某貫流風機空調器氣流組織的全尺度數值模擬

張旭 康釗 胡松濤 朱輝 陳紀敏 張鳳嬌

1.海信空調有限公司 山東青島 266100；2.青島理工大學環境與市政工程學院 山東青島 266520

0 引言

全球性溫室效應的發展帶來了一系列氣候問題，尤其是近年來愈演愈烈的熱浪事件（heat waves），給人們的健康和生命安全帶來了嚴重威脅[1]。在全球變暖和極端氣候事件頻發的背景下，空調對于人們的日常生活和生產尤為重要，尤其是環境脆弱性人群，如老人、兒童、病人等。因此，空調系統的研究和優化依然是領域內研究的重點。

壁掛式空調作為常見的家用空調，被很多普通家庭所使用。在夏季和冬季空調的使用率一般會急劇上升，所以空調房間的氣流組織問題越來越引起人們的關注。壁掛式空調的氣流組織效果對空調性能（如熱舒適、節能性）起著決定性的作用，因此通過優化空調氣流組織的仿真來提高空調性能具有重要意義。

空調器氣流組織模擬仿真是預測和優化空調器熱舒適性和節能性的重要手段，在早期設計階段可以進行仿真預測并優化設計方案，提高研發效率，節省試驗成本。如早在1998年Murakami[2]等學者便開始采用計算流體動力學（CFD）技術進行了空調熱負荷的計算，并在后續研究中對動態熱負荷進行了數值模擬，為后續CFD技術在空調行業的發展應用提供了基礎。近年來，有學者對我國東部地區日益增多的盒式空調通風方式進行了調查，并通過CFD技術分析了其氣流組織形式同時簡化了模型[3-4]。在空調的熱舒適性方面，有學者研究了壁掛式空調制熱的舒適問題，通過改變空調的送風溫度來改變熱舒適，并提出雖然較高的送風溫度可以提高系統的制熱能力，但是由于高風量引起的氣流組織失穩，室內熱舒適的改善效果有限[5-8]。

在送風角度方面國內外學者也開展了一系列研究工作，發現壁掛式空調器的送風導流板的設計較大地影響著空調的熱舒適性，尤其是在制冷工況下。劉丙磊等對單層和雙層導流板進行了對比，發現雙層導流板可以有效地降低送風噪聲[9]。此外對于導流片結構和葉輪轉速的數值模擬發現，導流板一方面可以改變主流方向和分散射流速度軸心區，使室內流場和溫度場更加均勻；另一方面當導流板角度不合適時可能阻礙送風[10-11]。

通過總結現有文獻資料發現，針對貫流風扇室內掛機目前行業內的熱舒適性仿真方法主要有三維整機仿真、二維風道仿真、等效出風仿真三種，但均存在室內流場分布誤差較大的問題（統一采用垂直風向，室內風速，溫度失真），使仿真數據缺乏參考性。目前在空調器熱舒適性仿真領域，如何在保留貫流風機、完整風道、實驗室尺寸等比例建模的前提下高精度預測空調器的熱舒適性能參數（包括風速、溫度、濕度）是行業難題。

綜上所述，目前針對貫流風機空調器室內氣流組織缺乏一套成熟的仿真方法。上述三種相關的仿真方法均未能計算出高精度的室內熱舒適性流場分布情況，其主要原因在于計算域的邊界條件理論研究欠缺；網格劃分問題需系統優化；算法適配問題亟待解決，例如：換熱器邊界溫度、風速不均分布的附加，濕度的附加、耗散的影響等。因此，本研究從以上問題出發，采用計算流體力學技術對某型號壁掛式貫流風機空調器的室內氣流組織進行全尺度的數值模擬，旨在解決傳統模擬方法的一系列局限和問題，為新產品的開發和優化提供參考。

1 研究方法

模擬對象為某標準熱舒適性實驗室，該實驗室的結構如圖1所示，其中門為木制門，窗為雙層玻璃窗，墻體為標準的混凝土磚墻。其中輻射板僅在該實驗室進行輻射供冷/供熱試驗時使用。本研究對空調掛機與房間進行全尺度等比例建模，并導入CFD軟件進行仿真計算。

圖1 模擬對象

1.1 網格劃分方案

在網格劃分過程中，對于房間內的流體域采用六面體網格進行劃分，但是由于房間空調器遠端不需要重點觀察，因此房間流體域的網格間距按照1.05倍的比例逐漸變大（如圖2所示）。考慮到貫流風機為整個數值模擬的動力源，該部分的流場涉及到整個仿真的準確性，需要重點關注。因此在網格劃分過程中，對于貫流風機和換熱翅片進行網格加密處理。由于貫流風機的邊界極其復雜，因此采用四面體網格以減少網格劃分工作量，而換熱器部分采用六面體網格（如圖3所示）。對于空調器內除了貫流風機外的其他流體域，采用六面體網格進行劃分。最后生成網格數量為690萬，網格質量滿足CFD軟件的計算要求。

圖2 房間內流體域的網格劃分方案

圖3 換熱器和貫流風機的網格劃分方案

1.2 湍流模型與離散方法

本數值模擬主要針對受限空間內部三維穩態流動問題。考慮到計算效率問題排除RSM、LES模型，最終選擇SST k-Ω湍流模型。SST k-Ω模型同時適用于轉捩流和低雷諾數流動，可以針對性地求解本問題中的貫流風機旋流、室內空間的渦旋以及室內空間的部分區域（如空調遠端、角落等）的低速流體運動，適用于本數值模擬的對象特征[12]。其次，對于本數值模擬針對的穩態問題，模擬過程中選擇壓力速度半隱式耦合算法SIMPLEC來進行求解[13]。SIMPLEC算法與經典的SIMPLE算法的基本思路一致，僅在通量修正方法上有所改進，因而加快了計算的收斂速度。

1.3 邊界條件

本模擬主要針對制冷工況，邊界條件設置如下：對于貫流風機采用旋轉邊界，分別設置三個模擬工況下的轉速為600 r/min、1200 r/min和1500 r/min。

為了簡化網格劃分和計算，換熱器處采用多孔介質模型來代替翅片管。多孔介質設置模塊中采用慣性阻力系數和粘性阻力系數法，其中Y、Z方向慣性阻力系數和粘性系數為同一數量級。X方向上的慣性阻力系數和粘性阻力系數假設為無窮大，因為換熱器翅片流道極大地限制了氣流在X方向上的擴散。

將換熱器滲透率設置為1（全部通過），通過測試該制冷系統下的出風口溫度指定通過換熱器的流體（空氣）溫度為17.3℃。設置壁面為常熱流密度（第二類熱邊界條件），熱流密度值源自于試驗過程中的測量值：四周圍護壁面的熱流密度折算為30 W/m2，地面設置為絕熱壁面。此外，在參考條件中，對空氣密度、重力加速度進行了相應設置，并采用Boussinesq假設來精確模擬溫度驅動的浮升力對流場和溫度場的作用[14]。

2 模擬結果

2.1 貫流風機流場

圖4為不同導流葉片（送風角度）情況下，空調器內部的二維流場分布情況。由圖可知，在無導流片、3導流片和4導流片的情況下，空調器內部流場分布相似，并且在貫流風機的蝸舌處均出現了偏心渦。偏心渦是貫流風機原理的重要特征，這說明空調內部流場的數值模擬結果具有較好的精確度，可以保證動力源處流場的精度，從而保證整個房間內部氣流組織的準確度。

圖4 貫流風機流場

其次，從圖4可以看出，空調器出口處（送風口）的流場因導流片而出現一定的差異。對于無導流片的情況，空調器出口流體出現上揚現象，易引起回風短路，而對于3導流片和4導流片的情況，上揚現象受到明顯抑制，并且導流片越多，抑制效果越顯著。這印證了空調器送風口處設置導流片的必要性和重要性：出口導流葉片可以在一定程度上抑制短路的產生，可有效地將渦旋對稱線“下壓”，從而使得空調機正下方的渦旋負壓區較大，通過“拖曳”作用抑制回風短路現象產生。

2.2 600 r/min的流場和溫度場

圖5為貫流風機600 r/min時的三維數值模擬結果。由圖5 a) 可知，出風口流體的水平射流距離達到了房間的50%左右的距離，可以保證處于房間中間位置的人員有一定的吹風感以滿足熱舒適需求。但是流場的分層現象并不顯著，這可能導致整個室內溫度場的集中程度較高，如圖5 b) 所示。室內溫度出現了一定的分層現象，但是靠近壁面處具有較厚的熱邊界層。尤其在空調器遠端的壁面處溫度分層不明顯，可能出現局部溫度偏高，影響熱舒適度。因此低風量情況雖然可以抑制回風短路，但是室內溫度場的分布并不理想，適用于冷負荷較小的情況。最后從圖5 c) 可以直觀地發現，整個空調房間以出風射流線為中心，形成了上下兩個接近堆疊的大渦旋，有效抑制了出風口回風短路的現象，但帶來的后果是溫度分層現象不理想，可能影響房間壁面附近的熱舒適性。

圖5 600 r/min時的模擬結果

2.3 1200 r/min的流場和溫度場

圖6 為貫流風機轉速為1200 r/min時的氣流組織和溫度分布情況。由圖6 a) 可知，隨著貫流風機轉速的增大，送風的水平射流距離增大到房間遠端處，并且出現了較明顯的速度分層現象。這說明隨著送風速度的增加，室內氣流的擾動，即湍流度進一步增大，利于更均勻的溫度場的發展。圖6 b) 印證了這一現象，由圖6 b) 可知，送風量的增大可提高整體房間內的溫度均勻度，同時也使得溫度分層現象更加明顯。即使在空調器的遠端也有著較舒適的空氣溫度和送風速度，有利于保證空調房間的整體熱舒適性。圖6 c) 為1200 r/min的轉速下的流線分布情況。可以發現送風速度的增加在一定程度上破壞了低送風速度下渦旋的對稱性，但是由于射流距離的增加，渦旋的尺度變得更大。

圖6 1200 r/min時的模擬結果

2.4 1500 r/min的流場和溫度場

圖7為貫流風機轉速1500 r/min時的氣流組織和溫度分布情況。由圖7 a) 可知，送風速度的增大進一步引起了射流距離的增加，并且速度分層現象更加顯著。這表明送風速度的增加引起了更大的湍動能和耗散現象，有利于房間內出現更加均勻的溫度。圖7 b) 為轉速1500 r/min送風下的溫度分布情況，可以發現空調器遠端壁面處出現了明顯的溫度分層現象，整個空調房間內人員活動區域的溫度場更加理想。因此，大送風量更加適用于房間冷負荷較大的工況，如空調房間的壁面為外墻，具有較高的太陽輻射得熱等工況。圖7 c) 為轉速1500 r/min的送風下室內流體的流線圖。可以發現送風速度的增加破壞了渦旋的對稱性，左下側大渦旋底部向房間遠端擴散，而右上側大渦的空間被壓縮。

圖7 1500 r/min時的模擬結果

3 模擬結果準確度驗證

為了驗證模擬結果的準確度，進行了相同邊界條件下中風速工況（轉速1200 r/min）下的對標試驗，并將該工況下的出口質量流量、溫度場的試驗數據和模擬數據進行了對比。

3.1 質量流量

本次仿真監測了空調出風口的流量，用以檢驗仿真結果與實際情況的一致性。通過CFD軟件提取空調器出風口的面積加權平均質量流量為0.2057 kg/s。根據該模擬值計算得到穩態工況下空調器的出口體積流量為V=604 m3/h，與風量臺實測風量578 m3/h的相對誤差約為4.5%。

3.2 溫度場

對標試驗過程中，在實驗室長、寬、高三個方向上分別布置了7×6×5只熱電偶，共210只，實時連續獲取穩態制冷工況下室內的溫度分布（如圖8所示）。模擬過程中，在CFD軟件中同樣設置了對應的210個點，用于獲取穩態制冷時室內各個位置的溫度分布情況，如圖9所示。

圖8 實驗室測點分布圖

圖9 模擬過程中設置的溫度點

本研究中分別獲得210個溫度實測值與模擬值。兩者的誤差計算方法為：（模擬值－實測值）/實測值。210個測點的總體誤差分布如圖10所示。由圖10可知，模擬結果和試驗實測結果偏差度基本分布在5%左右，但是也存在局部數據異常點，數量為4個，約占210個溫度點數量的2%，幾乎可以忽略不計，具體的結果對比如表1所示。

表1 1200 r/min工況下的熱電偶溫度測點與對應位置模擬溫度點的相對誤差值（單位：%）

圖10 模擬值與實測值誤差分布

表1給出了所有210個溫度點的實測值與模擬值的誤差情況，由表可知，制冷工況、1200 r/min工況條件下，數值模擬和試驗測試所獲得的210個溫度點中僅有4個溫度異常點（誤差超過10%的溫度點）出現。通過核查試驗結果，其中3處異常點可能是熱電偶發生故障欠校準導致的，具體表現為該處熱電偶實測值異常高。此外，46個溫度點的誤差處于5%～10%之間，其余160個測點的誤差均處于5%以內。

4 結論

本研究在三種不同的送風速度下（轉速），采用CFD方法研究了帶有貫流風機空調器房間內部的氣流組織和溫度分布情況。研究表明，采用CFD二維仿真技術計算空調內部及空調房間內全尺度流場時，觀察到了貫流風機靠近蝸舌的葉片處出現明顯的偏心渦，并且經后續三維仿真驗證，風量誤差控制在5%以內，說明使用本數值模擬方法具有較好的仿真精度。

其次發現，無導流葉片的二維全尺度風機自循環流場仿真極易發生回風短路現象，而適當增加導流葉片數量可有效地將渦旋對稱線“下壓”，從而使得空調機正下方的渦旋負壓區較大，通過“拖曳”作用抑制回風短路現象產生，但最終不能避免此現象產生。這可能與二維風機自循環仿真模式下氣流分布缺少一個維度的流動補償、容易上下波動、回吸現象被明顯放大有關。

此外，在三維仿真時，室內流場出現兩個對稱的大型渦旋，且渦旋的對稱性受到送風速度的直接影響，送風速度的大小也影響到了室內的溫度均勻性，在高冷負荷時需要大送風速度來改變渦旋對稱性，使得人員活動區域具有較均勻的溫度，從而保證熱舒適性。

最后，通過對比1200 r/min工況下試驗測試數據和模擬結果，發現210個溫度點中有160個的誤差低于5%，誤差異常點的數量僅有4個，約占總數的2%，因此本文的模擬方法具有較高的精度，其結果可為空調產品的開發和優化提供參考，具有一定的應用意義，并且高精度的氣流組織模擬方法有利于空調熱舒適性機理研究工作的深入開展。