空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)機(jī)性能預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)研究

劉中杰，劉利娜，陳煥新

（1-國(guó)家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，廣東珠海 519070；2-華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)機(jī)性能預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)研究

劉中杰*1，劉利娜1，陳煥新2

（1-國(guó)家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，廣東珠海 519070；2-華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

利用CFD對(duì)空調(diào)軸流風(fēng)機(jī)周?chē)諝饬鲃?dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真求解，獲得軸流風(fēng)機(jī)在空調(diào)室外機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)中的一些性能預(yù)測(cè)。以不同出口靜壓繪制出風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)，得到風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量和全壓。結(jié)合空調(diào)室外機(jī)負(fù)載和電機(jī)參數(shù)，最終得到風(fēng)機(jī)的效率。取風(fēng)葉不同半徑基元級(jí)位置得到其對(duì)空氣做功的大小以及流動(dòng)狀態(tài)。獲取風(fēng)葉在室外機(jī)中的效率，并考慮導(dǎo)流圈上壓力脈動(dòng)的大小，對(duì)風(fēng)葉表現(xiàn)出的性能和噪聲水平做出正確的預(yù)估。研究結(jié)果為風(fēng)葉的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型提供依據(jù)。

空調(diào)；軸流風(fēng)機(jī)；CFD；效率；壓力脈動(dòng)

0 引言

空調(diào)室外軸流風(fēng)機(jī)主要作用是提供冷凝器的散熱循環(huán)風(fēng)量，因此冷凝器是室外機(jī)的關(guān)鍵部件，而風(fēng)機(jī)是影響冷凝器換熱能力的重要部件。

CFD技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用于空調(diào)零部件設(shè)計(jì)中，華中科技大學(xué)王軍等[1-2]主要從CFD的結(jié)果對(duì)軸流風(fēng)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見(jiàn)；上海交通大學(xué)田杰等和姜彩鈴等[3-4]主要從CFD仿真和PIV試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行研究；西北工業(yè)大學(xué)王占學(xué)等[5]主要從試驗(yàn)的方法對(duì)比不同風(fēng)葉結(jié)構(gòu)引起的流場(chǎng)和噪聲差異；清華大學(xué)王洪磊等[6]通過(guò)對(duì)空調(diào)室外機(jī)的模擬仿真，認(rèn)為風(fēng)扇罩對(duì)降低渦流噪聲影響顯著，從而通過(guò)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)達(dá)到降噪的目的。日本空調(diào)企業(yè)在2000年左右已經(jīng)成功的將CFD技術(shù)應(yīng)用于室外機(jī)軸流風(fēng)扇的開(kāi)發(fā)，JANG C M等[7]對(duì)于室外機(jī)CFD流場(chǎng)仿真和噪聲預(yù)測(cè)已經(jīng)成功應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中。對(duì)于低速軸流風(fēng)扇的研究大多數(shù)著眼于對(duì)其噪聲的預(yù)估，其中PéROT F等[8]采用了先進(jìn)的LBM（Lattice Boltzmann Method）算法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行精密仿真，得到精確的壓力脈動(dòng)和渦量分布等噪聲分析的噪聲源數(shù)據(jù)，從而獲取較為準(zhǔn)確的噪聲預(yù)估結(jié)果。

對(duì)于空調(diào)室外機(jī)的CFD仿真，管翅式冷凝器無(wú)法真實(shí)建模，所以參考文獻(xiàn)[1,2]中直接忽略了冷凝器的影響，單從風(fēng)機(jī)方面分析；而參考文獻(xiàn)[6]采用了CFD軟件中多孔介質(zhì)模塊，將冷凝器對(duì)空氣的壓降考慮到流場(chǎng)計(jì)算中。本文通過(guò)結(jié)合理論和實(shí)際應(yīng)用，利用方法一通過(guò)仿真獲取風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)葉性能的影響；利用方法二主要從室外機(jī)整體的表現(xiàn)去把握風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)工作點(diǎn)狀態(tài)下的流場(chǎng)信息，得到的結(jié)果可以為冷凝器散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)或者室外機(jī)噪聲預(yù)估提供邊界條件。參考文獻(xiàn)[9]主要對(duì)方法一做了一個(gè)初步的探索，本文對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了調(diào)整，對(duì)風(fēng)機(jī)在室外機(jī)有無(wú)負(fù)載的狀態(tài)下進(jìn)行仿真，得到流場(chǎng)分布情況。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)值模型

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文分析載體為某款上市1.5 HP室外機(jī)，其中分析的軸流風(fēng)葉外徑均為445 mm，輪轂比為0.25，葉片個(gè)數(shù)為3片，沿圓周均勻分布；主要負(fù)載為管翅式冷凝器，采用雙排、Φ9.52銅管、平片結(jié)構(gòu)；風(fēng)葉后部帶注塑出風(fēng)格柵，主要防止異物進(jìn)入風(fēng)機(jī)造成事故，對(duì)于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)也是風(fēng)阻和噪聲的影響部件；此外，電機(jī)支架和電機(jī)對(duì)于風(fēng)道中氣流流動(dòng)也存在一定阻礙。實(shí)驗(yàn)風(fēng)量測(cè)試的主要設(shè)備參照了ANSI于2007年8月17日頒布的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。其中風(fēng)速通過(guò)噴嘴前后壓差計(jì)算得到，風(fēng)機(jī)出口靜壓（或全壓）通過(guò)圖1中PL7位置測(cè)試得到。

圖1 風(fēng)量測(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)噪聲測(cè)試參照GB/T 7725-2004房間空氣調(diào)節(jié)器[10]，本文按照某空調(diào)企業(yè)噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)在半消聲室里進(jìn)行測(cè)試，室外機(jī)和采集麥克風(fēng)放置位置要求如圖2所示。

圖2 噪聲測(cè)試位置

1.2 物理模型

結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試的狀況，對(duì)參考文獻(xiàn)[9]的物理模型，進(jìn)行必要調(diào)整，修改后CFD模型如圖3所示。其中不同范圍的進(jìn)口延伸對(duì)結(jié)果有影響，室外機(jī)進(jìn)口直接連通大氣，進(jìn)口延伸區(qū)域選擇了半圓球，包含了在室外機(jī)周?chē)髿猓皇彝鈾C(jī)測(cè)試時(shí)連接了測(cè)試用轉(zhuǎn)換風(fēng)口，截面發(fā)生了變化，此部分造成的一定損失需考慮；軸流風(fēng)葉放在實(shí)際的室外機(jī)殼體里，包含了電機(jī)支架和電機(jī)，考慮到其產(chǎn)生的阻力，盡可能與實(shí)際測(cè)試狀態(tài)一致；考慮到室外機(jī)冷凝器部分使用多孔介質(zhì)模型，單獨(dú)建立幾何劃分網(wǎng)格。

對(duì)仿真結(jié)果有較大影響的因素除了幾何模型外，主要是對(duì)模型網(wǎng)格的劃分。從工程應(yīng)用角度出發(fā)，除了冷凝器計(jì)算域外其余計(jì)算域均采用四面體網(wǎng)格，冷凝器計(jì)算域采用六面體網(wǎng)格主要為了保證用多孔介質(zhì)模型時(shí)的計(jì)算準(zhǔn)確性，其多孔介質(zhì)阻力參數(shù)通過(guò)換熱器阻力測(cè)試得到p-v曲線(xiàn)擬合計(jì)算得到。對(duì)于風(fēng)葉表面及附近壓力梯度較大區(qū)域采用尺寸函數(shù)方式加密網(wǎng)格，其余區(qū)域采用稀疏網(wǎng)格，從而保證整體網(wǎng)格數(shù)目在150萬(wàn)左右。經(jīng)研究對(duì)比，這樣的網(wǎng)格分布和數(shù)目既能保證一定的計(jì)算精度，又達(dá)到了快速收斂的目的。

圖3 CFD計(jì)算域模型

1.3 數(shù)學(xué)模型

將網(wǎng)格劃分得到離散模型導(dǎo)入到商業(yè)有限體積CFD軟件中，進(jìn)行數(shù)值求解不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes方程。其中湍流粘性模型采用了k-ε兩方程模型，壁面附近流動(dòng)利用壁面函數(shù)進(jìn)行求解；考慮到流動(dòng)的非穩(wěn)定性及噪聲計(jì)算的需求，采用了非定常計(jì)算，對(duì)于時(shí)間項(xiàng)采用二階離散格式；考慮到動(dòng)靜干涉的影響，旋轉(zhuǎn)區(qū)域計(jì)算采用了sliding mesh模型，計(jì)算過(guò)程中風(fēng)葉以及其周?chē)D(zhuǎn)域網(wǎng)格按指定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)；對(duì)于對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，壓力-速度的耦合采用PISO算法求解；計(jì)算收斂準(zhǔn)則為連續(xù)性殘差ε＜10-5。連續(xù)性方程和動(dòng)量方程寫(xiě)成張量形式分別是：

式(2)中S是源項(xiàng)，表征Coriolis力和離心力；

湍流動(dòng)能K和耗散率ε從公式(3)和公式(4)的輸運(yùn)方程得到：

式(3)、(4)中μt是湍流粘性系數(shù)（Pa·s），由K和ε從公式(5)可求得：

式(5)中的C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09是常數(shù)值；湍流K-ε方程采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)時(shí)，近壁面的平均速度滿(mǎn)足公式(6)：

式(6)中kv=0.42，是von Karman常數(shù)；E=9.81，為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Kp為P點(diǎn)的湍流動(dòng)能K；yp是從P點(diǎn)到壁面的距離；μ為P點(diǎn)流體的動(dòng)力粘度（Pa·s）。

進(jìn)口邊界給定0 Pa全壓進(jìn)口；出口邊界給定0 Pa壓力出口，求解風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)引起的空氣循環(huán)流量大小。

2 流動(dòng)分析

2.1 風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)

根據(jù)通風(fēng)機(jī)原理，空氣經(jīng)過(guò)一定轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)的做功，產(chǎn)生了一定的風(fēng)量和全壓。通過(guò)繪制全壓與流量之間的關(guān)系曲線(xiàn)，從而可得到通風(fēng)機(jī)的特性曲線(xiàn)。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的通風(fēng)機(jī)通過(guò)對(duì)比它們的風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)，可得知風(fēng)機(jī)性能優(yōu)劣。

風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)或仿真手段獲取，本文將實(shí)驗(yàn)和仿真得到的風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)做了對(duì)比，如圖4所示。對(duì)比可見(jiàn)在22 Pa以下時(shí)，CFD曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)十分接近；在22 Pa以上風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工作范圍，流量大幅度降低，仿真很難保證準(zhǔn)確計(jì)算出其狀態(tài)下的壓降。

圖4 CFD與實(shí)驗(yàn)的特性曲線(xiàn)對(duì)比

2.2 截取流場(chǎng)信息

根據(jù)CFD計(jì)算的結(jié)果，可以分析風(fēng)葉表面靜壓分布，流道中速度分布、全壓分布和冷凝器表面速度分布等，從而了解風(fēng)葉主要做功區(qū)域和風(fēng)葉設(shè)計(jì)缺陷，知道流道中主要的空氣流通區(qū)域和主要的損失區(qū)域，以及冷凝器主要換熱區(qū)域等。圖5(a)表示截取風(fēng)葉葉片表面靠近葉頂?shù)幕?jí)的位置，圖5(b)表示沿前緣至尾緣曲線(xiàn)靜壓分布，曲線(xiàn)圍成的區(qū)域面積表示此基元級(jí)做功的大小，上曲線(xiàn)表示壓力面靜壓值變化趨勢(shì)，下曲線(xiàn)表示吸力面靜壓值變化趨勢(shì)，從曲線(xiàn)的變化可了解氣流沿葉片的流動(dòng)情況。

圖5 葉片基元級(jí)的靜壓分布

2.3 風(fēng)葉做功與效率計(jì)算

通過(guò)CFD在獲取風(fēng)葉的特性曲線(xiàn)同時(shí)，可以得到每個(gè)狀態(tài)下的風(fēng)葉轉(zhuǎn)矩需求大小。通過(guò)公式(7)可計(jì)算得到風(fēng)機(jī)的軸功率，然后通過(guò)公式(8)將有效功除以消耗功則得到風(fēng)機(jī)全壓效率。

式中：

ω——角速度，rad/s；

T——CFD計(jì)算得到的風(fēng)葉轉(zhuǎn)矩大小，N·m。

式中：

qv——流量，m3/s；

ptF——CFD計(jì)算得到的風(fēng)機(jī)全壓升，Pa。

將一款軸流風(fēng)葉在某室外機(jī)殼體里進(jìn)行CFD的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得到表1。

表1 某款風(fēng)葉做功和效率CFD結(jié)果

2.4 壓力脈動(dòng)分析

在仿真風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，對(duì)主要噪聲源壁面記錄其壓力隨時(shí)間的波動(dòng)情況。對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換，得到壓力脈動(dòng)在頻域下的特征分布情況，進(jìn)而評(píng)價(jià)有關(guān)風(fēng)機(jī)噪聲的大致水平。圖6為計(jì)算某風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)間內(nèi)，室外機(jī)導(dǎo)流圈上取三個(gè)小面的壓力的變化情況，將監(jiān)控得到的時(shí)間-壓力曲線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換后，可獲取頻率下的峰值分布情況，其中明顯的峰值基本上都是旋轉(zhuǎn)基頻及倍頻。

圖6 壓力隨頻率的分布曲線(xiàn)

3 不同風(fēng)葉對(duì)比

3.1 風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

根據(jù)通風(fēng)機(jī)原理，不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的風(fēng)葉通過(guò)CFD在獲取風(fēng)葉的特性曲線(xiàn)，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試的方法也可獲取風(fēng)葉的特性曲線(xiàn)以及網(wǎng)管阻力曲線(xiàn)。將兩者放入圖7中進(jìn)行對(duì)比，從中可以找到風(fēng)葉1#和風(fēng)葉2#在特定的網(wǎng)管中的工作點(diǎn)，即特性曲線(xiàn)和網(wǎng)管阻力的交點(diǎn)，通過(guò)CFD方法可以預(yù)估出各風(fēng)葉的風(fēng)量大小。同時(shí)，可判斷風(fēng)葉的工作狀態(tài)是否穩(wěn)定，是否可能會(huì)出現(xiàn)喘振。

圖7 不同風(fēng)葉工作點(diǎn)對(duì)比

3.2 風(fēng)機(jī)噪聲評(píng)估

不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的風(fēng)葉在仿真過(guò)程中，利用壓力脈動(dòng)分析方法，監(jiān)控相同位置的壓力波動(dòng)情況可以獲得圖8的對(duì)比結(jié)果。風(fēng)葉1#的壓力脈動(dòng)幅度明顯大于風(fēng)葉2#，從而可以初步評(píng)估得到風(fēng)葉1#的噪聲略差于風(fēng)葉2#。

圖8 不同風(fēng)葉壓力監(jiān)控對(duì)比

4 結(jié)論

1) 分析可獲得風(fēng)機(jī)的特性曲線(xiàn)，但并非全部流量范圍內(nèi)仿真值都能夠保證與實(shí)測(cè)值一致，對(duì)于流量低于失速點(diǎn)狀態(tài)下的情況，仿真得到的全壓值通常高于實(shí)測(cè)值。

2) 截取基元級(jí)的壓力分布可通過(guò)曲線(xiàn)所圍面積得知其做功大小，同時(shí)可以得知基元級(jí)上壓力變化趨勢(shì)，從而得知葉片表面流動(dòng)是否存在分離的信息。

3) 通過(guò)計(jì)算得到風(fēng)機(jī)的效率高低，從而幫助選取高效風(fēng)機(jī)。

4) 雖然不能通過(guò)CFD計(jì)算得到風(fēng)機(jī)的噪聲大小，但通過(guò)監(jiān)控壁面壓力的分析，可以得到其產(chǎn)生主要的頻率成分，從而判定其對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)。

因此，綜合比較之后，可以為風(fēng)葉的性能和噪聲作出預(yù)測(cè)，為風(fēng)葉設(shè)計(jì)、優(yōu)化和選型提供依據(jù)。

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Performance Prediction and Experimental Research on Axial Fan of Outdoor Unit of Air-conditioner

LIU Zhong-jie*1, LIU Li-na1, CHEN Huan-xin2
(1- National Engineering Research Center of Green Refrigeration Equipment, Zhuhai, Guangdong 519070, China; 2- School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China)

Through CFD simulation on the air flow around the axial fan of outdoor unit of air-conditioner, the performance prediction of the axial fan in the flow field system of outdoor unit was obtained. The fan performance curve was drawn for different outlet static pressures, and the total air volume and total pressure of the fan were obtained. Combined with the load of outdoor unit of air-conditioner and the parameters of the motor, the fan efficiency was gained. Besides, the power consumption and the flow patterns were predicted by different radial section of fan blade on an elementary stage numerically. The performance and noise level of fan blade were predicted effectively by obtaining the efficiency of the fan in the outdoor unit and the fluctuating pressure at the guide casing. The research results provide a basis for the optimum design and structure type selection of the fan blade.

Air-conditioner; Axial fan; CFD; Efficiency; Fluctuating pressure

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.207

*劉中杰（1981-），男，工程師，學(xué)士。研究方向：空調(diào)風(fēng)機(jī)風(fēng)道設(shè)計(jì)研究。聯(lián)系地址：珠海格力電器制冷技術(shù)研究院2所，郵編：519070。聯(lián)系電話(huà)：0756-8669108。E-mail：jimee_lzj@163.com。