基于CFD技術(shù)的電飯煲噪聲及散熱優(yōu)化應(yīng)用研究

吳波

廣東美的制冷有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

隨著改革開放的不斷深入和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國已經(jīng)成為全球最大的小家電生產(chǎn)國，全球超過一半的小家電都來自中國[1]，其中IH電磁加熱電飯煲作為廚房小家電中最為重要的產(chǎn)品之一，其能夠?qū)崿F(xiàn)大火力加熱，大幅減少煮飯時間等優(yōu)點深受普通消費者的青睞。但是IH電飯煲大功率加熱使其電子元器件發(fā)熱量上升，對電飯煲的冷卻散熱要求也越來越高。現(xiàn)有市面上IH電磁加熱電飯煲的冷卻散熱模塊主要是由小型軸流風扇及鋁擠散熱片組成，大功率加熱會使電子元器件IGBT和橋堆溫升惡化，所需要的冷卻風量逐步提升，隨之風扇的轉(zhuǎn)速及噪聲也越來越高，因此關(guān)注IH電飯煲噪聲產(chǎn)生的機理，降低和控制氣動噪聲對提升電飯煲產(chǎn)品競爭力及降低產(chǎn)品噪聲投訴率有重要意義。

IH電飯煲的噪聲主要有三大來源：（1）氣動噪聲（包括旋轉(zhuǎn)噪聲、湍流噪聲）；（2）電磁噪聲（電磁加熱噪聲）；（3）米水氣泡沸騰噪聲（氣泡破裂聲）。其中在電飯煲內(nèi)的水未沸騰前，其主要的噪聲為氣動噪聲和電磁噪聲，其中氣動噪聲為總噪聲的主要貢獻源。IH電飯煲的氣動噪聲主要是由旋轉(zhuǎn)噪聲及湍流噪聲組成，旋轉(zhuǎn)噪聲主要是由風扇周期性拍打周圍空氣所產(chǎn)生的，湍流噪聲主要是風葉旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的寬頻噪聲。

很多學者采用數(shù)值模擬和實驗研究結(jié)合的方法來分析家電產(chǎn)品的噪聲問題。游斌等通過對軸流風輪葉片尾緣進行凹陷設(shè)計，降低葉片旋轉(zhuǎn)頻率峰值噪聲[2]；尹曉英等利用數(shù)值模擬獲得原模型風機的流場特性和氣動噪聲特性，對原風機進行優(yōu)化設(shè)計，提升風機的氣動性能，降低其氣動噪聲[3]；錢紅玉等研究了不同葉片形狀和葉頂間隙對小型軸流風扇氣動性能和內(nèi)部流程的影響情況[4]。上述學者通過數(shù)值模擬結(jié)合實驗驗證對風葉降噪設(shè)計、風機優(yōu)化設(shè)計及不同葉型等手段來改善產(chǎn)品的氣動噪聲，本文從IH電飯煲的冷卻散熱模塊著手分析，以降噪為首要研究目標，對電飯煲進氣格柵、軸流風機結(jié)構(gòu)、進氣面與風扇的距離等影響因素進行分析，在保證電飯煲關(guān)鍵電子元器件的散熱性能不惡化的前提下，利用CFD流場及聲場耦合仿真模擬并結(jié)合實驗驗證，來探索一套軸流風扇降噪設(shè)計的研究方法。

1 仿真模型及設(shè)置介紹

1.1 仿真模型介紹

本文所涉及的電飯煲冷卻系統(tǒng)如圖1所示，由于電飯煲工作過程中的主要噪聲來源于冷卻系統(tǒng)中軸流風機高速轉(zhuǎn)動所帶來的噪聲，因此研究的主要對象為電飯煲的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件，其主要包括軸流風機、電飯煲底座及風扇支架，其中冷卻系統(tǒng)主要為電飯煲電路板上發(fā)熱元器件進行散熱。

圖1 電飯煲冷卻系統(tǒng)部件示意圖

1.2 數(shù)學模型及算法

電飯煲內(nèi)部流體流動受物理守恒定律支配，基礎(chǔ)的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律[5]。通過求解電飯煲內(nèi)部流體流動控制方程，可以獲得電飯煲內(nèi)部流場分布，對流道不合理設(shè)計處進行優(yōu)化改進。

流體的質(zhì)量控制方程：

流體的動量守恒方程：

流體的能量守恒方程：

Fluent軟件是當今世界CFD仿真領(lǐng)域最為全面的軟件包之一，具有廣泛的物理模型，以及能夠快速準確地得到CFD分析結(jié)果。采用Fluent對所研究的問題進行仿真計算，采用的是雷諾時均湍流數(shù)值模擬方法（Reynolds averaged navier-stokes, RANS），該方法對非穩(wěn)態(tài)的質(zhì)量、動量和能量輸運方程進行時間平均，得到一組關(guān)于時均物理量的控制方程，對不可壓縮流體的控制方程進行雷諾時均運算，可得：

Fluent計算軟件是基于有限體積法進行數(shù)值離散求解，其中湍流模型采用的是RNG k-ε湍流模型，求解方法采用的是SIMPLEC算法，相比于SIMPLE算法加快了收斂速度，針對旋轉(zhuǎn)機械流動問題，本文采用的是Fluent中提供的多重參考系（MRF）模型[6]，氣動噪聲計算采用的是寬頻噪聲模型（Broadband）[7]。

1.3 有限元模型建立

針對電飯煲冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的幾何處理及網(wǎng)格生產(chǎn)過程中進氣格柵和軸流風扇的結(jié)構(gòu)細節(jié)都保存完整，如圖2所示，其對應(yīng)的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 電飯煲原始進氣格柵結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電飯煲原始進氣格柵網(wǎng)格示意圖

1.4 數(shù)值計算模型驗證

搭建的風量風壓測試平臺如圖4所示，該平臺用于小型軸流及離心風機風量風壓測試，通過將實驗測試結(jié)果與最終仿真計算結(jié)果進行比較，確保數(shù)值仿真計算得出的仿真值能夠用于后期產(chǎn)品的開發(fā)及產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計。實驗測量與仿真計算結(jié)果對比如表1所示。

圖4 風機風量風壓測試平臺

表1 實驗測量與仿真計算結(jié)果對比分析

2 冷卻系統(tǒng)噪聲預(yù)測及優(yōu)化

2.1 流體仿真計算與噪聲預(yù)測分析

電飯煲噪聲改善的關(guān)鍵部件是軸流風扇和進氣格柵的匹配，對冷卻模塊的優(yōu)化設(shè)計可以改善電飯煲整機溫升，在保證整機溫升性能不惡化的情況下，適當?shù)慕档洼S流風扇的轉(zhuǎn)速，可以獲得較大的噪聲改善。目前行業(yè)內(nèi)冷卻模塊的設(shè)計主要是依靠結(jié)構(gòu)工程師的經(jīng)驗設(shè)計，該類經(jīng)驗設(shè)計并未考慮到流體在電飯煲內(nèi)部流動行為以及進氣格柵結(jié)構(gòu)進氣效率等問題，當遇到溫升超標問題只能通過提高風扇的轉(zhuǎn)速來進行整機溫升測試，而提高風扇轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致整機風噪大幅度提高，引起消費者投訴。通過CFD仿真技術(shù)對電飯煲冷卻模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，獲取電飯煲冷卻模塊的流體流場分布，了解冷卻模塊的流動狀況，并對現(xiàn)有流場下流動不合理的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高電飯煲冷卻模塊的空氣的進氣效率，在相同轉(zhuǎn)速下電飯煲整機溫升獲得較大的降低，從而實現(xiàn)在與原始產(chǎn)品相同的溫升條件下，通過降低風扇轉(zhuǎn)速來達到大幅度降噪的目的。

首先對電飯煲原始結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊進行流場分析，原始結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊在Z=0截面處的流場及速度矢量分布如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)軸流風扇進氣區(qū)域存在較大的渦流，大的漩渦直接影響冷卻模塊進氣效率及流動穩(wěn)定性，所帶來的影響是造成葉輪旋轉(zhuǎn)過程中風噪偏高，原始結(jié)構(gòu)下的Z=0和X=0截面處的噪聲分布如圖6所示，從圖中可以看出，冷卻模塊的噪聲源主要來自旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)噪聲以及進氣格柵處氣流周期性漲縮作用下產(chǎn)生的噪聲。

圖5 Z=0截面處冷卻模塊的速度及速度矢量分布圖（原始結(jié)構(gòu)）

圖6 Z=0和X=0截面處冷卻模塊的噪聲分布圖（原始結(jié)構(gòu)）

針對原始冷卻模塊結(jié)構(gòu)的有框風扇、方形進氣格柵進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提出了如圖7所示的無框軸流風扇裝配方式以及傾斜圓形進氣格柵結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊在Z=0截面處的流場及速度矢量分布如圖8所示，相比于原始結(jié)構(gòu)冷卻模塊，最大風速由原來的5.3 m/s提高至8.3 m/s，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的Z=0和X=0截面處的噪聲分布如圖9所示，冷卻模塊的噪聲源最大值由原始結(jié)構(gòu)下的50.7 dB(A)降低至優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的49 dB(A)，在傾斜圓形進氣格柵結(jié)構(gòu)下，進氣格柵處的冷卻空氣來流發(fā)展更為充分，冷卻模塊的進氣效率得到較大的提升。

圖7 電飯煲優(yōu)化進氣格柵及無框風扇冷卻模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 Z=0截面處冷卻模塊的速度及速度矢量分布圖（優(yōu)化結(jié)構(gòu)）

圖9 Z=0和X=0截面處冷卻模塊的噪聲分布圖（優(yōu)化結(jié)構(gòu)）

2.2 冷卻模塊噪聲驗證與分析

依據(jù)上述流體仿真計算的流場分布及噪聲分布云圖，冷卻模塊的優(yōu)化方案能夠在相同轉(zhuǎn)速下提高冷卻空氣的進氣效率并且噪聲能夠獲得一定的改善，通過在半消音噪聲實驗室中對原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊噪聲測試進行分析，研究優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊的軸流風扇高速旋轉(zhuǎn)下頻率分布情況。

圖10為原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的噪聲頻譜對比圖，從圖中可以看出：優(yōu)化結(jié)構(gòu)在葉頻450 Hz及葉頻的2倍頻處的能量稍高于原始結(jié)構(gòu)，在葉頻3倍頻處的能量遠小于原始結(jié)構(gòu)。圖11為優(yōu)化結(jié)構(gòu)和原始結(jié)構(gòu)冷卻模塊手板的噪聲測試結(jié)果對比圖，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的冷卻模塊噪聲相比于原始結(jié)構(gòu)下降1.35 dB(A)，其中出風量（由風機風量風壓測試平臺測試所得）由原始結(jié)構(gòu)13.18 m3/h增加至17.93 m3/h，使得電飯煲整機的溫升獲得較大的改善。在滿足溫升余量充足的情況下可以為進一步降低整機噪聲而降低風扇轉(zhuǎn)速，從而達到更為明顯的降噪效果。本文將軸流風扇的轉(zhuǎn)速由3000 r/min調(diào)整下降至2800 r/min，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的電飯煲關(guān)鍵元器件的溫升保持與原始結(jié)構(gòu)下溫升一致，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的整機噪聲下降2.62 dB(A)，說明本文所提出來的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)通過改善來流進氣效率，在保證溫升不惡化的情況下，降低軸流風扇轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)大幅度的降噪。

圖10 新方案對比基準頻譜

圖10 原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的噪聲頻譜對比圖

圖11 原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的噪聲測試對比分析

3 結(jié)論

本文以計算流體力學（CFD）作為流體與噪聲分析工具，對電飯煲的冷卻模塊的內(nèi)部流場進行了仿真計算，針對底座進氣格柵不合理的設(shè)計進行了優(yōu)化，將方形進氣格柵結(jié)構(gòu)改為傾斜圓形進氣格柵，有框風扇改為無框風扇，經(jīng)過手板打樣實驗驗證，可顯著提升冷卻模塊的進氣效率，提升進風量和出風速度。

本文所設(shè)計的冷卻散熱模塊在軸流風扇相同轉(zhuǎn)速下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的噪聲值改善1.35 dB(A)，此時的整機溫升有較大的改善；使優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的軸流風扇的轉(zhuǎn)速適當?shù)慕档停诒ＷC優(yōu)化結(jié)構(gòu)下整機溫升與原始結(jié)構(gòu)下的溫升保持一致時，風扇的氣動噪聲有明顯下降，通過保證整機溫升不變的情況下降低風扇的轉(zhuǎn)速達到降噪改善的目的，提升產(chǎn)品的競爭力。

本文通過對冷卻散熱模塊的裝配方式以及進氣格柵的結(jié)構(gòu)改進，證明了CFD流體仿真計算可以應(yīng)用在小家電產(chǎn)品上進行噪聲改善設(shè)計，值得在產(chǎn)品設(shè)計前端進行設(shè)計先行，后期作為設(shè)計指導(dǎo)，縮短小家電產(chǎn)品的性能改進周期，提升產(chǎn)品競爭力，加快產(chǎn)品上市時間。