基于窗機(jī)送風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)整機(jī)流體降噪研究

王永濤　尹曉英　戴現(xiàn)偉　李英舒

青島海爾空調(diào)器有限總公司　山東青島　266101

1　引言

隨著生活品質(zhì)的提高，消費(fèi)者越來(lái)越關(guān)注空調(diào)的噪聲問(wèn)題。與分體式空調(diào)相比，窗式空調(diào)安裝方便、結(jié)構(gòu)緊湊，但噪音較大[1]。一方面，與分體式空調(diào)不同，窗機(jī)室內(nèi)側(cè)的送冷風(fēng)風(fēng)扇與室外側(cè)的排熱風(fēng)風(fēng)扇皆由同一個(gè)雙軸電機(jī)帶動(dòng)，無(wú)法獨(dú)立調(diào)節(jié)各自轉(zhuǎn)速，因此較難控制噪音；另一方面，窗機(jī)為一體機(jī)，其壓縮機(jī)無(wú)法與室內(nèi)側(cè)完全隔離，導(dǎo)致噪音明顯。

基于氣動(dòng)聲學(xué)的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，許多專家和學(xué)者對(duì)風(fēng)扇噪聲相關(guān)原理進(jìn)行了深入研究。Y. Scnoo和Y.Kodama[2]在文章中指出，風(fēng)扇噪聲主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和紊流噪聲兩部分組成，并指出紊流噪聲是低壓軸流風(fēng)機(jī)的主要噪音。李林凌[3]等結(jié)合葉素理論及非線性氣動(dòng)力理論，建立相應(yīng)的扇葉紊流噪聲模型，研究了包括葉片半徑、攻角和截面等參數(shù)對(duì)氣動(dòng)噪聲特性的影響；馬大猷院士[4]提出了微穿孔板吸聲降噪結(jié)構(gòu)。

本文針對(duì)窗機(jī)降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，從減少氣動(dòng)噪音（湍流噪音、旋轉(zhuǎn)噪音）方面入手，對(duì)某款窗式空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并以實(shí)驗(yàn)與仿真模擬結(jié)合的方法，有效地驗(yàn)證了本文所述優(yōu)化方案的可行性。

2　實(shí)驗(yàn)研究

2.1　技術(shù)方案

窗機(jī)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1，其噪音主要有三大來(lái)源，氣動(dòng)噪音（湍流噪音、旋轉(zhuǎn)噪音）、結(jié)構(gòu)噪音（壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、薄壁件振動(dòng)）、電磁噪音（壓縮機(jī)、電機(jī)、電路板）。其中氣動(dòng)噪音占總噪聲的68%～85%[5]，主要由葉輪在旋轉(zhuǎn)做功過(guò)程中產(chǎn)生，因此降噪的主要方向在于優(yōu)化送風(fēng)系統(tǒng)。

后向離心風(fēng)扇的效率比前向和徑向風(fēng)扇效率要高，在同樣工況下可以有效降低整機(jī)功率。風(fēng)輪直徑越大，得到相同風(fēng)量時(shí)其轉(zhuǎn)速越低，降轉(zhuǎn)速可以有效降低噪音；軸流風(fēng)扇葉片表面設(shè)置凹坑，可以減少葉片吸力面的附面堆積與分離，減少渦流的形成；葉片邊緣設(shè)置為鋸齒，鋸齒可以減少葉片后沿（后緣）的渦流分離，從而降低噪音。

基于此，設(shè)計(jì)將原方案中前向離心風(fēng)扇、室外軸流風(fēng)扇替換，室內(nèi)側(cè)采用后向式離心風(fēng)扇、室外側(cè)采用邊緣鋸齒、凹凸表面的三葉片軸流風(fēng)扇。通過(guò)室內(nèi)外風(fēng)扇優(yōu)化方案，在性能保持不變情況下，提高送風(fēng)系統(tǒng)效率，降低整機(jī)噪音。

圖1　窗機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　原方案頻譜圖

圖3　新方案頻譜圖

2.2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)室采用聲學(xué)照相機(jī)（聲相儀）監(jiān)測(cè)噪音源的位置和噪音輻射的狀態(tài)。聲學(xué)照相機(jī)通過(guò)多個(gè)麥克陣列的方式來(lái)測(cè)量聲場(chǎng)分布，該設(shè)備配置有48個(gè)麥克陣列，不需要詳細(xì)分析，可實(shí)時(shí)地利用顏色映射法，探測(cè)出瞬間的噪音發(fā)生源。主要規(guī)格：環(huán)形陣列直徑為75cm，最佳測(cè)量范圍為0.5m～5m，最佳映射頻率為400Hz～20kHz，空間分辨率為1cm@1000Hz。

聲品質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)：配置有最先進(jìn)模擬人工頭，進(jìn)行立體聲錄音，可以再現(xiàn)出無(wú)限接近于人類聽(tīng)覺(jué)感官收到的聲音。其主要分析功能由數(shù)據(jù)采集模塊、基本分析軟件、采樣數(shù)可調(diào)的快速傅里葉變換（FFT）、心理聲學(xué)模塊、進(jìn)行高級(jí)心理聲學(xué)研究的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，優(yōu)化前后室內(nèi)送風(fēng)量與室外送風(fēng)量沒(méi)有明顯下降，整機(jī)性能基本一致，但噪音顯著降低：室內(nèi)側(cè)噪音降低約3dB，室外側(cè)噪音降低約4dB。

通過(guò)原方案與新方案噪音頻譜圖（圖2、圖3）對(duì)比可知，新方案在200Hz到800Hz頻率區(qū)間的尖峰值數(shù)量較少，且尖峰值噪音波動(dòng)范圍較小，即新方案旋轉(zhuǎn)噪音較原方案有很大改善。

對(duì)于室內(nèi)側(cè)：采用前向離心改為后向式離心風(fēng)扇。當(dāng)氣體在相鄰葉片通道流動(dòng)時(shí)，由于離心力作用會(huì)產(chǎn)生速度差。兩種情況在前向離心風(fēng)扇中共同作用，會(huì)導(dǎo)致不均勻性加劇，而這兩種情況恰好使得不均勻性在后向離心風(fēng)扇中得以緩和，因此我們采用高效率的后向式離心風(fēng)機(jī)。

對(duì)于室外側(cè)：軸流風(fēng)扇由四葉片改為三葉片，三葉片基頻低，不易產(chǎn)生共振。扇葉設(shè)計(jì)為凹凸表面和邊緣鋸齒，凹凸坑可以減少葉片吸力面的附面堆積和分離，減少渦流的形成；鋸齒可以減少葉片后沿的渦流分離，從而降低噪音。

表1　優(yōu)化前后方案實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比（1630rpm）

表2　優(yōu)化前后方案模擬結(jié)果對(duì)比（1630rpm）

3　數(shù)值研究

3.1　仿真建模

使用star-ccm+對(duì)某款窗機(jī)進(jìn)行三維仿真模擬，分別建立室內(nèi)離心側(cè)整機(jī)模型和室外軸流側(cè)整機(jī)模型。其幾何建模與網(wǎng)格劃分采用Hypermesh進(jìn)行，由于風(fēng)扇、電機(jī)支架等結(jié)構(gòu)幾何形狀比較復(fù)雜，故而采用多面體網(wǎng)格，室外側(cè)網(wǎng)格數(shù)量為223萬(wàn)，室內(nèi)側(cè)網(wǎng)格數(shù)量為134萬(wàn)。

仿真模型分為進(jìn)口區(qū)、出口區(qū)、旋轉(zhuǎn)流體區(qū)及換熱器區(qū)四個(gè)區(qū)域，采用多孔介質(zhì)模型描述換熱器區(qū)，進(jìn)出口條件為壓力進(jìn)出口、設(shè)定轉(zhuǎn)速為1630rpm，采用K-Epsilon Turbulence湍流模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.2　數(shù)值模擬結(jié)果分析

在1630rpm轉(zhuǎn)速下，整機(jī)風(fēng)量如表2所示，可知仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，優(yōu)化前后室內(nèi)送風(fēng)量與室外送風(fēng)量沒(méi)有明顯下降。

對(duì)于室內(nèi)側(cè)，前向離心風(fēng)機(jī)改為后向離心風(fēng)機(jī)，圖4與圖5為優(yōu)化前后室外側(cè)速度云圖對(duì)比，從圖中可以看出原方案中，在出風(fēng)口附近有一個(gè)比較強(qiáng)的大渦流區(qū)，對(duì)應(yīng)的速度矢量圖中有明顯的速度回流，這個(gè)渦的存在不僅降低了風(fēng)扇的效率，也會(huì)導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生。新方案中，流場(chǎng)分布明顯改善，無(wú)明顯渦流，因此氣動(dòng)噪聲會(huì)有明顯改善。

對(duì)于室外側(cè)，四葉片普通軸流風(fēng)扇改為邊緣鋸齒、凹凸表面的三葉片軸流風(fēng)扇。圖6與圖7為優(yōu)化前后室外側(cè)速度云圖對(duì)比，從圖中可知原方案中，最大噪音值明顯較新方案大，新方案中，葉片表面凹坑和邊緣鋸齒減少了吸力面的附面堆積與分離，渦流減少，從而降低噪音。

4　結(jié)論

對(duì)于窗機(jī)整機(jī)的噪音優(yōu)化，室內(nèi)側(cè)采用后向式離心風(fēng)機(jī)，室外側(cè)則應(yīng)采用邊緣鋸齒、凹凸表面的三葉片軸流風(fēng)扇來(lái)降低氣動(dòng)噪音。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)對(duì)比和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，優(yōu)化后的方案在整機(jī)性能上差異不大，噪音顯著下降，室內(nèi)側(cè)噪音降低約3dB，室內(nèi)側(cè)噪音降低約4dB。

圖4　原方案室內(nèi)側(cè)速度矢量圖

圖5　新方案室內(nèi)側(cè)速度矢量圖

圖6　原方案室外側(cè)寬頻噪音云圖

圖7　新方案室外側(cè)寬頻噪音云圖