分體式空調貫流風機系統蝸舌結構優化及降噪分析

張金山

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

分體式空調貫流風機系統蝸舌結構優化及降噪分析

張金山

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

本文針對影響貫流風機系統噪聲的重要因素之一的蝸舌結構進行研究，利用CFD軟件Fluent對貫流風機內部流場進行模擬分析并與試驗相結合，通過優化目前蝸舌結構，達到降低噪聲的目的。

空調；貫流風機；蝸舌；噪聲；試驗；CFD

1 引言

貫流風機因其結構簡單、體積小、產生的氣流高速、平直等特點，目前已經被廣泛應用在分體式家用空調器中。貫流風機由多葉葉輪、蝸殼、蝸舌構成。其中蝸舌的結構形式以及蝸舌與葉輪的間隙對貫流風機的性能以及噪聲具有直接影響。目前，業內主要通過試驗——調整結構——再試驗的方法進行評估，除了增加產品的研發費用外，還使項目開發周期延長。本文利用CFD軟件Fluent14.5對貫流風機內部流場進行數值模擬，直觀地了解流場內部情況，并以此優化蝸舌的結構，再結合試驗驗證，在保證貫流風機系統性能不受影響的同時，達到降低貫流風機系統噪聲的目的。

2 目前貫流風機系統

分體式空調器室內機貫流風機系統結構包括旋轉的葉輪、蝸殼以及蝸舌。圖1給出了風機系統結構簡圖以及優化前蝸舌結構，即目前使用的蝸舌結構圖。

（1）當葉輪在自由空間旋轉時，由于葉片打擊周圍的氣體介質，葉片鄰近的某固定位置上空氣受到葉片及其壓力場的周期性激勵而發聲，其實質為旋轉噪聲。頻率為：

f=nZ/60×i(Hz) ①

式中：n——葉輪轉速（r/min）；Z——葉片數；i——諧波序號；i=1,2,3,…,i=1為基頻。

（2）葉片尾流的作用產生另一種旋轉噪聲。當葉輪旋轉時，葉片出口區內氣流具有很大的不均勻性。這種不均勻性氣流周期性地作用于周圍介質，產生壓力脈動而形成噪聲。當動葉排與蝸舌間的間距過小時，前排葉片尾流掃過后排葉片或動葉尾流掃過蝸舌皆會產生脈動力，從而產生旋轉噪聲。通過試驗測得目前貫流風機系統噪聲值與風量值，并給出優化前蝸舌結構相關參數如表1所示。

3 貫流風機內部流場二維非定常數值模擬

3.1 流場建立、網格劃分、邊界條件定義

根據貫流風機的結構特性，風機內部流場屬于湍流流動，本文采用CFD軟件Fluent14.5里二維非定常計算選項，為使模擬的結果更接近真實風場，由于試驗樣機是安裝換熱器的，因此數值模擬同樣考慮換熱器的影響。當然也可以采用三維計算，但三維計算網格劃分數量龐大，尤其是葉輪與換熱器部分的結構特征繁多，網格劃分數量也會因此增加，所需要的計算資源也就更大，對于普通的臺式電腦無法承認如此大的計算量，當然也就不利于產品開發人員進行平時的研究。如果將網格數量劃分的較稀疏，對模擬結果又將會造成很大影響，往往會影響判斷。綜上所述，筆者認為采用二維計算較為合適。

如圖2所示，使用前處理軟件Gambit2.4.6對計算域進行網格劃分，計算域全部采用四邊形網格。由于重點關注貫流風機內部流場情況，因此將貫流風機內部網格劃分較密集一些。而對于遠處的影響不大的計算域網格劃分的相對稀疏些，這樣可以提高計算的速度。葉輪區域設定為旋轉區域，動靜區域之間采用滑移網格。換熱器部分設定為多孔介質模型，邊界條件定義為壓力入口與壓力出口。

3.2 數值計算

將前處理文件導入到Fluent14.5中，選擇壓力基求解器，求解非定常流動。K-e兩模型，標準壁面函數，壓力-速度耦合采用PISO，二階迎風格式。時間步長設定為0.0001s，監測出口流量不再發生變化時，認為達到準穩定狀態。計算結果得出貫流風機系統速度分布云圖，并且通過放大可以觀察到蝸舌附近的流速情況，如圖3所示。

3.3 數值模擬結果分析

從速度分布云圖（見圖3）上可以看出，當流場達到準穩定狀態時，偏心窩位于蝸舌附近，換熱器進風速度不均勻，主要集中在第二折換熱器上。后蝸殼有部分低速區域，蝸舌與葉輪間隙為2.8mm，該位置流速較高，約12.1m/s，因此當葉輪尾流掃過蝸舌的時候脈動力比較大。此外，由于偏心蝸的存在，使得部分氣流又倒回到葉輪內部，在蝸舌前端圓角氣流分離位置出現一個明顯的低速區域，這一區域對出風氣流造成影響，分析認為以上因素是造成風機噪聲偏高的問題所在。

4 蝸舌結構的優化

通過改善蝸舌的結構形式，采用鋸齒形蝸舌，使葉片尾流在同一時間時掃過不同的蝸舌型線來分散噪聲頻譜，從而降低噪聲輻射。增加蝸舌與葉輪的間隙，間隙調整為5.5mm，增大蝸舌間隙可以減小氣流回流時的阻力，達到降低噪聲的目的。減小蝸舌前端圓角，圓角調整為R4.0mm，在此氣流沿出風口流出與回流的分離位置，較小的圓角可以減少氣流沖擊面積，優化后蝸舌結構如圖4所示。使用優化后的蝸舌再次對貫流風機內部流場進行數值模擬，可以看出有很明顯的改善，如圖5。

表1 優化前蝸舌結構相關參數

表2 優化后貫流風機系統噪聲測試結果

表3 優化前后試驗對比數據

蝸舌附近位置的流速降低為9.73m/s，并且前端圓角的低速區域已消失。使用優化后蝸舌結構經試驗測試貫流風機各風檔噪聲均降低約2dB(A)，風量損失在2%以內，不會影響風機性能。優化后貫流風機系統噪聲測試結果及前后對比數據見表2、表3所示。

5 結語

在空調市場競爭環境日益激烈的今天，更快的研發速度與更低的研發成本投入無疑成為各空調企業尤為關注的事情。借助于計算流體力學仿真分析技術，在處理貫流風機噪聲問題上，通過對貫流風機內部流場進行數值模擬，直觀地了解內部流場情況，提供一種解決問題的方向與思路。避免反復進行試驗帶來的研發費用增加以及研發進度緩慢的情況，確保產品更早地投入市場，從而使企業在行業內更具有競爭力。

Minisplit AC cross fan blade structure optimizing and noise reduction analysis

ZHANG Jinshan
（Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070）

This article is study on minisplit AC cross fan blade structure which is the major factor of cross fan blade structure noise. Use the Fluent of CDF software to model analyze and test in combination for the cross fan motor internal flow field, through optimizing the current fan blade structure to reduce noise.

Air-condition; Cross-Flow; Volute tongue; Noise; Test; CFD

圖1 風機系統結構簡圖（左）及優化前蝸舌結構圖（右）

圖2 網格劃分計算模型圖

圖3 速度分布云圖（左）與蝸舌附近速度云圖（右）

圖4 優化后蝸舌結構

圖5 優化后蝸舌速度云圖