基于ANSYS CFX 的不同結構滾筒洗衣機的流場分析

田靜鉛,錢瑞明

(東南大學機械工程學院,江蘇 南京211189)

0 引言

隨著家電行業的發展,人們對洗衣機功能要求越來越高,市場上的很多滾筒洗衣機增加了烘干功能,這種功能一般需要在外筒端蓋上開孔連通內筒和烘干通道。但是伴隨著烘干功能的實現,給洗衣機生產商也帶來了很大困擾,因為在脫水狀態下洗衣機的噪聲一般會比沒有烘干功能的洗衣機大很多,所以如何降低這種洗衣機在脫水狀態下的噪聲問題成為了擺在有競爭力的洗衣機生產商面前的課題。

通過對比有烘干通道和無烘干通道的滾筒洗衣機內部結構,發現在外筒端蓋上開孔可能是帶來噪聲的主要原因,所以本文針對外筒端蓋開孔對內部流場的影響來分析研究產生噪聲的原因。針對滾筒洗衣機內部流場研究,近年來一些學者從不同角度進行了模擬。2007年,徐超[1]分析研究了滾筒洗衣機三角支架的不同結構對周圍空氣流場和氣流噪聲的影響,但其研究并未涉及洗衣機的實際模型,只是針對三角支架置于自行設定的理想環境;2011年,俞舒天和高長水[2]分析了滾筒洗衣機內筒加強筋對氣流的影響,并研究了由其產生的渦流噪聲;2011年R Abril López[3]建立了較完整的洗衣機內筒模型,分析了不同載荷情況下內筒和三角支架的受力變形,雖沒有分析周圍的流場,但所采用的建模方法對氣流噪聲的分析具有參考價值。

鑒于洗衣機內外筒組件間結構的復雜性以及軟件模擬的準確性,根據滾筒洗衣機實際模型進行簡化,對其內筒和外筒之間的流場進行仿真分析,并針對降低旋轉過程中產生的氣流噪聲提出相應的改進建議。

首先利用Pro/E和ANSYS WORKBEN軟件建立內筒和外筒主要組件的三維模型和流體域模型,再利用ICEM CFD軟件對模型進行網格劃分,導入流體動力學軟件ANSYS CFX對模型進行流體動力學分析,最后在ANSYS CFX－Post中對結果進行整理分析,找出外筒端蓋無孔模型和外筒端蓋有孔模型在速度和湍流動能分布及大小方面的不同點,以及外筒端蓋開孔引起氣流噪聲變大的主要原因,并給出相應的優化措施。

1 滾筒洗衣機的固體域和流體域模型建立

根據某型滾筒洗衣機內筒和外筒組件的實際結構(圖1),在Pro/E軟件中建立了相應的簡化三維模型,模型中簡化了一些對結果影響不大但又對網格質量影響較大的倒角、孔等,雖然在此主要分析內外筒底部三角支架附近的流場,但是建立的是整個內筒和外筒的模型,這樣使邊界條件更接近真實的物理環境。外筒端蓋無孔模型和外筒端蓋有孔模型的不同就在于一個外筒為封閉的(圖2a),一個外筒上有開兩個孔(如圖2b,用于連接烘干通道,其中大孔直徑為70 mm,小孔直徑為30 mm),內筒模型包括了三角支架和薄板(圖3)。

圖1 滾筒洗衣機內外筒組件實體模型

圖2 外筒三維模型

圖3 內筒三維模型

同時,在對洗衣機進行流體動力學分析時,需要建立內外筒所包圍的流體域模型,在此分別對外筒端蓋無孔和外筒端蓋有孔模型建立了流體域三維模型(如圖4a、圖4b),無孔洗衣機的流體域模型是由外筒的形狀決定的,而有孔洗衣機由于筒內空氣和外部是相通的,所以建立的流體域是包圍整個外筒的立方體模型。

圖4 洗衣機流體域模型

2 模型網格劃分和域屬性設置

網格劃分是在ICEM CFD中進行的,均采用非結構化四面體網格,無孔模型網格總數為2 515 828(圖5a),有孔模型網格總數為2 925 721(圖5b),網格質量均在0.3以上,符合計算要求。

在導入ANSYS CFX中后,需要對計算條件進行相應設置。首先,采用標準κ－ε湍流模型,同時因為洗衣機內空氣流動速度一般低于50 m/s,可壓縮性很弱,流體設為不可壓縮空氣。在此,計算可以看成是一個攪拌問題[4],固體域設置均為Immersed Solid,這種設置相當于把旋轉的內筒沉浸在靜止的空氣中,不但減少了網格劃分工作量也使內外筒和空氣之間的邊界條件設置更為簡單,也更符合實際物理環境。設置內筒轉速為1 500 r/min,所有的邊界條件設置為wall。

圖5 有孔和無孔模型的網格劃分

3 有孔和無孔模型的流場對比分析

計算完成后,在ANSYS CFX－Post中對外筒和內筒底部之間流場中數據進行了整理和分析。因速度分布能客觀反應空氣的流動狀態,而湍流動能是衡量湍流強度的一個重要標準,所以本文重點對比分析無孔模型和有孔模型的速度分布與湍流動能,其中速靠近內筒和外筒底部的速度流線見圖6和圖7,內筒和外筒之間距外筒內端面5 mm位置處平面上的湍流動能見圖8和圖9。

圖6 無孔模型內外筒底部速度流線圖

圖7 有孔模型內外筒底部速度流線圖

圖8 無孔模型湍流動能圖

圖9 有孔模型內外筒底部湍流動能圖

由以上線圖可以看出:

1)無孔模型和有孔模型的速度流線的最大速度分別為37.78 m/s和36.77 m/s,兩者非常接近,說明在外筒端蓋上開孔并沒有影響內部空氣的整體速度大小,同時也驗證了計算前對流體進行的不可壓縮設置的正確性;

2)無孔模型速度分布沿圓周方向向外呈逐漸變大趨勢,只有在7個凹槽處有明顯的速度繞線(渦流),但是空氣在這些位置處的速度并不大,從對應的湍流動能圖上也可以看到在這七個凹槽處有小的渦流;

3)有孔模型的湍流動能相差兩個數量級,在同一個平面中,也就是說有孔模型的湍流強度遠大于無孔模型。

在洗衣機外筒上開孔,從對流場的影響來看實則是改變了整個洗衣機內部的氣流通道,對洗衣機內筒和外筒底部之間流場分布影響很大,特別是會提高內筒和外筒底部之間的湍流動能,因為湍流動能對渦流噪聲的影響較為直接[5,6],這就導致有孔模型比無孔模型的渦流噪聲要大很多,也就是在滾筒洗衣機上添加烘干裝置的時候,會增加洗衣機的氣流噪聲,從而降低洗衣機的性能。

4 改進建議

為了減小外筒上開孔對內部流場的影響,本文對孔的位置進行調整,將孔開在靠近底部的滾筒上(圖10),分析洗衣機內筒和外筒底部之間的湍流動能分布變化(圖11)。

圖10 側面開孔的外筒

圖11 外筒側面開孔模型的湍流動能圖

對比圖9和圖11,發現改變孔的位置,將孔開在滾筒側面能夠使湍流動能最大值由1 516 m2/s減小到1 148 m2/s2,也就是說將孔開在外筒的側面比開在外筒端蓋上所產生的湍流強度要小,所以將孔開在外筒側面會相對減小外筒上開孔所產生的氣流噪聲。

[1]徐超.滾筒洗衣機噪聲控制研究[D].鎮江:江蘇大學,2007.

[2]俞舒天,高長水.滾筒洗衣機噪聲分析[J].科技風,2011,(19):29-30.

[3]R Abril López.Structural Analysis Of A Washing Machine Through Its Loading Cases:Redesign Of The Tripod And The Front Cover[D].Sweden:University of Sk?vde, 2011.

[4]吳德飛.攪拌槽內三維流場的CFX5數值模擬[J].石油化工設備,2003.

[5]Curle N.The Influence of Solid Boundaries Upon Aerodynamic Sound.Proc.Roy.Soc.A231,1955:505-514.

[6]夏恒,姚志遠.氣流繞流產生的麥東亞立場向輻射聲場演變規律的探索[J].華東船舶工業學院學報,2002,16(1):72-76.