論文價值的評定意見：
論文針對家用軸流風機風扇的風葉在執行過程中的運動變形問題開展了研究，透過模擬計算分析，提出了提高葉片根部材料或結構剛度的建議，並經模擬計算和實測驗證，證實經改進後，風葉的擺動幅度明顯減小，達到了研究目的。論文的研究工作很有意義，不僅對家用風扇的產品質量提升有指導意義，而且對其他領域應用葉片的旋轉裝置也具有參考價值。
謝麗婷 馬驍騤 付天琳 何振斌 陳飛帆
廣東美的生活電器製造有限公司
摘要
Abstract
為解決家用軸流風葉在執行過程中存在擺動幅度大，從而引起振動、噪聲等影響使用者體驗的問題，提出一種風葉變形控制方法。以某型號軸流風葉為研究物件，結合流固耦合模擬方法及高速三維成像變形測試法，透過避開主要做功區域，增大葉根的彎度，提高結構的剛度，從而降低葉片變形量，同時保證氣動效能差別不大。改進後的風葉最大擺動幅度從1。388 mm下降至1。074 mm，下降幅度為22%；氣動效能試驗驗證了該變形控制方法及對聲品質改善的有效性。
關鍵詞
Keywords
軸流風葉；流固耦合模擬；變形；剛度；彎度
DOI:
10。19784/j。cnki。issn1672-0172。2022。04。013
0 引言
軸流風扇是一種常見的家用電器，其工作原理是利用電機帶動風葉轉動，加速空氣流動，達到給人體降溫，增加舒適性的效果。風葉主要材料為ABS、PP等塑膠，在運轉時受離心力和氣動力的影響，會產生垂直於旋轉平面方向的擺動變形，使風葉做功區域發生變化，導致風量、風速、噪聲值等氣動效能偏離設計值，造成異常振動、噪聲等不良現象，嚴重影響使用者體驗［1］。因此，如何在保持出風效果的前提下，提高風葉的剛度，減少風葉變形量，對提升設計水平、確保實際產品效能、改善聲品質有著重要影響。
目前國內仍有部分風扇廠商採用較為傳統的研發方式，主要依賴於產品開發人員的經驗和多次試驗驗證，並沒有採用先進的數值模擬技術手段，費時費力，不利於產品的快速迭代，嚴重製約企業的發展。計算流體力學在風扇分析領域的應用，可大幅縮減產品的設計週期［2，3］。湯黎明［4］應用FLUENT等軟體對冷卻風扇展開數值模擬分析，發現去除導風罩環形部分降噪效果顯著。趙廣銀［5］論證了邊界層網格與多面體網格對流場數值模擬的精確性發揮的重要作用。陳慧敏［6］等藉助湍流模型對風扇進行了流場計算，得出了安裝旋轉環有益於風扇效率與靜壓提升的理論。張莉［7］等結合數值模擬與引數最佳化，為小型軸流式吹風機減少設計成本。潘京大［8］等利用CFD模擬軟體對空調換熱器風速分佈進行了模擬和分析，並對該換熱器流路進行最佳化設計。
大量研究表明，透過計算機數值模擬可以預測流動效能，對複雜的旋轉流場進行微觀研究，已逐漸成為研究軸流機構效能的重要手段。但是其對家用軸流風葉剛度研究的幫助則非常有限，一是由於成本與製作外觀等條件的限制，難以透過新增增強纖維、增加金屬嵌件［9］等方法增加風葉的剛度；二則難以同時兼顧剛度、強度及流體效能，因此有許多問題亟待解決。
本研究以某型號風扇為研究物件，建立家用軸流風葉執行過程的流固耦合模型，引入基於雙目立體視覺的高速攝像機測量風葉變形量，結合試驗和模擬共同分析風葉的變形情況，在保持風葉重要曲面構造、保證風葉氣動效能的前提下，透過改進風葉區域性結構提高整體剛度，降低變形量，從而改善聲品質。
1 風葉變形量測試
1.1 測試原理與平臺
本文采用基於雙目立體視覺的高速三維成像法，實現對風葉在900 r/min轉速旋轉過程中擺動幅度的測量。高速成像系統由光學成像、光電成像、訊號傳輸、控制、影象儲存與處理等幾部分組成，可以在很短的時間內完成對高速目標的快速、多次取樣，當以常規速度放映時，所記錄目標的變化過程就可清晰呈現［10］。隨後，用高速運動影象分析軟體分析高速數字攝像機所拍攝的影象序列，對其中的特徵點和標記點進行自動跟蹤，計算其位移、速度、加速度。該技術能捕捉到肉眼無法看清楚的影象和運動過程，因此在工業領域中得到廣泛應用［10-13］。
本文測試拍攝所用裝置為Phantom 710L高速攝像機（VIsion Research公司，新澤西州韋恩市，美國），如圖1所示，規格為1280×800@7530 fps。空間位置的標定、採集、跟蹤及測量採用TEMA運動分析軟體。
圖1 高速攝像機Phantom 710L
1.2 測試條件
本文采用某型號的風葉為研究物件。在測試樣本和標定塊上標記測量點，使測量裝置能對標定點的空間座標進行跟蹤測量。如圖2中#1、#2、#3為輪轂的標籤，#4為靠近葉尖的位置。
調整攝像頭及系統引數（拍攝頻率不少於3000 Hz），在風扇及周圍環境靜止時進行拍攝以便獲取靜止時各點的座標值，後期用於把葉尖標記點到輪轂平面的距離轉換成擺動幅度。啟動風扇，待其運轉平穩，繼續進行執行狀態的拍攝［14］。
圖2 風葉標籤點貼上示意圖
1.3 測試結果
完成靜止及旋轉的影象拍攝後，使用TEMA高速運動影象分析軟體，建立系統空間座標系下各時刻各標定點的系統平面座標值和xyz座標值。在Hypermesh軟體中把圖2標記點#1、#2、#3、#4所有時刻的位置進行復原，形成由一系列點組成的軌跡圖，如圖3 a）所示。中間一圈點為輪轂上三個標記點#1、#2、#3所有時間所處位置的集合，外圈是葉尖上的標記點#4所有時間所處位置的集合。在Hypermesh軟體中，每個時刻分別以#1、#2、#3三點建立一個平面，#4到該平面的距離則為每個時刻葉尖上標記點距離輪轂平面的距離，如圖3 b）所示。各點在運動時刻與靜止時刻距離輪轂平面的距離之差為擺動幅度。圖4為標記點#4旋轉過程中的擺動幅度圖，可見#4的擺動幅度隨時間呈週期性變化，最大擺動幅度為1。39 mm，最小擺動幅度為0。20 mm，平均擺動幅度為0。88 mm。
圖3 Hypermesh軌跡圖
圖4 標記點#4處的擺動幅度
2 風葉變形量模擬
2.1 風葉變形模擬建模
本文在Ansys Workbench平臺上，透過流固耦合的模擬方法，分析風葉在氣動載荷和離心力共同作用下的變形情況，先用Fluent計算風葉在900 r/min轉速下所受的氣動載荷，再把氣動載荷作為靜態壓力傳遞至靜力分析模組中，施加至風葉對應區域。流體計算採用流體域、旋轉域的三維模型。旋轉域為直徑406 mm，高70 mm的圓柱體，中間抽空風葉實體。流體域為長9 m，直徑800 mm的圓柱體，中間抽空旋轉域實體。旋轉域前方距離流體域壓力出口7 m，距離壓力入口2 m。旋轉域風葉對應的內表面設定成移動壁面，以旋轉模式運動。計算採用Navier-Stokes方程和標準k-ε模型，求解採用壓力基求解器，壓力速度耦合選用SIMPLE演算法，動量方程選擇二階迎風離散插值。靜力分析約束風葉與電機軸銷連線處的自由度，施加轉速900 r/min。所用風葉材料為專用樹脂，為彈塑性材料，密度為1。17 g/cm3，楊氏模量為3000 MPa。
2.2 模擬結果分析
從Fluent分析結果可知，風葉在該轉速下正面與背面的壓力分佈分別如圖5、圖6所示。壓力面中心位於風葉上半部分靠近葉尖處。從流固耦合模擬結果可知，風葉發生最大變形處為葉尖，變形後的風葉如圖7所示，垂直於輪轂平面方向最大變形為1。04 mm，標記點#4的變形量為0。97 mm。
圖5 風葉正面壓力分佈圖
圖6 風葉反面壓力分佈圖
圖7 風葉擺動幅度分佈雲圖
與圖4的擺動幅度測試值相比，該模擬值位於平均擺動幅度與最大幅度之間，更接近平均擺幅，原因是流體部分計算採用穩態計算，沒有考慮流體流動的瞬態效應，固體部分採用靜力學計算，沒有考慮動態效應，兩場耦合的方式也沒有考慮固體變形後對流體產生進一步的影響，因此模擬結果更接近於靜態載入。但由於該行業開發週期及模擬計算成本問題，且風葉在該工況下的變形不屬於明顯大變形，模擬結果仍有一定的參考意義。
3 風葉結構改進和試驗驗證
3.1 風葉結構改進
風葉的氣動效能取決於複雜的流動結構和幾何構型，因此，本身的氣動設計極為重要。單獨顯示一個風葉的壓力雲圖，如圖8所示，可見分界線以外的區域承受約98%的氣動載荷，為風葉的主要做功區域，對氣動效能影響極其重要。因此，若以不得改變風葉氣動效能為前提，分界線以外區域的曲面構型及相對於輪轂的空間位置不作改動。
圖8 原結構壓力雲圖及分界線定位
在結構設計中，為了解決大變形問題，通常採用提高結構剛度的手段達到減小變形目的。可以從減小彎矩，縮短跨距長度，改集中力為分佈力，改變支座條件，提高截面慣性矩，提高材料彈性模量，合理佈置各構件等手段提高結構整體剛度。本案例中，採用提高非主要做功區域的彎度以提高截面慣性矩，從而提高風葉的剛度。
如圖9所示，虛線為改進前風葉曲面部分與輪轂連線處的截面形狀，位於分界線以內的區域，可見該處彎度較小，幾乎呈直線走向。增加非主要做功區域，即分界線以內區域的彎度，改進前後的風葉對比及風葉與輪轂連線處的截面形狀如圖9中實線所示。改進後，從風葉對比可見，在分界線以外的區域，兩者的曲面重合，在與輪轂連線處，新結構與舊結構的彎度不同，沿葉尖的方向逐漸趨於一致，平緩過渡至分界線。
圖9 改進前後風葉曲面部分與輪轂連線處的截面
3.2 改進結構的有限元分析和試驗驗證
對改進後的風葉模型進行流固耦合分析，從流體模擬結果得知，在相同轉速下，正面與背面的壓力分佈分別如圖10、圖11所示，與圖5、圖6對比，壓力面和吸力面區域等壓線分佈幾乎一致，靠近葉根處略有不同，說明該區域性區域的改變對空氣作用於葉面的影響不大。靜力分析結果顯示，風葉發生最大變形處仍為葉尖，垂直於輪轂平面方向最大變形為0。81 mm，如圖12所示。
圖10 改進後風葉正面壓力分佈圖
圖11 改進後風葉反面壓力分佈圖
圖12 改進後風葉擺動幅度分佈雲圖
為進一步準確評估改進方案，對新結構用同樣的材料進行製作，並對兩者氣動效能及變形進行對比。新舊結構同樣位置標記點#4旋轉過程中的擺動幅度對比圖如圖13所示，兩種結構的風葉氣動效能及變形測試結果如表1所示，改進後風葉標記點#4的最大變形量由1。388 mm下降至1。074 mm，下降幅度為22。62%，說明新風葉的剛度有所提高。風量為36。17 m3/min，風速為225。6 cm/s，噪聲值為52。17 dB，與舊風葉相比，風量風速雖然有所下降，但下降幅度小於4%，在可以接受範圍內；聲品質有所改善，噪聲值下降0。95 dB，說明改進方案對風葉氣動效能影響較小，變形控制取得了較為理想的效果。
表1 改進前後風葉氣動效能及變形對比
圖13 改進前後#4標記點擺動幅度對比圖
4 結論
家用軸流風葉在運轉過程中容易出現擺動幅度大的問題。本文結合流固耦合模擬方法、高速三維成像法以及風葉氣動效能測試，分析了風葉的變形問題，在不影響氣動效能的前提下，提高結構剛度，實現對變形量的控制。本文所涉及的風葉變形分析及控制方法，對同類產品的設計與剛度驗證具有參考意義。透過用某型號風葉開展試驗，得到以下結論：
（1）軸流風葉在高轉速下容易產生較大變形；
（2）改變風葉主要做功區域以外的造型對風葉氣動效能影響較小；
（3）提高風葉葉根處截面的彎度，有利於提高風葉整體剛度，減小變形量，從而降低噪聲值，改善聲品質。
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（責任編輯：張晏榕）