基于ANSYS仿真分析的壁掛式空調器排水管結構研究

劉慧 周文偉

珠海格力電器股份有限公司家用空調技術開發部 廣東珠海 519070

1 引言

目前，普通家庭中使用較多的是壁掛式空調器。但在此類空調器自身的運行過程中（特別是制冷或除濕工作模式），一旦蒸發器表面的溫度低于空氣露點溫度，空氣中的水蒸氣就會在蒸發器表面產生凝露水，這些凝露水會通過空調器內部結構件已設計的水道再經過排水管排出室外，因此空調器排水管結構的可靠性就顯得至關重要。

為進一步的分析優化空調器室內機排水管結構，本文主要從ANSYS WorkBench結構靜力和Fluent分析出發，對比幾種不同的排水管結構，從而選取一種最優的方案進行設計。

2 排水管漏水原因

引起空調器室內機漏水的原因有很多，排水管漏水就是其中之一。壁掛式空調器排水管漏水主要有7個原因。

（1）保溫排水管臟堵：主要指用戶長期不清洗空調器，長期積累后，較多的雜物或者體積較大的異物進入排水管通道內，造成排水管排水不通暢引發漏水問題；

（2）保溫排水管老化：主要指排水管材料問題，排水管材料選取不合理，經過一段時間的使用后，排水管出現老化的現象；

（3）保溫排水管開裂：主要指本身的強度不足，在長期使用的條件下出現開裂現象；

（4）保溫排水管變形：主要指售后安裝時走管扭曲變形，引起排水不通暢；

（5）吹塑排水管臟堵：主要指長期積累的雜物或者體積較大的異物進入排水管管道內部，造成其排水不通暢；

（6）吹塑排水管老化：與上述保溫排水管老化情況基本相同；

（7）吹塑排水管開裂：與上述保溫排水管老化情況基本相同。

3 排水管結構

壁掛式空調器排水管材料一般選用EVA或改制PE，只有EVA中醋酸乙烯的含量低于20%時，才能作為塑料使用。與EVA相比，PE在彈性、柔性、光澤性、透氣性等性能方面均有改善，同時其應力開裂性也得到提高。本文中的排水管結構均指在材料相同的條件下進行對比分析，結構對比主要指在排水管長度、外徑一致的情況下，環繞排水管外層的筋條形狀不同，如圖1、圖2、圖3所示。

本文所述的排水管結構主要指矩形齒筋條、半圓形筋條和螺旋形筋條。在筋條形式相同的情況下，筋條高度及列距可以不同，具體則需根據實際試驗數據以及理論分析結果，綜合選取某一種具體結構使用。

4 排水管ANSYS WorkBench靜力分析

靜力分析主要指構件的強度以及剛度。其中：剛度即指在載荷的作用下，構件抵抗變形的能力；強度即指在載荷的作用下，構件抵抗破壞的能力。本文中排水管的靜力分析主要集中于分析不同結構排水管的剛度以及彎曲強度，本文中選取如表1中所示的排水管結構進行ANSYS仿真分析。

排水管1與排水管2僅外形筋條形狀不同，排水管1為矩形齒筋條，排水管2為螺旋形筋條，排水管2與排水管3筋條形狀相同，但筋條高度不同。3種排水管的材料均為EVA，EVA材料的拉伸強度為4.5Mpa，彈性模量為90Mpa，泊松比為0.1。

剛度主要是分析每個排水管的徑向擠壓受力情況，本文中的分析施加條件為在排水管徑向方向上分別施加0.5mm的位移量，對比不同結構形式的排水管所需力F的大小，力F越大則說明排水管剛度越好。

彎曲強度主要指分析排水管一端固定不動，另外一端施加一定的彎曲角度變形，以此來對比不同結構形式的排水管所產生的最大等效應力的大小，產生的最大等效應力越大，則說明此種結構的排水越容易出現開裂的情況，即結構強度越差。

4.1 矩形齒排水管1結構ANSYS靜力分析結果

矩形齒排水管1結構的徑向剛度分析結果如圖4所示，排水管1在徑向發生0.5mm位移量的情況下所需的力F1大小為10.5N。彎曲強度分析結果如圖5所示，排水管1在一端固定，另外一端彎曲10°時產生的最大等效應力為0.37Mpa。

4.2 螺旋形排水管2結構ANSYS靜力分析結果

螺旋形排水管2結構的徑向剛度分析結果如圖6所示，排水管2在徑向發生0.5mm位移量的情況下所需的力F1大小為10.1N。彎曲強度分析結果如圖7所示，排水管2在一端固定，另外一端彎曲10°時產生的最大等效應力為0.42Mpa。

圖1 矩形齒排水管

圖2 半圓形筋條排水管

圖3 螺旋形排水管

圖4 徑向剛度分析

圖5 彎曲強度分析

圖7 彎曲強度分析

圖6 徑向剛度分析

圖8 徑向剛度分析

表1 排水管結構區分表

表2 ANSYS靜力分析結果

4.3 加高螺旋形排水管3結構ANSYS靜力分析結果

加高螺旋形排水管3結構的徑向剛度分析結果如圖8所示，排水管3在徑向發生0.5mm位移量的情況下所需的力F1大小為18.9N。彎曲強度分析結果如圖9所示，排水管3在一端固定，另外一端彎曲10°時產生的最大等效應力為0.3Mpa。

4.4 不同排水管結構ANSYS靜力分析結論

不同結構的排水管ANSYS靜力分析對比結果如表2所示，加高螺旋形排水管3結構的徑向剛度和彎曲強度都是最優的，因此在設計空調器排水管結構時應優先選取加高螺旋形排水管3的結構。

5 排水管Fluent分析

Fluent分析則主要指流體分析，流體力學是力學的一個分支，只要研究流體本身的靜止狀態、運動狀態以及流體和固體界壁間相對運動時的相互作用和流動的規律。計算流體力學（CFD）是一種由計算機模擬流體流動、傳熱及相關傳遞現象的系統分析方法和工具。

本文中的Fluent分析主要指對表1中的排水管結構進行流體仿真分析，此次分析選擇的湍流模型為標準k-w模型，單位全部設置為國標，介質為水。在Fluent正式仿真之前借助其他仿真工具對模型進行網格劃分，待網格質量可以接受時（網格質量可以直接用相應的軟件檢查，一般數值需在0.8以上）再把劃分網格之后的模型導入到Fluent中進行相關設置，開啟Fluent仿真計算。

在劃分網格的模型導入Fluent之前，還需設置流體入口、流體出口、流體入口檢測面以及流體出口檢測面，此后再在Fluent中進行相關選擇設置，待所有設置完成后正式開啟分析計算。

本文中所有的Fluent分析均是按照上述方法進行，以加高螺旋形排水管3為例進行仿真分析說明，最初給定的流速v為2.5m/s。

圖9 彎曲強度分析

圖11 壓強云圖C=P+1/2pv?v+G

圖10 流速云圖

圖12 兩檢測面壓強差圖

管3流速云圖以及壓強云圖如圖10、圖11所示。圖10中中心區域的流速最大，往外依次遞減，圖11中，中心區域的壓強最小，往外依次遞增，此規律的變化可以通過伯努利方程C=P+1/2pv?v+G[1]來解釋說明，其中，P代表某一點的壓力勢能，G代表此點的位置勢能，中間項代表動能。在理想情況下，此三者之和等于一常量，也即總機械能為一常數。

圖12為排水管兩個檢測面的壓強差示意圖，由上述伯努利方程[1]可知，兩個檢測面的壓強差越大，流速降低的越快，即排水管內的阻力越大。根據以上分析方法同樣可以計算排水管1、排水管2的流速變化狀況，此處簡略。

6 結論

空調器室內機排水管是空調器的重要組成部分，其結構設計也至關重要，稍有疏忽，就可能會出現漏水的情況，甚至引起售后投訴，因此，在設計環節需要加強排水管各方面的分析，爭取將空調器排水管的結構設計到最優。