì)降低風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)于小型風(fēng)機(jī)來說,釆用消聲器的造價(jià)髙、體積大,有時(shí)甚至消聲設(shè)備的造價(jià)和體積都大于風(fēng)機(jī)本身,得不償失;而人們對(duì)它們的低噪聲要求又格外嚴(yán)格。對(duì)于小型風(fēng)機(jī),如果效率和噪聲不能兼顧,印使降低效率來換取低噪聲也是可取的。目前風(fēng)機(jī)降噪的方法很多[12],主要包括葉片穿孔法【13]、前掠葉片降噪法仿生學(xué)降噪法[15】、不等節(jié)距葉片降噪法[16】【17]【18]等。其中不等節(jié)距葉片因?yàn)椴桓淖內(nèi)~片形狀,成本相對(duì)其他控制方法更低。在結(jié)構(gòu)上來說葉輪產(chǎn)生離散噪聲的原因是葉片間周向夾角均勻布置,因此葉片非等距布置是降低葉輪離散噪聲的有效手段。
一種最常用的葉片分布角按公式

,    圖1.2為葉片分布示意圖。中,等節(jié)距第n個(gè)葉片應(yīng)安裝的位置;9'?_不等節(jié)距第n個(gè)葉片安裝的位置;關(guān)于葉片非均布式葉輪的研究工作開展較早,1^0%5011[2°】于1976年首次提出了采用周向隨機(jī)布置葉片可以降低軸流壓縮機(jī)基頻噪聲的觀點(diǎn);之后Melin和Sovran[21]對(duì)軸流壓氣機(jī)采用葉片非均布方案降低葉輪離散噪聲的方法進(jìn)行了研究,推導(dǎo)出了計(jì)算不等距葉片離散噪聲的公式;￡%31<1[22]則采用葉片非均布方法成功地將一軸流風(fēng)扇的基頻噪聲降低了 8dB;國內(nèi)伍先俊[23]等研究了針對(duì)貫流風(fēng)機(jī)的降噪,對(duì)風(fēng)機(jī)葉片周向角進(jìn)行了不等距優(yōu)化設(shè)計(jì),提出了一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型;此外,針對(duì)離心風(fēng)機(jī)采用非均布式葉輪的方法也有相關(guān)研究[24]。根據(jù)ghthill25]的氣動(dòng)聲學(xué)理論,Wright[26]* Lowson[27]等人從不同角度導(dǎo)出了等節(jié)距葉片轉(zhuǎn)子的聲轄射公式,而國內(nèi)學(xué)者孫曉峰又在Wright的基礎(chǔ)上推出了不等節(jié)距葉片轉(zhuǎn)子噪聲的聲福射公式,成功預(yù)測(cè)出某不等節(jié)距葉片比等節(jié)距葉片在葉片通過頻率(BWF)處噪聲比的降低幅值,并通過實(shí)驗(yàn)說明葉片可以在相當(dāng)大的逾度內(nèi)選擇分布方式而不會(huì)使風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能惡化。馬健峰[28]根據(jù)文獻(xiàn)[19]葉片分組自平衡的分配方案進(jìn)行葉輪葉片的不等距設(shè)計(jì),并進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,證明采用不等距葉片可以降低離心通風(fēng)機(jī)基頻噪聲的峰值,但是總的噪聲級(jí)基本不變。葉輪機(jī)械噪聲和壓力脈動(dòng)有很大關(guān)系河合勇太[31]等證明了葉輪出口壓力脈動(dòng)與聲壓級(jí)的相關(guān)性,并用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法說明葉片節(jié)距角的偏差增大將會(huì)加大比BWF低的聲音成分的聲壓級(jí),建議葉片節(jié)距角分布要控制在一定的范圍內(nèi)。
    雖然不等距葉片布置方式的研究很早就已經(jīng)開展,但是對(duì)不等距葉片的合理設(shè)計(jì)方法目前還沒有形成,大多數(shù)設(shè)計(jì)更多的是采用簡(jiǎn)單的約束條件結(jié)合試驗(yàn)方法來進(jìn)行。其中,約束條件一般釆用的是動(dòng)平衡約束和性能約束條件。然而,由于不等距葉片確實(shí)能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)的離散噪聲達(dá)到較好的控制效果,未來需要開展的研究重點(diǎn)是摸索出合理的不等距葉片設(shè)計(jì)方法。