空調(diào)室內(nèi)機風(fēng)道結(jié)構(gòu)影響風(fēng)量噪聲仿真及實驗研究

馬世超 樊明敬 郝本華 陳新航

1.武漢海爾電器股份有限公司 湖北武漢 430000；2.青島海爾空調(diào)器有限總公司 山東青島 266103；3.合肥海爾空調(diào)器有限公司 安徽合肥 230601

0 引言

分體式空調(diào)是日常生活中常見的一種電器，由室外機與室內(nèi)機兩部分組成，風(fēng)量是影響分體式空調(diào)噪聲的重要參數(shù)。室外機降噪技術(shù)已被廣泛研究，J. Hu和G. Ding[1]研究了出風(fēng)口格柵形狀對分體式室外機機組噪聲的影響，指出圓形出風(fēng)口格柵具有良好的降噪效果，不同直徑的格柵對改善空氣動力學(xué)性能有重要影響。龍斌華[2]研究了新型室外風(fēng)道系統(tǒng)對風(fēng)量與換熱影響，指出離心風(fēng)道系統(tǒng)優(yōu)于軸流風(fēng)道系統(tǒng)。但是對于室內(nèi)機噪聲與風(fēng)量的研究卻很少，事實上研究室內(nèi)機的噪聲與風(fēng)量的關(guān)系十分必要，噪聲與風(fēng)量的大小可以直接影響用戶的舒適性體驗?？照{(diào)室內(nèi)機的噪聲主要由三部分組成：（1）結(jié)構(gòu)件熱脹冷縮音；（2）貫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)動引起的噪聲；（3）制冷劑流動引起的噪聲。研究表明，噪聲與風(fēng)量成正比，貫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)動在風(fēng)道中引起的噪聲是室內(nèi)機的主要噪聲源。

為了降低貫流風(fēng)扇在風(fēng)道中產(chǎn)生的噪聲，國內(nèi)外的學(xué)者對其做了諸多研究。H.M.Koo[3]研究了分體式空調(diào)貫流風(fēng)扇產(chǎn)生的噪聲并改進其結(jié)構(gòu)，以降低空調(diào)器的噪聲。葉劍[4]等研究了渦舌間隙與后渦舌間隙對整機風(fēng)量的影響，優(yōu)化了風(fēng)道的結(jié)構(gòu)并降低整機噪聲?，F(xiàn)有研究主要是關(guān)于控制貫流風(fēng)扇與渦舌距離對室內(nèi)機噪聲與風(fēng)量的影響。

上述研究多數(shù)是針對相對獨立的貫流風(fēng)扇進行的，然而空調(diào)室內(nèi)機的結(jié)構(gòu)比貫流風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。因為除了貫流風(fēng)扇之外，空調(diào)室內(nèi)機還有蒸發(fā)器、進風(fēng)柵、電加熱、風(fēng)道等附屬結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)會影響室內(nèi)機的內(nèi)部與外部流場，從而影響室內(nèi)機的噪聲與風(fēng)量。

本文為了研究蒸發(fā)器尺寸、電加熱位置與前渦舌寬度對風(fēng)量與噪聲的影響，首先使用數(shù)值模擬的方法分析附屬結(jié)構(gòu)對室內(nèi)機內(nèi)流場產(chǎn)生的影響，從中找出影響室內(nèi)機噪聲與風(fēng)量的機理；然后對室內(nèi)機進行風(fēng)量與噪聲測試，對數(shù)值分析結(jié)果進行驗證；最終，為后期室內(nèi)機風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開發(fā)與設(shè)計提供依據(jù)。

1 空調(diào)室內(nèi)機結(jié)構(gòu)特點

空調(diào)室內(nèi)機風(fēng)道系統(tǒng)主要由貫流風(fēng)扇、前渦舌、后渦舌、電加熱、蒸發(fā)器等結(jié)構(gòu)組成。本文模擬的室內(nèi)機為分體式落地空調(diào)器室內(nèi)機，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值研究

空調(diào)器室內(nèi)機風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致風(fēng)道內(nèi)流場相對復(fù)雜，因此使用實驗的方法測試室內(nèi)機風(fēng)道系統(tǒng)的流場比較困難。為了能詳細地捕捉室內(nèi)機風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的流動狀態(tài)，使用數(shù)值模擬軟件star-ccm+是一種很好的分析計算方法[5]。star-ccm+是CDadapco集團研發(fā)推廣的新一代CFD軟件，采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值技術(shù)（computational continuum mechanics algorithms），結(jié)合了現(xiàn)代軟件工程，擁有極高的性能和高可靠性，被當(dāng)作流體分析工程師有效分析的工具。

2.1 網(wǎng)格劃分和邊界界定

使用star-ccm+對某款空調(diào)器室內(nèi)機風(fēng)道系統(tǒng)進行仿真模擬，建立了風(fēng)道系統(tǒng)的模型。其幾何模型的建立與網(wǎng)格的劃分使用Hypermesh進行，由于其幾何形狀比較復(fù)雜，因此在保證準確性的基礎(chǔ)上和提升計算速度的考慮下，采用非結(jié)構(gòu)化三角形和四邊形網(wǎng)格相結(jié)合的方式完成網(wǎng)格的劃分。建立仿真模型時，網(wǎng)格尺寸越小，仿真結(jié)果則越精確，但是由于實際計算能力的限制，需要將其控制在一個合理的范圍，因此采用逐步加密的方法進行確定。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于21萬時，流場狀態(tài)基本不隨網(wǎng)格數(shù)量增加而變化，于是將風(fēng)道系統(tǒng)網(wǎng)格數(shù)量確定為255954個，如圖2所示。

圖2 風(fēng)道系統(tǒng)網(wǎng)格圖

由于貫流風(fēng)機的轉(zhuǎn)速較低且葉輪直徑比較小，因此將空氣設(shè)為不可壓縮的流體，即在仿真中設(shè)置密度為固定值。因為蒸發(fā)器與電加熱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特征尺寸小，不能按照實際實體來建模計算，所以使用多孔介質(zhì)的模型。將進出口設(shè)置為壓力進出口邊界條件，邊界為壁面邊界，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1000 r/min和560 r/min兩種條件，仿真計算采用K-Epsilon湍流模型進行。

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 蒸發(fā)器尺寸對風(fēng)量的影響

空調(diào)室內(nèi)機蒸發(fā)器采用的是管翅式，翅片材料為經(jīng)過特殊處理的鋁片，且翅片上有增加換熱的結(jié)構(gòu)。蒸發(fā)器的尺寸與結(jié)構(gòu)能夠改變進氣口的氣流狀態(tài)，同時也會影響室內(nèi)機的性能。依據(jù)貫流風(fēng)扇流場的特性，本室內(nèi)機風(fēng)道系統(tǒng)的高風(fēng)區(qū)域在最左側(cè)，低風(fēng)區(qū)域在最右側(cè)。在盡可能不降低空調(diào)器性能的前提下，通過改變單排蒸發(fā)器的尺寸，分析蒸發(fā)器的尺寸對空調(diào)器的風(fēng)量產(chǎn)生的影響。本文所模擬的尺寸為蒸發(fā)器單排減短0 mm、30 mm、40 mm、50 mm和60 mm，仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以得知，隨著減短尺寸的增大，風(fēng)量為先增大后減小的趨勢。在40 mm處時，風(fēng)量處于最大值，在50 mm與60 mm處時，蒸發(fā)器在其折角處出現(xiàn)局部低速區(qū)，使其風(fēng)量相較40 mm時低。

圖3 蒸發(fā)器尺寸對風(fēng)量的影響

2.2.2 電加熱位置對風(fēng)量的影響

電加熱位于貫流風(fēng)扇與蒸發(fā)器中間區(qū)域內(nèi)，有輔助空調(diào)進行制熱的作用。本文改變電加熱與貫流風(fēng)扇的距離，通過移動0 mm、10 mm和20 mm改變兩者的距離來分析電加熱位置對風(fēng)量的影響，仿真結(jié)果如圖4與表1所示。從圖4中可以得出，隨著電加熱靠近貫流風(fēng)扇，空調(diào)器風(fēng)量損耗增大但電加熱通風(fēng)量基本不變。

圖4 電加熱位置對風(fēng)量的影響

表1 電加熱位置影響風(fēng)量模擬結(jié)果對比

2.2.3 前渦舌寬度對風(fēng)量的影響

對于空調(diào)器室內(nèi)機中各結(jié)構(gòu)對其性能的影響程度而言，渦舌是對風(fēng)道性能影響最大的結(jié)構(gòu)件。有學(xué)者研究表明，室內(nèi)機風(fēng)量隨渦舌間隙的減小而增大，噪聲則隨著間隙減小而增強。本文將渦舌的另一個尺寸作為研究對象，改變前渦舌的寬度分析其對風(fēng)道系統(tǒng)風(fēng)量的影響，將渦舌寬度改變0 mm、10 mm、15 mm和20 mm進行仿真分析，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，在高風(fēng)速（1000 r/min）時，隨著渦舌寬度的不斷減小，其風(fēng)量不斷增大，但風(fēng)量變化較小；在低風(fēng)速（560 r/min）時，隨著渦舌寬度的不斷減小，其風(fēng)量先增大后減小，減小量15 mm為其轉(zhuǎn)折點。

圖5 風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 實驗分析

3.1 實驗裝置

噪聲實驗室為精密級半消音室采用AC聲學(xué)聯(lián)合分析，其能夠?qū)照{(diào)產(chǎn)品進行聲壓級、聲功率、異音的評價和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析以及對振動源進行探查。噪聲測試精度可達CLASS1（精密級），實驗室本底噪聲為13 dB(A)，測試裝置可滿足ISO 3745、BSEN 12102:2008、GB/T 7725-2004、GB/T 4214.1-2000等10余項標準要求，實驗室結(jié)構(gòu)布局如圖6所示。

圖6 實驗布局示意圖

風(fēng)量測試使用空氣焓差實驗室，其原理是使用空氣焓差法進行測量房間空調(diào)的循環(huán)風(fēng)量。該系統(tǒng)及實驗方法依據(jù)GB/T 7725-96《房間空氣調(diào)節(jié)器》進行。

測試方法為，通過改變蒸發(fā)器尺寸、電加熱位置和前渦舌寬度為單一因素的變化，改變室內(nèi)機貫流風(fēng)機轉(zhuǎn)速，測試空調(diào)室內(nèi)機風(fēng)道系統(tǒng)風(fēng)量與噪聲的變化。

3.2 實驗結(jié)果分析

圖7與圖8為蒸發(fā)器尺寸變化對風(fēng)量與噪聲的影響，如圖所示的曲線變化與仿真結(jié)果的變化趨勢是一致的，隨蒸發(fā)器尺寸變化，風(fēng)量與噪聲均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在蒸發(fā)器尺寸減40 mm處為最大值。蒸發(fā)器尺寸的減短相當(dāng)于氣流穿過蒸發(fā)器的阻力變小，減短區(qū)域又在高風(fēng)區(qū)域，從而使風(fēng)量與噪聲增加。但是，蒸發(fā)器減短尺寸過大時，斜向進入的氣流會在減短處轉(zhuǎn)換方向并重新進入風(fēng)道內(nèi)部，此現(xiàn)象會使其出現(xiàn)局部低速區(qū)從而導(dǎo)致風(fēng)量與噪聲的衰減。

圖7 蒸發(fā)器尺寸對風(fēng)量的影響

圖8 蒸發(fā)器尺寸對噪聲的影響

圖9和圖10為電加熱位置的變化對風(fēng)量與噪聲的影響，如圖所示的曲線變化與仿真趨勢是一致的，其風(fēng)量隨著移動距離的增大而減小，在移動20 mm時風(fēng)量最小，其噪聲隨著移動距離的增大而增大。電加熱位置不斷靠近貫流風(fēng)扇，雖然電加熱的通風(fēng)量未受到影響，但是縮減了貫流風(fēng)扇從中低部風(fēng)區(qū)進入的氣流，從而使風(fēng)量不斷下降。電加熱尾部的脫落渦由于來不及得到充分的發(fā)展便被貫流風(fēng)扇直接吸入了內(nèi)部，導(dǎo)致噪聲增強。

圖9 電加熱位置對風(fēng)量的影響

圖10 電加熱位置對噪聲的影響

圖11和圖12為前渦舌寬度的改變對風(fēng)量與噪聲的影響，如圖所示的曲線變化與仿真的變化趨勢一致，在寬度減15 mm時為轉(zhuǎn)折點。隨著前渦舌寬度的減小，氣流自換熱器進入葉輪的通道寬度增加，高速進入的氣流增加，因此風(fēng)量增加。但當(dāng)寬度減小到一定值時，由于高速氣流的沖擊，增加的流量使偏心渦的位置與大小都發(fā)生了改變，從而使風(fēng)量衰減。

圖11 前渦舌寬度對風(fēng)量的影響

圖12 前渦舌寬度對噪聲的影響

4 結(jié)論

本文使用仿真模擬與實驗分析相結(jié)合的方法，分析蒸發(fā)器尺寸、電加熱位置和前渦舌寬度對現(xiàn)有空調(diào)室內(nèi)機風(fēng)道系統(tǒng)風(fēng)量與噪聲的影響，得到以下結(jié)論：

（1）前渦舌寬度對空調(diào)風(fēng)量與噪聲的作用，大于蒸發(fā)器尺寸和電加熱位置的影響。

（2）轉(zhuǎn)速與噪聲是正比例關(guān)系，但是風(fēng)量與噪聲的關(guān)系不是絕對的正比例，需結(jié)合實際情況測試分析。

（3）蒸發(fā)器尺寸、電加熱位置和前渦舌寬度能夠影響空調(diào)風(fēng)量和噪聲，且存在一個值使其綜合最優(yōu)。

（4）本文對空調(diào)室內(nèi)機風(fēng)道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案進行了研究初探，對今后的研究有很好的參考意義。