Ottimizzazione della portata del volume d'aria delle pale di guida in un ventilatore a flusso assiale basato su DOE e CFD

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4439 (2023) Citare questo articolo

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La progettazione irragionevole delle pale di guida del ventilatore assiale potrebbe avere effetti negativi. Per migliorare le prestazioni, la relazione tra la portata volumetrica dell'aria del ventilatore assiale selezionato e i parametri geometrici delle pale di guida viene prima analizzata mediante DOE e CFD, e i parametri ottimali vengono trovati mediante il metodo del processo gaussiano. I risultati mostrano che il numero e la corda totale delle alette guida hanno un effetto non lineare sul flusso del volume d'aria e la corda totale delle alette è il fattore principale che influenza i risultati dei calcoli. Per la particolare configurazione qui studiata, il design ottimale delle alette guida mostra che diminuendo la corda delle alette di 38 mm e aumentandone il numero a 18 si potrebbe produrre un flusso d'aria maggiore con la stessa velocità di rotazione.

Il ventilatore a flusso assiale, un importante dispositivo meccanico nella produzione e nella vita, è ampiamente utilizzato nella vita quotidiana e nella produzione industriale. In Cina, il consumo energetico delle pompe e delle apparecchiature di ventilazione rappresenta oltre la metà della produzione di energia del paese e l'efficienza operativa delle apparecchiature di ventilazione nella produzione e nella durata effettive è di circa il 40-60%, molto inferiore alle normative. Un miglioramento efficace dell'efficienza dei ventilatori può ridurre il consumo di elettricità, il che ha un grande significato per il risparmio energetico, la riduzione delle emissioni e la protezione dell'ambiente1.

Le caratteristiche aerodinamiche dei ventilatori a flusso assiale sono complicate e i principali fattori che influenzano sono i seguenti: numero di pale, forma, angolo di installazione delle pale, dimensione dello spazio libero della punta della pala, rapporto della punta del mozzo, collettore, diffusore, ecc. Molti studiosi hanno effettuato analisi di simulazione sul flusso d'aria all'interno del ventilatore a flusso assiale attraverso il metodo CFD (Computational Fluid Dynamics) e ha ottenuto molti risultati. Ad esempio, Vad2 ha scoperto che i rotori di compressione senza palette e le prestazioni dei ventilatori assiali potrebbero essere effettivamente migliorati mediante l'inclinazione in avanti e lo spostamento in avanti delle pale. Hurault et al.3 hanno studiato gli effetti dello spostamento del ventilatore a flusso assiale sul flusso d'aria mediante CFD ed esperimenti e hanno scoperto che l'energia cinetica turbolenta a valle del ventilatore è fortemente influenzata dallo spostamento. Aykut e Ünverdi4 hanno effettuato una simulazione CFD di un ventilatore assiale a sei pale e hanno confrontato i risultati della simulazione con i dati di test ottenuti dalla camera AMCA. Nella simulazione viene implementato il modello di turbolenza k-ε standard e i risultati mostrano che il modello è insufficiente nel calcolare la posizione del punto di separazione e la variazione di pressione sulle superfici delle pale per flussi separati. Le prestazioni aerodinamiche e il rumore di un ventilatore bionico sono ottimizzati da Chen et al.5, utilizzando la funzione di perdita di massa di Taguchi per ridurre il rumore e aumentare la portata di massa. Li6 ha parametrizzato l'influenza dell'angolo della pala e dell'angolo della pala radiale utilizzando il modello numerico del fluido termico verificato in precedenza. Wang et al.7 hanno combinato reti neurali artificiali e algoritmi genetici per ottimizzare il calcolo. I risultati del calcolo mostrano che l’efficienza isoentropica e il margine di stallo del sistema potrebbero essere effettivamente migliorati con questo metodo. Il riassunto di questi studi è mostrato nella Tabella 1. La letteratura8,9 rappresenta un background numerico nella previsione del rumore con una procedura CFD, e il secondo è un confronto dei modelli di turbolenza nella previsione del rumore tonale, che è un buon riferimento per la previsione del rumore negli studi futuri. Inoltre, i risultati della simulazione sono stati verificati da molti studi esistenti, che potrebbero fornire informazioni utili per completare l'ottimizzazione10,11,12,13.

I parametri dei ventilatori sono studiati principalmente nella ricerca di cui sopra escludendo l'effetto della pala di guida sulla portata del volume d'aria. La pala di guida anteriore potrebbe far sì che il flusso d'aria produca una pre-rotazione negativa contraria alla direzione di rotazione della pala, il che fa sì che il flusso assiale della ventola assiale produca velocità di avvolgimento, per migliorare la pressione totale della ventola a flusso assiale. Quando il fluido passa attraverso le pale, genererà una velocità parziale nella direzione circonferenziale e la pala di guida posteriore può cambiare la direzione del flusso in modo che l'energia cinetica generata dalla velocità parziale possa essere convertita in energia di pressione. Si può concludere che le palette direttrici sono fattori importanti che influenzano l’efficienza dei ventilatori a flusso assiale. I migliori parametri di progettazione delle palette di un ventilatore a flusso assiale si ottengono attraverso il metodo DOE (Design of Experiments), che fornisce una base di ricerca per l'ottimizzazione delle palette di altri ventilatori a flusso assiale.