热泵前掠式轴流风机的能效优化设计

如今，空调制冷系统和热泵系统被世界各地的人们广泛用作温度调节设备。热泵在寒冷气候下被广泛使用（Xu等人，2020由于相关设备的广泛使用，它们在提高人们生活质量的同时，也导致了巨大的能源消耗和大量的温室气体排放（Xu等人，2021随着气候变暖和能源问题日益突出，相关机构越来越重视能源问题，并发布了相应的标准（控制，制冷）。

轴流风机是空调系统和热泵系统的主要部件。提高其工作效率可以有效降低温度调节系统的能耗（Usman等人，2017同时，其空气动力学性能对空调系统和热泵系统的整体性能有很大影响，并决定了用户的舒适度（Lim等人，2020根据涡流声学理论，湍流涡旋是风扇噪声的主要影响因素，因此风扇内部不合理流动产生的湍流涡旋会极大地影响风扇的效率。因此，声音是一种能量耗散形式，优化风扇噪声可以间接提高风扇的效率。Schram 和 Hirschberg，2003同时，过大的噪音会影响用户体验。因此，为了更有效地利用能源，设计人员对轴流风机的空气动力性能提出了更高的要求，力求实现高效率、低噪音和大流量的目标（Jung 和 Joo，2019由于叶片是轴流风扇的主要动力元件，因此探索其参数优化的可行性对于提高热泵的能效具有重要意义。

许多学者对提高轴流风机的性能进行了广泛的研究。谢等人（2019）本文基于冷却风扇不同前掠角参数化模型，探讨了不同前掠角对轴流风扇性能参数的影响，结果表明，随着风扇前掠角的增大，入口平均气压和风速均持续增大。采用非均匀有理B样条（NURBS）参数化方法，Liu等人（2019）通过改进轴流风扇叶片轮廓，在非设计工况下，轴流风扇的气动性能得到了显著提升。通过实验和数值模拟，Hurault等人（2010）已经评估了轴流风扇前掠式设计对流场湍动能的影响，结果表明，后掠角对风扇下游的湍动能有显著影响。丁等人（2019），Lin等人（2014），Angelini等人（2017），Lin等人（2014），Angelini等人（2017）， 和丁等人（2019）此外，还针对各种流体机械形式，实现了基于贝塞尔曲线的参数化优化设计。同时，叶（2017）基于智能体模型技术，优化了一种水下滑翔机翼型。

相反，国内外有很多学者在对优化目标进行参数化之后，将代理模型与优化算法相结合，对流体机械进行优化。Della Vecchia等人（2014）使用 Parsec 对翼型进行参数化表征，结合遗传算法 (GA) 进行优化设计，从而获得了具有良好气动性能的带翼型。Zhou等人（2021）本文采用Hicks-Henne凸起函数对多叶片离心风机的叶片进行参数化表征，并结合Kriging近似模型和NSGA-II算法对叶片进行多目标优化设计。优化后，叶片的气动性能得到显著提升。杨和肖（2014）对泵的叶轮进行参数化，结合响应面法模型和多目标算法进行叶轮的多目标优化设计，优化后泵的水力性能得到了显著提高。

上述研究包括尺寸相对较小、叶片数量较少的低速轴流风扇轮毂。不同叶片高度的弦长、厚度和攻角变化范围很大，导致壁面边界层相对较薄，从而在叶片前缘产生分离流（Zhou等人，2014随着负载的增加，叶片尖端的功率容量可以得到提高，进而提高风扇效率（T，2017严重情况下，通道阻塞和旋转失速是其后果之一（周，2015因此，参数优化设计方法可以提高轴流风机的叶片性能，但目前关于使用贝塞尔曲线进行风机优化的研究报道较少，而贝塞尔曲线可以与参数优化设计相结合，应用于前掠式轴流风机的叶尖。与典型的轴流风机相比，叶片后掠设计对降低流动损失具有一定的作用。从叶片表面的静压分布来看，前掠式动叶片增加了叶片上部的载荷分布，提高了叶片的功率容量。前掠式设计可以降低叶尖处的湍动能，减少间隙流动损失。Zhang等人，2019）。前掠式轴流风机的叶尖面积远大于叶根面积，既是主要工作区域，也是噪声源（Yang 和 Chen，2002本研究利用三次贝塞尔曲线对叶片顶部前掠曲线进行参数化，并选择流量和总压效率作为优化目标，探讨了叶尖后掠曲线与优化目标之间的关系。为了提高优化效率并减少样本量，本研究融合了径向基函数（RBF）和克里金模型，构建了代理模型集合；采用非支配排序遗传算法II（NSGA-II）对叶尖前掠曲线进行优化；并通过数值模拟分析了优化前后流场和声学特性的变化。

点击链接阅读全文：https://www.frontiersin.org/journals/energy-research/articles/10.3389/fenrg.2021.700365/full