宁波方太全新吸油烟机设计开发报告.docx
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合同号:
FTCX201501
全新吸油烟机设计开发报告
委托方:
宁波方太厨具有限公司
承接方:
势加透博(北京)科技有限公司
项目负责人:
项目实施人:
2015年3月
全新吸油烟机设计报告PageNo.10
目 录
一、吸油烟机进风道原始方案评估 3
1.1原始方案建模 3
1.2原始方案性能评估 4
二、吸油烟机进风道改进方案 7
2.1模型改进措施 7
2.2改进方案性能评估 9
2.3小结 11
三、离心风机设计方案 12
3.1设计预分析 12
3.2离心风机方案设计 13
3.3离心风机设计方案一的结果分析 13
3.4离心风机设计方案二的结果分析 18
四、后续工作安排 22
一、吸油烟机进风道原始方案评估
吸油烟机是现代厨房的重要设备,可以大幅降低厨房油烟对人们健康造成的威胁。
现有的吸油烟机存在着静压低、油烟逃逸等问题,为提高产品的吸净率,需要开发全新高效的吸油烟机产品。
根据合同FTCX201501,势加透博(北京)科技有限公司承担了全新吸油烟机的设计开发项目,项目主要分为流道优化改进和离心叶轮设计开发两个方面。
为优化改进进风道,需对现有的吸油烟机进风道进行性能评估,了解其内部流动状况,分析总结不足,为优化改进指引方向。
1.1原始方案建模
委托方提供的吸油烟机模型具有较多的细节特征,如孔、圆角、折边等,不利于采用布尔运算方法建立流域,不利于采用计算方法进行性能评估,需要在抓住主要气动设计特征的前提下对其进行必要的简化处理。
进风道主要包集烟腔、挡板、进风室和风机进口。
风机抽吸产生负压,引导烟气汇集到集烟腔,翻越挡板进入进风室,由风机进口流出,因此风道中各截面的面积和型线特征是影响流动的关键量。
在充分理解吸油烟机工作原理的基础上,保证其整体方案布局和关键设计参数不变的前提下,对流域进行简化,去除不必要的细节特征后建立了进风道整体计算域。
图1原始模型(左)与简化进风道流域(右)
1.2原始方案性能评估
采用仿真计算方法对原始方案进行性能评估。
划分流域网格,保证挡板和集烟腔内壁等重要区域的网格细分,控制总体网格数量。
吸油烟机内的流动属于低速流动,壁面网格尺寸较小会导致相应Y+值过小,可酌情处理不划分边界层网格。
根据实际情况建立计算模型,选择理想气体工质代替成分复杂的烟气,选择k-Epsilon湍流模型,进行稳态绝热计算,环境压力为1atm,环境温度为25℃。
具体边界条件设置情况如下:
表1计算域边界条件设置
边界名称
位置
边界类型
进口
下端面和四个侧面
Opening,相对总压为
0Pa,温度25℃
壁面
上端面和吸油烟机
的内外壁面
Wall,无滑移光滑壁面
出口
风机进口
Averagestaticpressure,平
均压力-24Pa(7.5m3/min)、
-80Pa(15m3/min)
流量为7.5m3/min工况,计算结果如下:
1.烟气在进入集烟腔之前,流速缓慢,流动平稳有序,向集烟腔前部和两侧汇集。
2.挡板减小了集烟腔的进风面积,使流速增加,负压增强,提高了集烟腔的拢烟能力。
挡板改变了进风口的压力分布,扩大了抽吸范围,使中间和四周的烟气都能顺利进入集烟腔。
挡板上凹可以防止中间烟气的扩散,增强拢烟效果。
3.烟气越过挡板,经过某些直角或曲率较大区域时,流动分离生成分离涡,产生流动损失。
此类区域主要集中在挡板边缘、集烟腔与进风室连接处、进风室棱边和风机进口下部等区域。
4.烟气进入进风室的过程中,不同方位的流动状态不同。
汇集到进风室时,不同压力和速度的气流相互影响,流动失去稳定。
流线显示,越过挡板后,流动变得十分紊乱,整个流场都存在着大量的涡。
图2 流量7.5m3/min,原始方案集烟腔速度矢量
5.侧吸式的风机进口本身就会形成一定的流动畸变,另外结构上的限制使风机进口侧向偏移,改变了进风室内的压力分布,使压力分布变得不均匀,气流扭曲产生多个漩涡。
流场变得更加紊乱。
图3 流量7.5m3/min,原始方案整体流场速度矢量
6.由于整个流场内流速较低,整个进风道内平均速度约为
4.5m/s,因此流动损失较小,总压损失在11.5Pa左右。
由于流域的简化处理,真实模型与之相比更加复杂,因此真实压损比11.5Pa要大。
流量15m3/min的工况与流量7.5m3/min的工况流动状态相似,进风道内的流动紊乱依然存在。
进风道内速度范围为9.5m/s,速度
增大会导致流动损失增大,总压损失在43Pa左右。
图4 流量15m3/min,原始方案集烟腔速度矢量
图5 流量15m3/min,原始方案集烟腔速度矢量
总结发现:
挡板之前流动平稳有序,集烟腔拢烟效果明显;挡板增强了集烟腔的拢烟效果;由于内壁局部曲率大、气流相互影响、进风口位置偏移等因素的影响,进风道内流动紊乱无序,产生较多流动损失,降低流量。
尽力消除上述产生流动损失的因素,是优化改进的重要方向。
二、吸油烟机进风道改进方案
2.1模型改进措施
根据对吸油烟机原始方案的仿真计算,观察分析流场,发现总压损失较大的因素主要有两类:
第一类是结构限制产生压力分布不均,影响主流流场形成涡;第二类是流场中曲率大的区域,气流经过时流动分离形成分离涡。
对这两类因素进行分析并加以控制,是优化的主要途径。
第一类因素,具体包括:
1,对于风机而言,侧吸式的进风方式在几何上就具有不对称性,气流有上升流动变为水平流动易造成流动畸变,流通面积设置不佳导致上下压力不均。
2,蜗壳的存在使风机进口不能左右居中,风机进口附近的压力在周向上分布不均,靠近进口的气流抢先进入风机进口,挤压其他方位的气流向上偏移,气流相互影响形成涡。
3,挡板的与进风室布置方式,使集烟腔前部流量大,后部流量小,气流相互作用导致部分气流在上升过程中伴随漩涡运动。
综合看来,上述损失都是由于结构限制导致。
减少此类损失需要改变吸油烟机的整体布置方案,改变产品外观,难度较大,不宜选择。
第二类因素导致的损失多发生在钣金连接处。
某些连接角度小、未倒圆、曲率大的区域,气流在流经此类区域时发生流动分离,造成损失。
几个比较典型的区域:
1,进风室与集烟腔的连接处;2,
挡板的四周的棱边;3,进风室的棱边;4,风机进口下部。
减少此类曲率过大的区域,消弱流动分离,使气流平缓稳定,一定程度上影响整体的压力分布,可减少流动损失。
这种修改不影响吸油烟机的整体布局,容易实施。
总结上述分析,为减小流动损失,具体的改进措施包括:
1.对集烟腔和进风室的棱边做倒圆处理,使其平滑过渡。
2.用具有平滑上凹曲线的挡板替换原平直挡板,并在前部的两个边角做倒圆处理。
3.进风室与集烟腔的连接处改用光滑曲线连接,保证曲率均匀变化。
图6改进方案流域(左)与新型挡板(右)
吸油烟机壳体多有钣金部件构成,新型挡板与进风道曲面与原平直板相比稍显复杂,但对采用冲压方法制造不会困难,批量生产后生产成本的增加非常有限。
2.2改进方案性能评估
对改进模型进行计算仿真分析总结如下:
流量15m3/min的工况与流量7.5m3/min的工况流动状态相似:
1.由于未改动吸油烟机的整体布局,因此与其相关的第一类因素造成涡依然存在。
2.改进方案消除了分离涡,因此除第一类涡的其他流场的流动变得平稳有序,降低了流动损失。
3.新型挡板上凹可以聚拢烟气,防止其扩散。
挡板下表面平缓弯曲,由于Coanda效应,挡板会将烟气吸附在其表面,引导其向两侧流动。
图7流量7.5m3/min,改进方案集烟腔速度矢量 图8流量7.5m3/min,改进方案整体流场速度矢量
图9流量15m3/min,改进方案集烟腔速度矢量 图10流量15m3/min,改进方案整体流场速度矢量
在相同的工作流量下,较原始方案,改进方案总压损失下降显著。
即,在风机加功能力和流量均不变的情况下,改进方案可提高吸油烟机出口静
压,提高排烟能力。
表2不同流量下的方案总压损失对比
工况
流量7.5m3/min压损
Pa
流量15m3/min压
损Pa
原始方案
-11.5
-43
改进方案
-7.5
-28
静压提升
4
15
评估结果表明:
改进方案所采用的改进措施是有效的,消除了分离涡,
降低了流动损失,提高出口静压,达到最初设计目标。
2.3小结
为设计开发全新高效的吸油烟机,采用计算仿真方法,对吸油烟机原始进行了性能评估,对其流场分析总结,找到优化改进的方向。
用相同方法对改进方案进行了性能评估,评价改进措施的效果,效果明显,得到优化改进的设计方案。
改进措施实施方便,新方案吸油烟机进风道与挡板结构新颖,具有流线型风格,外形美观,符合现代审美观念。
全新吸油烟机设计报告PageNo.23
三、离心风机设计方案
3.1设计预分析
吸油烟机二档性能是在三档的基础上降低运行转速得到,所以设计时以三档性能为设计参考,在风机性能试验时,通过降低运行转速得到合适的二档曲线和转速。
该吸油烟机的设计目的是为了提升风量和风压。
吸油烟机在运行时,风压是由管道损失决定的,风量越大,风压也就越高。
设计完成后,降低风机排气压力,可以通过切割轮径实现。
设计要求未确定进口气温,吸油烟机的试验国标上也没有明确规定试验温度。
为了确保风机有足够的压力,采用了42℃,略高于夏季环境温度作为设计条件。
为了获得更好的吸油烟机,采用了两个设计方案。
方案一:
以节能为目标,保证流量为7m3/min时的排气压力,尽量降低叶轮功率,并在此基础上尽量拓宽风机流量覆盖范围。
方案二:
在电机最大功率能满足使用的情况下,尽量提升压缩机的流量范围和排气压力。
为了提升风机效率,采用了后弯叶轮。
风机内气流均匀,对降低风机噪音也有很大的好处。
目前市面上,最常见的电机是3000rpm,所以该转速为风机设计转速。
3.2离心风机方案设计
采用Concepts NREC软件的风机设计模块,对离心风机进行了详细设计,并结合CFD软件进行了优化。
叶片型线坐标见附表一,二。
在设计中,为削弱结构设计对风机进气的负面影响,在充分考虑原型机尺寸限制的情况下,风机进风口设计为收缩流道,使气流在顺压梯度下流动,这样可以起到整流作用,从而有效降低离心叶轮进口的流场畸变。
计算采用整周叶轮加蜗壳组合计算的方式,从叶轮进口收缩段开始,一直到出口圆形管道,计算模型见下图11所示。
图11计算域
3.3离心风机设计方案一的结果分析
为了保证风机具有较大的流量范围,并确保流量在7m3/min时,压力达到400Pa以上,结合CFD计算结果,对出口压力400Pa时的流量进行了放大,该状态计算结果见表3,子午面型线如图12所示。
表3方案一出口压力400Pa时计算结果与叶轮总体参数
流量
9.56
m3/min
进口温度
315
K
环境压力
101325
Pa
出口压力
400
Pa
功率
85.6
W
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