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研究生: 高崇恩
Chung-En Kao
論文名稱: 斜流式風機應用於空氣濾清器之數值與實驗的整合性能分析
Integrated Numerical and Experimental Study of the Inclined Fan Applied on Air Cleaner
指導教授: 林顯群
Sheam-Chyun Lin
口試委員: 陳呈芳
楊旭光
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2023
畢業學年度: 112
語文別: 中文
論文頁數: 127
中文關鍵詞: 斜流扇空氣濾清器氣動力性能數值模擬田口法
外文關鍵詞: Inclined-flow, Air cleaner, Numerical Simulation, Taguchi method, Aerodynamic Performance
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空氣濾清器在優化居住環境扮演重要角色,其性能直接影響空氣品質優劣,為提升空氣濾清器之氣動力性能,本研究針對其動力來源斜流式風機進行數值分析及優化;首先將護罩及背板初步修改以配合空氣濾清器內部流場,並針對入口角、扇葉圓弧、出口角、葉數及加入NACA翼型進行初步優化,透過模擬確認改良參數組合使風機性能明顯提升最大流量53%、效率102%。接著將初步優化設計製作模型,安裝在空氣濾清器中執行AMCA風洞之性能實測,其實測數據與數值模擬進行比對後,結果顯示兩者誤差約為5%。隨後應用田口法分析進行兩階段優化,選用8項控制因子及3水準,控制因子分別為翼型、弦長、出口角、扇葉圓弧、安裝角、葉片數、翼型與Y軸及X軸相對位置,規劃兩次L9直交表排列,透過數值模擬分析各模型之流量與效率,並計算出訊噪比分析控制因子對風機性能之影響。最後針對護罩參數之曲率半徑以及空氣濾清器出口外型加入翼型,調整肋條之安裝角及彎曲半徑,最佳改良風機安置於空氣濾清器後,將最大流量與效率分別提升至782.32CFM(80%)與5.86CFM/W(128%)。歸納上述結論,本文所探討的斜流式風機經過系統化參數優化後性能獲得大幅的提升,並得知各項控制因子對性能之影響程度。


This research integrates numerical and experimental technologies to enhance the performance of air cleaner, which plays an essential role on improving the air quality in the living environment. First, a preliminary parametric study is conducted to improve the inclined-flow rotor under the housing of air cleaner with modified shroud and backplate. The rotor variables consider here include the number, the arc profile, the inlet and outlet angles of rotor blade, and addition of NACA airfoil. Subsequently, significant increases on flow rate (53%) and energy efficiency factor (102%) are attained and confirmed via the performance experiment on the 3D-priting prototype in an AMCA test chamber. Also, the reliability of CFD tool is verified by a 5% deviation between test and CFD perdition. Next, the comprehensive optimization on rotor is executed with the aids of Taguchi method with 8 variables and 3 levels. Besides parameters in the first optimizing stage, the setting angle, the chord length, and the airfoil position are taking into consideration. With simulation outcomes serving as test results, two L9 arrays are designed and analyzed the flow rate and efficiency factor for each model. In addition, the signal-to-noise (S/N) ratio was calculated to evaluate the performance impact of each parameter. Afterward, geometries of the shroud and the air-cleaner outlet are adjusted systematically for meeting the flow field generated by the aforementioned optimized impeller. In conclusion, the optimum air cleaner generates the maximum flowrate of 782.3CFM with the energy efficiency factor of 5.86 CFM/W, which represents 80% and 128% enhancements compared to the original design, respectively.

摘要 I Abstract II 致謝 IV 目錄 VI 圖索引 VIII 符號索引 XI 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2文獻回顧 2 1.2.1數值模擬 2 1.2.2風扇設計 6 1.3研究動機與實驗方法 10 第二章 斜流式風機簡介 14 2.1斜流風扇介紹 20 2.2斜流風扇設計 21 第三章 數值分析 30 3.1統御方程式 30 3.2紊流模式理論 34 3.3數值求解流程 36 3.3.1離散化方程式 38 3.3.2上風差分法 40 3.3.3速度與壓力耦合 41 3.4網格生成 43 第四章 原始空氣濾清器與葉輪參數分析 46 4.1模型建立 46 4.1.1網格規劃 52 4.1.2邊界條件設定 54 4.1.3原始空氣濾清器之流場分析 55 4.2葉輪參數設計 60 4.2.1初步葉輪優化 60 4.2.2原始風機與初步優化風機之流場與性能分析 70 4.3初步優化斜流風機之性能實驗量測 73 4.3.1風機性能實測設備 73 4.3.2初步優化風機之實測與模擬比較 74 第五章 葉輪之田口法優化分析與護罩參數設計 81 5.1控制因子與直交表的選用 81 5.2第一階段田口法之風扇優化結果 84 5.2.1訊噪比分析 84 5.2.2優化參數之決定 85 5.3第二階段之田口法風扇優化結果 93 5.4葉輪護罩之參數設計分析 100 第六章 空氣濾清器出口外型參數設計 107 6.1翼型肋條之安裝角 107 6.2肋條之彎曲半徑 110 第七章 結論與建議 117 7.1結論 118 7.2建議 120 參考文獻 123

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全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期 2034/01/05 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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