空調室外機軸流風機性能預測及實驗研究

劉中杰，劉利娜，陳煥新

（1-國家節能環保制冷設備工程技術研究中心，廣東珠海 519070；2-華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430074）

空調室外機軸流風機性能預測及實驗研究

劉中杰*1，劉利娜1，陳煥新2

（1-國家節能環保制冷設備工程技術研究中心，廣東珠海 519070；2-華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430074）

利用CFD對空調軸流風機周圍空氣流動狀態進行仿真求解，獲得軸流風機在空調室外機風道系統中的一些性能預測。以不同出口靜壓繪制出風機特性曲線，得到風機產生的風量和全壓。結合空調室外機負載和電機參數，最終得到風機的效率。取風葉不同半徑基元級位置得到其對空氣做功的大小以及流動狀態。獲取風葉在室外機中的效率，并考慮導流圈上壓力脈動的大小，對風葉表現出的性能和噪聲水平做出正確的預估。研究結果為風葉的優化設計和結構選型提供依據。

空調；軸流風機；CFD；效率；壓力脈動

0 引言

空調室外軸流風機主要作用是提供冷凝器的散熱循環風量，因此冷凝器是室外機的關鍵部件，而風機是影響冷凝器換熱能力的重要部件。

CFD技術已經逐步應用于空調零部件設計中，華中科技大學王軍等[1-2]主要從CFD的結果對軸流風葉結構設計提出改進意見；上海交通大學田杰等和姜彩鈴等[3-4]主要從CFD仿真和PIV試驗相結合的方法對風機的氣動噪聲進行研究；西北工業大學王占學等[5]主要從試驗的方法對比不同風葉結構引起的流場和噪聲差異；清華大學王洪磊等[6]通過對空調室外機的模擬仿真，認為風扇罩對降低渦流噪聲影響顯著，從而通過優化其結構達到降噪的目的。日本空調企業在2000年左右已經成功的將CFD技術應用于室外機軸流風扇的開發，JANG C M等[7]對于室外機CFD流場仿真和噪聲預測已經成功應用于工程設計中。對于低速軸流風扇的研究大多數著眼于對其噪聲的預估，其中PéROT F等[8]采用了先進的LBM（Lattice Boltzmann Method）算法對流場進行精密仿真，得到精確的壓力脈動和渦量分布等噪聲分析的噪聲源數據，從而獲取較為準確的噪聲預估結果。

對于空調室外機的CFD仿真，管翅式冷凝器無法真實建模，所以參考文獻[1,2]中直接忽略了冷凝器的影響，單從風機方面分析；而參考文獻[6]采用了CFD軟件中多孔介質模塊，將冷凝器對空氣的壓降考慮到流場計算中。本文通過結合理論和實際應用，利用方法一通過仿真獲取風機特性曲線，對比不同結構對風葉性能的影響；利用方法二主要從室外機整體的表現去把握風機系統的設計，主要是針對工作點狀態下的流場信息，得到的結果可以為冷凝器散熱優化設計或者室外機噪聲預估提供邊界條件。參考文獻[9]主要對方法一做了一個初步的探索，本文對計算模型進行了調整，對風機在室外機有無負載的狀態下進行仿真，得到流場分布情況。

1 實驗裝置和數值模型

1.1 實驗裝置

本文分析載體為某款上市1.5 HP室外機，其中分析的軸流風葉外徑均為445 mm，輪轂比為0.25，葉片個數為3片，沿圓周均勻分布；主要負載為管翅式冷凝器，采用雙排、Φ9.52銅管、平片結構；風葉后部帶注塑出風格柵，主要防止異物進入風機造成事故，對于風機系統也是風阻和噪聲的影響部件；此外，電機支架和電機對于風道中氣流流動也存在一定阻礙。實驗風量測試的主要設備參照了ANSI于2007年8月17日頒布的美國國家標準，如圖1所示。其中風速通過噴嘴前后壓差計算得到，風機出口靜壓（或全壓）通過圖1中PL7位置測試得到。

圖1 風量測試裝置

實驗噪聲測試參照GB/T 7725-2004房間空氣調節器[10]，本文按照某空調企業噪聲測試標準在半消聲室里進行測試，室外機和采集麥克風放置位置要求如圖2所示。

圖2 噪聲測試位置

1.2 物理模型

結合實驗測試的狀況，對參考文獻[9]的物理模型，進行必要調整，修改后CFD模型如圖3所示。其中不同范圍的進口延伸對結果有影響，室外機進口直接連通大氣，進口延伸區域選擇了半圓球，包含了在室外機周圍大氣；室外機測試時連接了測試用轉換風口，截面發生了變化，此部分造成的一定損失需考慮；軸流風葉放在實際的室外機殼體里，包含了電機支架和電機，考慮到其產生的阻力，盡可能與實際測試狀態一致；考慮到室外機冷凝器部分使用多孔介質模型，單獨建立幾何劃分網格。

對仿真結果有較大影響的因素除了幾何模型外，主要是對模型網格的劃分。從工程應用角度出發，除了冷凝器計算域外其余計算域均采用四面體網格，冷凝器計算域采用六面體網格主要為了保證用多孔介質模型時的計算準確性，其多孔介質阻力參數通過換熱器阻力測試得到p-v曲線擬合計算得到。對于風葉表面及附近壓力梯度較大區域采用尺寸函數方式加密網格，其余區域采用稀疏網格，從而保證整體網格數目在150萬左右。經研究對比，這樣的網格分布和數目既能保證一定的計算精度，又達到了快速收斂的目的。

圖3 CFD計算域模型

1.3 數學模型

將網格劃分得到離散模型導入到商業有限體積CFD軟件中，進行數值求解不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes方程。其中湍流粘性模型采用了k-ε兩方程模型，壁面附近流動利用壁面函數進行求解；考慮到流動的非穩定性及噪聲計算的需求，采用了非定常計算，對于時間項采用二階離散格式；考慮到動靜干涉的影響，旋轉區域計算采用了sliding mesh模型，計算過程中風葉以及其周圍旋轉域網格按指定轉速轉動；對于對流項和擴散項采用二階迎風格式，壓力-速度的耦合采用PISO算法求解；計算收斂準則為連續性殘差ε＜10-5。連續性方程和動量方程寫成張量形式分別是：

式(2)中S是源項，表征Coriolis力和離心力；

湍流動能K和耗散率ε從公式(3)和公式(4)的輸運方程得到：

式(3)、(4)中μt是湍流粘性系數（Pa·s），由K和ε從公式(5)可求得：

式(5)中的C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09是常數值；湍流K-ε方程采用標準壁面函數時，近壁面的平均速度滿足公式(6)：

式(6)中kv=0.42，是von Karman常數；E=9.81，為經驗常數；Kp為P點的湍流動能K；yp是從P點到壁面的距離；μ為P點流體的動力粘度（Pa·s）。

進口邊界給定0 Pa全壓進口；出口邊界給定0 Pa壓力出口，求解風葉旋轉引起的空氣循環流量大小。

2 流動分析

2.1 風機特性曲線

根據通風機原理，空氣經過一定轉速下風機的做功，產生了一定的風量和全壓。通過繪制全壓與流量之間的關系曲線，從而可得到通風機的特性曲線。對于不同結構的通風機通過對比它們的風機特性曲線，可得知風機性能優劣。

風機特性曲線可通過實驗或仿真手段獲取，本文將實驗和仿真得到的風機特性曲線做了對比，如圖4所示。對比可見在22 Pa以下時，CFD曲線與實驗曲線十分接近；在22 Pa以上風機進入不穩定工作范圍，流量大幅度降低，仿真很難保證準確計算出其狀態下的壓降。

圖4 CFD與實驗的特性曲線對比

2.2 截取流場信息

根據CFD計算的結果，可以分析風葉表面靜壓分布，流道中速度分布、全壓分布和冷凝器表面速度分布等，從而了解風葉主要做功區域和風葉設計缺陷，知道流道中主要的空氣流通區域和主要的損失區域，以及冷凝器主要換熱區域等。圖5(a)表示截取風葉葉片表面靠近葉頂的基元級的位置，圖5(b)表示沿前緣至尾緣曲線靜壓分布，曲線圍成的區域面積表示此基元級做功的大小，上曲線表示壓力面靜壓值變化趨勢，下曲線表示吸力面靜壓值變化趨勢，從曲線的變化可了解氣流沿葉片的流動情況。

圖5 葉片基元級的靜壓分布

2.3 風葉做功與效率計算

通過CFD在獲取風葉的特性曲線同時，可以得到每個狀態下的風葉轉矩需求大小。通過公式(7)可計算得到風機的軸功率，然后通過公式(8)將有效功除以消耗功則得到風機全壓效率。

式中：

ω——角速度，rad/s；

T——CFD計算得到的風葉轉矩大小，N·m。

式中：

qv——流量，m3/s；

ptF——CFD計算得到的風機全壓升，Pa。

將一款軸流風葉在某室外機殼體里進行CFD的計算結果進行統計，可得到表1。

表1 某款風葉做功和效率CFD結果

2.4 壓力脈動分析

在仿真風機運轉過程中，對主要噪聲源壁面記錄其壓力隨時間的波動情況。對記錄的數據進行FFT轉換，得到壓力脈動在頻域下的特征分布情況，進而評價有關風機噪聲的大致水平。圖6為計算某風葉旋轉一圈時間內，室外機導流圈上取三個小面的壓力的變化情況，將監控得到的時間-壓力曲線數據進行FFT轉換后，可獲取頻率下的峰值分布情況，其中明顯的峰值基本上都是旋轉基頻及倍頻。

圖6 壓力隨頻率的分布曲線

3 不同風葉對比

3.1 風機工作點

根據通風機原理，不同設計結構的風葉通過CFD在獲取風葉的特性曲線，同時通過試驗測試的方法也可獲取風葉的特性曲線以及網管阻力曲線。將兩者放入圖7中進行對比，從中可以找到風葉1#和風葉2#在特定的網管中的工作點，即特性曲線和網管阻力的交點，通過CFD方法可以預估出各風葉的風量大小。同時，可判斷風葉的工作狀態是否穩定，是否可能會出現喘振。

圖7 不同風葉工作點對比

3.2 風機噪聲評估

不同設計結構的風葉在仿真過程中，利用壓力脈動分析方法，監控相同位置的壓力波動情況可以獲得圖8的對比結果。風葉1#的壓力脈動幅度明顯大于風葉2#，從而可以初步評估得到風葉1#的噪聲略差于風葉2#。

圖8 不同風葉壓力監控對比

4 結論

1) 分析可獲得風機的特性曲線，但并非全部流量范圍內仿真值都能夠保證與實測值一致，對于流量低于失速點狀態下的情況，仿真得到的全壓值通常高于實測值。

2) 截取基元級的壓力分布可通過曲線所圍面積得知其做功大小，同時可以得知基元級上壓力變化趨勢，從而得知葉片表面流動是否存在分離的信息。

3) 通過計算得到風機的效率高低，從而幫助選取高效風機。

4) 雖然不能通過CFD計算得到風機的噪聲大小，但通過監控壁面壓力的分析，可以得到其產生主要的頻率成分，從而判定其對總噪聲的貢獻。

因此，綜合比較之后，可以為風葉的性能和噪聲作出預測，為風葉設計、優化和選型提供依據。

[1]王軍, 邱鑫, 王興雙. 空調室外軸流風機結構匹配性能試驗研究[J]. 風機技術, 2010(2): 16-18.

[2]王軍, 金培耕, 吳光輝, 等. 空調用軸流風扇系統內流特性分析與應用[J]. 工程熱物理學報, 2002, 23(3): 305-308.

[3]田杰, 歐陽華, 吳亞東, 等. 空調器室外機軸流風機內部流動的PIV研究[J]. 實驗流體力學, 2009, 23(1): 9-16.

[4]姜彩鈴, 陳江平, 陳芝久, 等. 空調室外機流場特性研究[J]. 中國機械工程, 2005, 16(12): 29-32.

[5]王占學, 喬渭陽, 唐狄毅, 等. 兩種空調器室外機組風扇的流場和噪聲實驗研究[J]. 西北工業大學學報, 2003, 21(3): 17-19.

[6]王洪磊, 向東, 段廣洪, 等. 分體式空調室外機風道系統的流場分析[J]. 流體機械, 2009, 37(6): 65-69.

[7]JANG C M, FURUKAWA M, INOUE M. Frequency characteristics of fluctuating pressure on rotor blade in a propeller fan[J]. JSME International Journal Series B, 2003, 46: 163-172.

[8]PéROT F, MOREAU S, HENNER M, et al. Direct Aeroacoustic Prediction of a Low-Speed Axial Fan[J]. AIAA paper, 2010, 3887: 2010.

[9]劉中杰, 劉利娜, 龍斌華, 等. 基于CFD的空調用軸流風葉設計選型[C]//國家節能環保制冷設備工程技術研究中心2010年國際制冷技術交流會論文集. 2010: 569-572.

[10]GB/T 7725-2004, 房間空氣調節器[S].

Performance Prediction and Experimental Research on Axial Fan of Outdoor Unit of Air-conditioner

LIU Zhong-jie*1, LIU Li-na1, CHEN Huan-xin2
(1- National Engineering Research Center of Green Refrigeration Equipment, Zhuhai, Guangdong 519070, China; 2- School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China)

Through CFD simulation on the air flow around the axial fan of outdoor unit of air-conditioner, the performance prediction of the axial fan in the flow field system of outdoor unit was obtained. The fan performance curve was drawn for different outlet static pressures, and the total air volume and total pressure of the fan were obtained. Combined with the load of outdoor unit of air-conditioner and the parameters of the motor, the fan efficiency was gained. Besides, the power consumption and the flow patterns were predicted by different radial section of fan blade on an elementary stage numerically. The performance and noise level of fan blade were predicted effectively by obtaining the efficiency of the fan in the outdoor unit and the fluctuating pressure at the guide casing. The research results provide a basis for the optimum design and structure type selection of the fan blade.

Air-conditioner; Axial fan; CFD; Efficiency; Fluctuating pressure

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.207

*劉中杰（1981-），男，工程師，學士。研究方向：空調風機風道設計研究。聯系地址：珠海格力電器制冷技術研究院2所，郵編：519070。聯系電話：0756-8669108。E-mail：jimee_lzj@163.com。