分體式空調(diào)貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)蝸舌結(jié)構(gòu)優(yōu)化及降噪分析

張金山

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

分體式空調(diào)貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)蝸舌結(jié)構(gòu)優(yōu)化及降噪分析

張金山

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

本文針對(duì)影響貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪聲的重要因素之一的蝸舌結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，利用CFD軟件Fluent對(duì)貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行模擬分析并與試驗(yàn)相結(jié)合，通過優(yōu)化目前蝸舌結(jié)構(gòu)，達(dá)到降低噪聲的目的。

空調(diào)；貫流風(fēng)機(jī)；蝸舌；噪聲；試驗(yàn)；CFD

1 引言

貫流風(fēng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、產(chǎn)生的氣流高速、平直等特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在分體式家用空調(diào)器中。貫流風(fēng)機(jī)由多葉葉輪、蝸殼、蝸舌構(gòu)成。其中蝸舌的結(jié)構(gòu)形式以及蝸舌與葉輪的間隙對(duì)貫流風(fēng)機(jī)的性能以及噪聲具有直接影響。目前，業(yè)內(nèi)主要通過試驗(yàn)——調(diào)整結(jié)構(gòu)——再試驗(yàn)的方法進(jìn)行評(píng)估，除了增加產(chǎn)品的研發(fā)費(fèi)用外，還使項(xiàng)目開發(fā)周期延長。本文利用CFD軟件Fluent14.5對(duì)貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，直觀地了解流場內(nèi)部情況，并以此優(yōu)化蝸舌的結(jié)構(gòu)，再結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，在保證貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)性能不受影響的同時(shí)，達(dá)到降低貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪聲的目的。

2 目前貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

分體式空調(diào)器室內(nèi)機(jī)貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)的葉輪、蝸殼以及蝸舌。圖1給出了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖以及優(yōu)化前蝸舌結(jié)構(gòu)，即目前使用的蝸舌結(jié)構(gòu)圖。

（1）當(dāng)葉輪在自由空間旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于葉片打擊周圍的氣體介質(zhì)，葉片鄰近的某固定位置上空氣受到葉片及其壓力場的周期性激勵(lì)而發(fā)聲，其實(shí)質(zhì)為旋轉(zhuǎn)噪聲。頻率為：

f=nZ/60×i(Hz) ①

式中：n——葉輪轉(zhuǎn)速（r/min）；Z——葉片數(shù)；i——諧波序號(hào)；i=1,2,3,…,i=1為基頻。

（2）葉片尾流的作用產(chǎn)生另一種旋轉(zhuǎn)噪聲。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片出口區(qū)內(nèi)氣流具有很大的不均勻性。這種不均勻性氣流周期性地作用于周圍介質(zhì)，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)而形成噪聲。當(dāng)動(dòng)葉排與蝸舌間的間距過小時(shí)，前排葉片尾流掃過后排葉片或動(dòng)葉尾流掃過蝸舌皆會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)力，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)噪聲。通過試驗(yàn)測得目前貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪聲值與風(fēng)量值，并給出優(yōu)化前蝸舌結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

3 貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場二維非定常數(shù)值模擬

3.1 流場建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件定義

根據(jù)貫流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場屬于湍流流動(dòng)，本文采用CFD軟件Fluent14.5里二維非定常計(jì)算選項(xiàng)，為使模擬的結(jié)果更接近真實(shí)風(fēng)場，由于試驗(yàn)樣機(jī)是安裝換熱器的，因此數(shù)值模擬同樣考慮換熱器的影響。當(dāng)然也可以采用三維計(jì)算，但三維計(jì)算網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量龐大，尤其是葉輪與換熱器部分的結(jié)構(gòu)特征繁多，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量也會(huì)因此增加，所需要的計(jì)算資源也就更大，對(duì)于普通的臺(tái)式電腦無法承認(rèn)如此大的計(jì)算量，當(dāng)然也就不利于產(chǎn)品開發(fā)人員進(jìn)行平時(shí)的研究。如果將網(wǎng)格數(shù)量劃分的較稀疏，對(duì)模擬結(jié)果又將會(huì)造成很大影響，往往會(huì)影響判斷。綜上所述，筆者認(rèn)為采用二維計(jì)算較為合適。

如圖2所示，使用前處理軟件Gambit2.4.6對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算域全部采用四邊形網(wǎng)格。由于重點(diǎn)關(guān)注貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場情況，因此將貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部網(wǎng)格劃分較密集一些。而對(duì)于遠(yuǎn)處的影響不大的計(jì)算域網(wǎng)格劃分的相對(duì)稀疏些，這樣可以提高計(jì)算的速度。葉輪區(qū)域設(shè)定為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，動(dòng)靜區(qū)域之間采用滑移網(wǎng)格。換熱器部分設(shè)定為多孔介質(zhì)模型，邊界條件定義為壓力入口與壓力出口。

3.2 數(shù)值計(jì)算

將前處理文件導(dǎo)入到Fluent14.5中，選擇壓力基求解器，求解非定常流動(dòng)。K-e兩模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力-速度耦合采用PISO，二階迎風(fēng)格式。時(shí)間步長設(shè)定為0.0001s，監(jiān)測出口流量不再發(fā)生變化時(shí)，認(rèn)為達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果得出貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)速度分布云圖，并且通過放大可以觀察到蝸舌附近的流速情況，如圖3所示。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

從速度分布云圖（見圖3）上可以看出，當(dāng)流場達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，偏心窩位于蝸舌附近，換熱器進(jìn)風(fēng)速度不均勻，主要集中在第二折換熱器上。后蝸殼有部分低速區(qū)域，蝸舌與葉輪間隙為2.8mm，該位置流速較高，約12.1m/s，因此當(dāng)葉輪尾流掃過蝸舌的時(shí)候脈動(dòng)力比較大。此外，由于偏心蝸的存在，使得部分氣流又倒回到葉輪內(nèi)部，在蝸舌前端圓角氣流分離位置出現(xiàn)一個(gè)明顯的低速區(qū)域，這一區(qū)域?qū)Τ鲲L(fēng)氣流造成影響，分析認(rèn)為以上因素是造成風(fēng)機(jī)噪聲偏高的問題所在。

4 蝸舌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

通過改善蝸舌的結(jié)構(gòu)形式，采用鋸齒形蝸舌，使葉片尾流在同一時(shí)間時(shí)掃過不同的蝸舌型線來分散噪聲頻譜，從而降低噪聲輻射。增加蝸舌與葉輪的間隙，間隙調(diào)整為5.5mm，增大蝸舌間隙可以減小氣流回流時(shí)的阻力，達(dá)到降低噪聲的目的。減小蝸舌前端圓角，圓角調(diào)整為R4.0mm，在此氣流沿出風(fēng)口流出與回流的分離位置，較小的圓角可以減少氣流沖擊面積，優(yōu)化后蝸舌結(jié)構(gòu)如圖4所示。使用優(yōu)化后的蝸舌再次對(duì)貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，可以看出有很明顯的改善，如圖5。

表1 優(yōu)化前蝸舌結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

表2 優(yōu)化后貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪聲測試結(jié)果

表3 優(yōu)化前后試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)

蝸舌附近位置的流速降低為9.73m/s，并且前端圓角的低速區(qū)域已消失。使用優(yōu)化后蝸舌結(jié)構(gòu)經(jīng)試驗(yàn)測試貫流風(fēng)機(jī)各風(fēng)檔噪聲均降低約2dB(A)，風(fēng)量損失在2%以內(nèi)，不會(huì)影響風(fēng)機(jī)性能。優(yōu)化后貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪聲測試結(jié)果及前后對(duì)比數(shù)據(jù)見表2、表3所示。

5 結(jié)語

在空調(diào)市場競爭環(huán)境日益激烈的今天，更快的研發(fā)速度與更低的研發(fā)成本投入無疑成為各空調(diào)企業(yè)尤為關(guān)注的事情。借助于計(jì)算流體力學(xué)仿真分析技術(shù)，在處理貫流風(fēng)機(jī)噪聲問題上，通過對(duì)貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，直觀地了解內(nèi)部流場情況，提供一種解決問題的方向與思路。避免反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)帶來的研發(fā)費(fèi)用增加以及研發(fā)進(jìn)度緩慢的情況，確保產(chǎn)品更早地投入市場，從而使企業(yè)在行業(yè)內(nèi)更具有競爭力。

Minisplit AC cross fan blade structure optimizing and noise reduction analysis

ZHANG Jinshan
（Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070）

This article is study on minisplit AC cross fan blade structure which is the major factor of cross fan blade structure noise. Use the Fluent of CDF software to model analyze and test in combination for the cross fan motor internal flow field, through optimizing the current fan blade structure to reduce noise.

Air-condition; Cross-Flow; Volute tongue; Noise; Test; CFD

圖1 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖（左）及優(yōu)化前蝸舌結(jié)構(gòu)圖（右）

圖2 網(wǎng)格劃分計(jì)算模型圖

圖3 速度分布云圖（左）與蝸舌附近速度云圖（右）

圖4 優(yōu)化后蝸舌結(jié)構(gòu)

圖5 優(yōu)化后蝸舌速度云圖