Проектирование с целью оптимизации энергоэффективности осевого вентилятора с направленным вперед потоком воздуха для теплового насоса

В настоящее время системы кондиционирования воздуха и тепловые насосы широко используются людьми во всем мире в качестве оборудования для регулирования температуры. Тепловые насосы особенно распространены в холодном климате.Сюй и др., 2020Благодаря широкому использованию соответствующего оборудования, они привели к огромному потреблению энергии и значительным выбросам парниковых газов, одновременно улучшив качество жизни людей.Сюй и др., 2021Поскольку проблемы глобального потепления и энергетики становятся все более актуальными, соответствующие учреждения придают все большее значение энергетике и выпустили соответствующие стандарты.ОРГАНЫ УПРАВЛЕНИЯ, ХОЛОДИЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ).

Осевой вентилятор является основным компонентом системы кондиционирования воздуха и теплового насоса. Повышение эффективности его работы позволяет эффективно снизить энергопотребление системы регулирования температуры.Усман и др., 2017В то же время, его аэродинамические характеристики оказывают большое влияние на общую производительность системы кондиционирования воздуха и теплового насоса и определяют уровень комфорта пользователя.Лим и др., 2020Согласно теории вихревого звука, турбулентные вихри являются основным фактором, влияющим на шум вентилятора, поэтому турбулентные вихри, генерируемые неравномерным потоком внутри вентилятора, значительно влияют на его эффективность. Следовательно, звук является формой рассеивания энергии, и оптимизация шума вентилятора может косвенно повысить его эффективность.Шрам и Хиршберг, 2003В то же время чрезмерный шум негативно скажется на удобстве использования. Поэтому, чтобы обеспечить более эффективное использование энергии, конструкторы предъявляют более высокие требования к аэродинамическим характеристикам осевых вентиляторов, и ставится цель достижения высокой эффективности, низкого уровня шума и большой пропускной способности.Чонг и Джу, 2019Поскольку лопасть является основным силовым элементом осевого вентилятора, крайне важно изучить возможность оптимизации ее параметров для повышения энергоэффективности теплового насоса.

Различные ученые провели обширные исследования по повышению производительности осевых вентиляторов.Се и др. (2019)Было исследовано влияние различных углов стреловидности на параметры производительности осевых вентиляторов на основе параметризованной модели различных углов стреловидности в охлаждающих вентиляторах, и результаты показывают, что среднее давление воздуха на входе непрерывно увеличивается, а скорость воздуха возрастает с увеличением угла стреловидности вентилятора. Используя метод параметризации с помощью неравномерных рациональных B-сплайнов (NURBS),Лю и др. (2019)Были изменены профили лопаток осевого вентилятора, и в нерасчетных условиях аэродинамические характеристики осевого вентилятора значительно улучшились. В результате экспериментов и численного моделирования было установлено, чтоХуро и др. (2010)Были оценены эффекты изменения направления потока в осевых вентиляторах с помощью стреловидной конструкции на турбулентную кинетическую энергию поля потока, и было установлено, что направление стреловидности оказывает существенное влияние на турбулентную кинетическую энергию за вентилятором.Динг и др. (2019),Лин и др. (2014),Ангелини и др. (2017),Лин и др. (2014),Ангелини и др. (2017), иДинг и др. (2019)Кроме того, была разработана параметрическая оптимизационная схема на основе кривой Безье для различных типов гидравлических и механических систем. Тем временем,Йе (2017)Оптимизирован тип крыла подводного планера на основе технологии агентного моделирования.

Напротив, многие ученые как в стране, так и за рубежом занимаются оптимизацией гидравлических машин путем объединения агентной модели и алгоритма оптимизации после параметризации целевого объекта оптимизации.Делла Веккья и др. (2014)Для параметрической характеристики профиля крыла использовалась программа Parsec, а для оптимизации конструкции — генетические алгоритмы (ГА), в результате чего был получен крыловидный профиль с хорошими аэродинамическими характеристиками.Чжоу и др. (2021)Для параметрической характеристики лопаток многолопастного центробежного вентилятора были использованы функции Хикса-Хенне, а для многоцелевой оптимизации конструкции лопаток была применена аппроксимирующая модель Кригинга и алгоритм NSGA-II. После оптимизации аэродинамические характеристики лопаток значительно улучшились.Ян и Сяо (2014)Была проведена параметризация рабочего колеса насоса, а также объединены модель RSM и MGA для выполнения многоцелевой оптимизации конструкции рабочего колеса, в результате чего гидравлические характеристики насоса после оптимизации были значительно улучшены.

В вышеупомянутых исследованиях рассматривались ступицы низкоскоростных осевых вентиляторов, которые относительно невелики и имеют мало лопаток. Длина хорды, толщина и угол атаки лопаток различной высоты значительно варьируются, так что пограничный слой на поверхности стенки относительно тонкий, что приводит к отрыву потока вдоль передней кромки лопатки.Чжоу и др., 2014С увеличением нагрузки мощность лопастей вентилятора может быть увеличена, что, в свою очередь, повышает его эффективность.Т, 2017В тяжелых случаях к последствиям относятся закупорка канала и остановка вращения.Чжоу, 2015Соответственно, метод параметрической оптимизации конструкции может улучшить характеристики лопаток осевого вентилятора, но в настоящее время существует мало сообщений об оптимизации вентилятора с использованием кривой Безье, которую можно комбинировать с параметрической оптимизацией конструкции и применять к кончику лопатки осевого вентилятора с обратным изгибом. По сравнению с типичными осевыми вентиляторами, конструкция с обратным изгибом лопатки оказывает определенное влияние на снижение потерь потока. Благодаря распределению статического давления на поверхности лопатки, обратный изгиб лопатки увеличивает распределение нагрузки на верхней части лопатки и повышает ее мощность. Конструкция с обратным изгибом может уменьшить турбулентную кинетическую энергию на кончике лопатки и снизить потери потока в зазоре.Чжан и др., 2019Площадь кончиков лопаток осевых вентиляторов с вертикальным расположением лопастей значительно больше, чем площадь основания лопаток, и служит как основными рабочими зонами, так и источниками шума.Ян и Чен, 2002Используя кубические модели Безье для параметризации кривой прямого сканирования верхней части лопатки и выбрав в качестве целей оптимизации расход и КПД полного давления, в данном исследовании изучалась взаимосвязь между кривой прямого сканирования кончика лопатки и целями оптимизации. Для создания ансамбля аппроксимирующих моделей с целью повышения эффективности оптимизации и уменьшения размера выборки были интегрированы радиальные базисные функции (RBF) и модели Кригинга. Для оптимизации кривой прямого сканирования кончика лопатки был выбран генетический алгоритм неранжированной сортировки II (NSGA-II), а для изучения изменений поля потока и акустических характеристик до и после оптимизации были использованы численные моделирования.

Нажмите на ссылку, чтобы прочитать полный текст:https://www.frontiersin.org/journals/energy-research/articles/10.3389/fenrg.2021.700365/full