Otimização da vazão volumétrica de ar das palhetas guia em um ventilador de fluxo axial baseado em DOE e CFD

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 4439 (2023) Citar este artigo

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O design irracional das palhetas guia no ventilador axial pode ter efeitos negativos. A fim de melhorar o desempenho, a relação entre a vazão de ar do ventilador axial selecionado e os parâmetros geométricos das palhetas guia é primeiramente analisada por DOE e CFD, e os parâmetros ideais são encontrados pelo método do Processo Gaussiano. Os resultados mostram que o número e a corda total das palhetas-guia têm um efeito não linear no fluxo de volume de ar, e a corda total das palhetas é o principal fator que afeta os resultados dos cálculos. Para a configuração particular estudada aqui, o projeto ideal de palhetas guia mostra que diminuir a corda das palhetas em 38 mm e aumentar o número de palhetas para 18 poderia produzir mais fluxo de ar sob a mesma velocidade de rotação.

O ventilador de fluxo axial, um importante dispositivo mecânico na produção e na vida, é amplamente utilizado na vida diária e na produção industrial. Na China, o consumo de energia de bombas e equipamentos de ventiladores representa mais da metade da geração de energia do país, e a eficiência operacional de equipamentos de ventiladores na produção e vida real é de cerca de 40 a 60%, muito abaixo dos regulamentos. A melhoria efetiva da eficiência do ventilador pode reduzir o consumo de eletricidade, o que tem grande importância para a conservação de energia e redução de emissões e proteção ambiental1.

As características aerodinâmicas dos ventiladores de fluxo axial são complicadas e os principais fatores de influência são os seguintes: número da pá, forma, ângulo de instalação da pá, tamanho da folga da ponta da pá, relação da ponta do cubo, coletor, difusor, etc. Muitos estudiosos realizaram análises de simulação no fluxo de ar dentro do ventilador de fluxo axial através do método CFD (Computational Fluid Dynamics) e obteve muitos resultados. Por exemplo, Vad2 descobriu que os rotores de compressão sem palhetas e o desempenho dos ventiladores axiais podem ser efetivamente melhorados pela inclinação da pá para frente e pela varredura para frente da pá. Hurault et al.3 estudaram os efeitos da varredura do ventilador de fluxo axial no fluxo de ar por CFD e experimentos e descobriram que a energia cinética turbulenta a jusante do ventilador é altamente afetada pela varredura. Aykut e Ünverdi4 realizaram uma simulação CFD de um ventilador axial de seis pás e compararam os resultados da simulação com dados de teste obtidos da câmara AMCA. O modelo padrão de turbulência k-ε é implementado na simulação e os resultados mostram que o modelo é insuficiente para calcular a localização do ponto de separação e a mudança de pressão nas superfícies das pás para fluxos separados. O desempenho aerodinâmico e o ruído de um ventilador biônico são otimizados por Chen et al.5, usando a função de perda de massa de Taguchi para diminuir o ruído e aumentar a taxa de fluxo de massa. Li6 parametrizou a influência do ângulo da pá e do ângulo radial da pá utilizando o modelo numérico de fluido térmico verificado anteriormente. Wang et al.7 combinaram redes neurais artificiais e algoritmos genéticos para otimizar o cálculo. Os resultados do cálculo mostram que a eficiência isentrópica e a margem de estol do sistema podem ser efetivamente melhoradas por este método. O resumo desses estudos é mostrado na Tabela 1. A literatura8,9 representa um embasamento numérico na previsão de ruído com um procedimento CFD, e o segundo é uma comparação dos modelos de turbulência na previsão de ruído tonal, que é uma boa referência para a previsão de ruído em estudos futuros. Além disso, os resultados da simulação foram verificados por muitos estudos existentes, o que pode fornecer informações úteis para concluir a otimização10,11,12,13.

Os parâmetros dos ventiladores são estudados principalmente na pesquisa acima, excluindo o efeito da palheta guia na taxa de fluxo do volume de ar. A palheta guia frontal pode fazer com que o fluxo de ar produza pré-rotação negativa contrária à direção de rotação da lâmina, o que faz com que o fluxo axial do ventilador axial produza velocidade de enrolamento, para melhorar a pressão total do ventilador de fluxo axial. Quando o fluido passa pelas pás, ele gera uma velocidade parcial na direção circunferencial, e a palheta guia traseira pode mudar a direção do fluxo para que a energia cinética gerada pela velocidade parcial possa ser convertida em energia de pressão. Pode-se concluir que as palhetas guia são fatores importantes que afetam a eficiência dos ventiladores de fluxo axial. Os melhores parâmetros de projeto de palhetas de um ventilador de fluxo axial são obtidos através do método DOE (Design of Experiments), que fornece uma base de pesquisa para a otimização de palhetas de outros ventiladores de fluxo axial.