橢圓管換熱器對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)聲場(chǎng)影響的數(shù)值模擬

周 遊 張新強(qiáng) 汪雙鳳

(華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510640)

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橢圓管換熱器對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)聲場(chǎng)影響的數(shù)值模擬

周 遊 張新強(qiáng) 汪雙鳳

(華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510640)

橢圓管換熱器由于良好的流動(dòng)和換熱特性，在換熱設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用。本文利用計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)橢圓管翅片換熱器應(yīng)用于空調(diào)室內(nèi)機(jī)的流場(chǎng)和聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并與圓管作對(duì)比。計(jì)算結(jié)果表明，換熱管形狀對(duì)貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部偏心渦的形成位置和大小沒有影響；與采用相同截面積的圓管翅片換熱器的室內(nèi)機(jī)相比，相同條件下，采用橢圓管換熱器對(duì)于室內(nèi)機(jī)增加風(fēng)量，改善制冷性能，降低噪聲尤其是低頻噪聲方面有良好的效果。其中，長(zhǎng)短軸之比為2的橢圓管可以降低室內(nèi)機(jī)噪聲4 dB。

空調(diào)室內(nèi)機(jī)；橢圓管；降噪；數(shù)值模擬

管翅式換熱器作為一種緊湊式換熱器，是空調(diào)和制冷行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的換熱器[1]。隨著制冷行業(yè)的發(fā)展，如何提高換熱器的換熱系數(shù)，改善換熱器外部空氣流動(dòng)狀況，一直以來都是制冷行業(yè)研究的重點(diǎn)課題。

另外，隨著空調(diào)外觀、性能等方面的提升，人們不斷追求更加安靜舒適的環(huán)境，空調(diào)噪聲問題受到業(yè)內(nèi)人士的普遍重視[2]，降低空調(diào)運(yùn)行噪聲也成為提高空調(diào)競(jìng)爭(zhēng)力的策略之一。

針對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，胡俊偉等[3-4]針對(duì)貫流風(fēng)機(jī)，提出使用不等距葉輪降低室內(nèi)機(jī)噪聲，比較不同形狀換熱器對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)噪聲的影響，設(shè)計(jì)了一種弧形換熱器，可以有效減小氣流噪聲并增大風(fēng)量；劉丙磊等[5]提出增加導(dǎo)風(fēng)板的方案降低室內(nèi)機(jī)噪聲。

室內(nèi)機(jī)空氣的流動(dòng)狀況對(duì)結(jié)構(gòu)的變化非常敏感，任何結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變都會(huì)影響流場(chǎng)分布，導(dǎo)致聲場(chǎng)發(fā)生變化[6]。另外在改善空調(diào)聲學(xué)特性的同時(shí)，必須保證良好的流動(dòng)和換熱特性，因此有必要對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)的流場(chǎng)和聲場(chǎng)進(jìn)行綜合研究。

室內(nèi)機(jī)的聲場(chǎng)分布與壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)有直接的關(guān)系，空調(diào)蒸發(fā)器作為室內(nèi)機(jī)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)室內(nèi)機(jī)的流場(chǎng)及聲學(xué)特性有重要影響。橢圓管由于自身形狀接近流線形，氣體流動(dòng)時(shí)與壁面接觸良好，對(duì)改善室內(nèi)機(jī)流動(dòng)換熱和聲學(xué)特性有重要作用[7-8]。與目前在空調(diào)中常用的圓管翅式換熱器相比，橢圓管有以下幾個(gè)特性：

1)氣體繞流橢圓管外時(shí)，管后形成的尾流區(qū)域比圓管后的尾流區(qū)小很多，氣動(dòng)性能更好，可有效減小空氣側(cè)的流動(dòng)阻力，降低能耗。

2)與相同截面積的圓管相比，入口質(zhì)量流量相同時(shí)，橢圓管內(nèi)制冷劑的相變傳熱系數(shù)高于圓管。

3)橢圓管翅片換熱器采用短軸方向作為迎風(fēng)面時(shí)，數(shù)目相同的管束，橢圓管更容易緊湊布置，占據(jù)空間更小。

雖然橢圓管相比圓管有很多優(yōu)勢(shì)，但制冷行業(yè)中橢圓管的應(yīng)用并不普遍。原因主要是橢圓管的脹接和彎曲工藝與圓管相比更加復(fù)雜，且生產(chǎn)制造成本較高，尤其是橢圓管的內(nèi)螺紋加工尤為困難。這些都對(duì)橢圓管翅片換熱器在空調(diào)中的實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用帶來一定的難度。

目前，工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)是數(shù)字化，采用CFD軟件對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)風(fēng)道的流場(chǎng)進(jìn)行模擬的方法已得到廣泛的應(yīng)用，并取得良好的效果[9]。本文采用Fluent軟件對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，使用FW-H模型分析室內(nèi)機(jī)噪聲。本文以目前市場(chǎng)上常見的某品牌一款1.5匹家用掛壁式空調(diào)為對(duì)象建立模型，以在空調(diào)中應(yīng)用最廣泛的7 mm直徑銅管為對(duì)比對(duì)象，橢圓管的尺寸如表1所示。

表1 橢圓管尺寸

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 網(wǎng)格的劃分

圖1 室內(nèi)機(jī)計(jì)算域截面示意圖Fig.1 Schematic cross section of indoor unit computational domain

由于室內(nèi)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在建模過程中，將簡(jiǎn)化排水托盤、進(jìn)風(fēng)口灰塵濾網(wǎng)和出風(fēng)口的風(fēng)向調(diào)節(jié)裝置等[10]。為盡可能準(zhǔn)確模擬室內(nèi)機(jī)風(fēng)道的實(shí)際流動(dòng)狀況，需要對(duì)室內(nèi)機(jī)進(jìn)出口區(qū)域進(jìn)行延伸，進(jìn)出口外部計(jì)算域選取為10倍貫流風(fēng)機(jī)外徑。由于空調(diào)室內(nèi)機(jī)橫向結(jié)構(gòu)相同，所以本文的三維模型選取50 cm的橫向區(qū)域作為研究對(duì)象。圖1所示為三維室內(nèi)機(jī)模型計(jì)算域的截面示意圖(換熱管為圓管)。整個(gè)計(jì)算的流體域可以分為7個(gè)區(qū)域：進(jìn)風(fēng)口擴(kuò)展區(qū)域、進(jìn)風(fēng)口區(qū)域、管翅式換熱器區(qū)域、貫流風(fēng)機(jī)葉片區(qū)域、貫流風(fēng)機(jī)中心區(qū)域、出風(fēng)口區(qū)域，出風(fēng)口擴(kuò)展區(qū)域。由于貫流風(fēng)機(jī)葉片所在流體域是旋轉(zhuǎn)的，因此采用滑移網(wǎng)格法進(jìn)行處理。風(fēng)道內(nèi)部網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，外部延伸區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。1.2 求解器及邊界條件的設(shè)定

采用LES(large eddy simulation)大渦模型，不可壓縮Reynolds時(shí)均Navier-Stokes方程和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)的三維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行求解；計(jì)算方法為Segregated隱式算法，湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)、動(dòng)量方程都采用二階迎風(fēng)離散格式；壓力速度耦合采用SIMPLE算法。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為4×10-3s，模擬風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)5周的過程[11]。設(shè)定入口邊界條件為壓力入口，出口邊界條件為壓力出口，壓力大小都為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；管翅式換熱器區(qū)域?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)。

1.3 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文CFD模型的準(zhǔn)確性，首先對(duì)7 mm圓管翅片換熱器在貫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為800 r/min、900 r/min和1000 r/min的條件下進(jìn)行計(jì)算。鄧明義等[12]用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量了7.2 mm圓管換熱器的空調(diào)室內(nèi)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量。如圖2所示，兩種結(jié)果對(duì)比可知，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，誤差在15%以內(nèi)。這些誤差主要由于室內(nèi)機(jī)數(shù)學(xué)模型與空調(diào)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)存在一定的差異(如進(jìn)氣格柵，出口導(dǎo)流板，內(nèi)部電子元件等結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化)，造成風(fēng)道流動(dòng)阻力比實(shí)際值小，因此本文的計(jì)算模型相對(duì)準(zhǔn)確。

2 流場(chǎng)計(jì)算

2.1 風(fēng)道流量

如圖3所示，同種結(jié)構(gòu)的室內(nèi)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量隨貫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大而增加，這符合貫流風(fēng)機(jī)的基本規(guī)律[13]。相同轉(zhuǎn)速下，隨著橢圓管長(zhǎng)短軸之比的增加，出風(fēng)口風(fēng)量增加。換熱管數(shù)量相同的情況下，相同截面積的換熱管，隨著長(zhǎng)短軸之比增大，短軸的長(zhǎng)度減小。在模型中，短軸作為迎風(fēng)面，換熱管之間的間距增大，空氣在換熱管之間的流動(dòng)阻力減小，風(fēng)道系統(tǒng)內(nèi)空氣流量增大。

圖4 壓力云圖Fig.4 Contour of total pressure

圖2 轉(zhuǎn)速與風(fēng)量計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線Fig.2 Contrast of the numerical simulation values with the experiments

圖3 風(fēng)量隨貫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.3 Changes of flow rate with rotational speed

2.2 壓力分布

游斌等[14]通過數(shù)值模擬研究貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部偏心渦的演化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，改變貫流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，偏心渦的渦核位置幾乎不發(fā)生改變，改變的只是空氣初次進(jìn)入貫流風(fēng)機(jī)的位置。

本文主要研究換熱器形狀對(duì)于室內(nèi)機(jī)流場(chǎng)的影響。圖4所示為三種結(jié)構(gòu)的室內(nèi)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1100 r/min時(shí)的壓力云圖，由圖可知，貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部形成一個(gè)影響整個(gè)流場(chǎng)的偏心渦，偏心渦的方向與貫流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)向一致。這是由于空氣兩次流經(jīng)葉片，從貫流風(fēng)機(jī)上部葉片進(jìn)入，從下部葉片流出，造成空氣在風(fēng)機(jī)內(nèi)部形成流動(dòng)漩渦。但是對(duì)比文中三種結(jié)構(gòu)，換熱管形狀對(duì)于空調(diào)室內(nèi)機(jī)偏心渦的形成位置和大小幾乎沒有影響。換熱管形狀的改變主要影響了空氣在換熱管間的湍流狀況，橢圓管之間的壓力波動(dòng)更小。而空氣流過管翅式換熱器之后，二次流過貫流風(fēng)機(jī)，流向出風(fēng)口，室內(nèi)機(jī)壓力分布的出口部分變化也不大，出風(fēng)口蝸舌處壓力最大。

3 噪聲分析

氣動(dòng)聲學(xué)是研究流體自身以及流體域固體邊界相互作用發(fā)生機(jī)理的一門科學(xué)?？照{(diào)室內(nèi)機(jī)噪聲包括機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲。根據(jù)風(fēng)扇聲源輻射頻率特性的不同，氣動(dòng)噪聲又可以分為寬頻噪聲和離散噪聲(或旋轉(zhuǎn)噪聲)[15-16]，其中寬頻噪聲是由葉片表面附面層以及尾緣漩渦脫落、空氣湍流干擾等因素引起，離散噪聲是由葉片與來流周期性相互作用等因素引起，通常與葉片通過頻率及其諧波有關(guān)。

由于空氣流經(jīng)密集的翅片管換熱器后立即進(jìn)入貫流風(fēng)機(jī)葉輪，兩次流過貫流風(fēng)機(jī)葉輪，使得風(fēng)機(jī)內(nèi)部存在非定常偏心渦，氣體的渦流擾動(dòng)是引起空調(diào)室內(nèi)機(jī)氣流噪聲的重要原因之一。空氣進(jìn)入貫流風(fēng)機(jī)的方向受到換熱器結(jié)構(gòu)的約束，因此空氣流過換熱器后的尾跡，即貫流風(fēng)機(jī)氣流的進(jìn)入狀態(tài)對(duì)于空氣在貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)狀況有重要影響。

室內(nèi)機(jī)噪聲與貫流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有直接關(guān)聯(lián)，轉(zhuǎn)速越大，旋轉(zhuǎn)噪聲越強(qiáng)烈。對(duì)室內(nèi)機(jī)噪聲進(jìn)行計(jì)算時(shí)，三種模型都在最大轉(zhuǎn)速1100 r/min時(shí)進(jìn)行研究。

噪聲的數(shù)值模擬將聲音的產(chǎn)生和傳播兩個(gè)過程分開。首先通過LES大渦模型計(jì)算得到壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，即聲源信號(hào)，然后通過FW-H方法計(jì)算聲音的傳播過程。由于噪聲的計(jì)算需要在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處獲得更加精確的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，因此時(shí)間步長(zhǎng)減小為4×10-4s。本文出風(fēng)口處的聲音監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為(0.25 m，-0.25 m，0.025 m)。

計(jì)算得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力隨時(shí)間脈動(dòng)曲線，然后通過Cruel方程和快速傅里葉變化得到旋轉(zhuǎn)噪聲的頻譜。

計(jì)算得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓隨時(shí)間的變化曲線，將獲得的時(shí)域譜進(jìn)行FFT分析，又可得到各種聲壓的頻譜，由此可以計(jì)算各個(gè)頻率對(duì)聲壓的貢獻(xiàn)情況。由于每一個(gè)頻率都對(duì)應(yīng)一定的聲壓值，造成頻譜分析的復(fù)雜性。但文中并不需要對(duì)每一個(gè)頻率成分進(jìn)行分析，為了分析的方便性，通常把寬廣的聲音頻率變化范圍劃分為若干較小的段落，叫頻帶或頻程。聲壓級(jí)頻帶圖就是把在該頻帶內(nèi)，不同頻率對(duì)應(yīng)的聲壓取幾何平均值。通過對(duì)聲壓頻帶圖的分析，可在室內(nèi)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)指導(dǎo)聲學(xué)方。

圖5所示為聲壓頻帶圖，空調(diào)室內(nèi)機(jī)噪聲以低頻噪聲(低于200 Hz)為主，且波形圖與其它文章中相一致[17-18]。與高頻噪音相比，低頻噪音隨著距離越遠(yuǎn)或遭遇障礙物時(shí)，衰減較慢。韓文等[19]采用多通道分析儀測(cè)量室內(nèi)機(jī)在超高轉(zhuǎn)速1290 r/min時(shí)，50 s內(nèi)的平均聲壓級(jí)為45 dB，與本文轉(zhuǎn)速為1200 r/min換熱管為圓管的結(jié)果基本一致。因此本文計(jì)算得到的波形圖和計(jì)算值基本準(zhǔn)確。

圖5 不同頻帶下的聲壓級(jí)變化曲線Fig.5 Changes of sound pressure level with frequency

整理聲壓級(jí)在不同頻帶下的計(jì)算數(shù)據(jù)得到圓管和橢圓管的最大、最小聲壓級(jí)和低頻率內(nèi)的聲壓級(jí)，如表2所示。可知采用橢圓管可降低空調(diào)室內(nèi)機(jī)最大聲壓級(jí)3～4 dB，降低最小聲壓級(jí)4.5 dB。對(duì)比長(zhǎng)短軸之比為1.5和2.0的兩個(gè)橢圓管，最大聲壓級(jí)后者比前者小1 dB；頻率為100 ～200 Hz時(shí)，前者的聲壓級(jí)為48.5 dB，后者為46 dB；頻率為200 ～350 Hz時(shí)，前者為42.5 dB，后者為40 dB，后者在低頻率噪聲(0～350 Hz)內(nèi)聲壓級(jí)可以減小2.5 dB。因此，長(zhǎng)短軸之比為2的橢圓管可以降低噪聲4 dB，并且在降低低頻噪聲有更好的效果。

表2 不同頻率下的聲壓級(jí)

4 結(jié)論

管翅式換熱器的結(jié)構(gòu)對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)的流動(dòng)換熱和聲場(chǎng)有重要的影響。本文使用計(jì)算流體力學(xué)的Fluent軟件，對(duì)掛壁式空調(diào)室內(nèi)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行模擬，模擬的結(jié)果能基本反映室內(nèi)機(jī)的真實(shí)流動(dòng)狀況。通過分析橢圓管對(duì)室內(nèi)機(jī)空氣側(cè)各種參數(shù)的影響，得到以下結(jié)論：

1)與圓管相比，計(jì)算頻率為0～1400 Hz時(shí)，采用橢圓管可以降低最大聲壓級(jí)3～4 dB，降低最小聲壓級(jí)4.5 dB，且在降低低頻噪聲方面有更好的效果；兩種橢圓管中，長(zhǎng)短軸之比為2的橢圓管降噪效果更好，可降低4 dB左右。

2)不同結(jié)構(gòu)換熱器對(duì)于貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部的非定常偏心渦的大小和形成位置影響不大，出風(fēng)口蝸舌處壓力最大，換熱器結(jié)構(gòu)的改變主要影響空氣在換熱器內(nèi)部的紊流狀況和初次流入貫流風(fēng)機(jī)的狀態(tài)。

3)同一種換熱器，隨著貫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，空調(diào)室內(nèi)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)的空氣流量增加，室內(nèi)機(jī)可實(shí)現(xiàn)更好的制冷效果。蒸發(fā)器的圓管替換為橢圓管可顯著增加出風(fēng)量，長(zhǎng)短軸之比為2的橢圓管效果最好。

因此，與圓管相比，橢圓管對(duì)于增加空調(diào)室內(nèi)機(jī)風(fēng)量，降低噪聲方面有良好效果。本文的研究對(duì)橢圓管在空調(diào)和制冷設(shè)備中的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

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About the corresponding author

Wang Shuangfeng, female, professor, Ph.D. adviser, Key Laboratory of Heat Transfer Enhancement and Energy Conservation of Education Ministry, South China University of Technology, +86 20-22236929, E-mail: sfwang@scut.edu.cn. Research fields: clean energy utilization and energy conservation and emissions reduction technology; aviation, electronics and optoelectronics (LED) in the field of heat dissipation technology; micro flow, heat transfer and basic research; phase change energy storage material and technology, etc.

Numerical Simulation of the Influence of Elliptical Tube Heat Exchanger in Indoor Unit of Air Conditioner on its Acoustic Field

Zhou You Zhang Xinqiang Wang Shuangfeng

(Key Laboratory of Heat Transfer Enhancement and Energy Conservation of Education Ministry, South China University of Technology, Guangzhou, 510640, China)

Elliptical tube heat exchanger has been widely used in heat exchange equipment due to its good flow and heat transfer characteristics. In this paper we use computational fluid dynamics method to simulate the flow field and sound field generated by the indoor unit of air conditioner with elliptical finned tube heat exchanger , and make comparison with circular tube heat exchanger. The results show that for the inside the cross-flow, the structure of tubes in heat exchangers has no effect on the location and size of the eccentric vortex; compared with the circular tube finned heat exchanger with the same cross-sectional area, the air conditioners using elliptical tubes work better on increasing the air volume, improving cooling effect and reducing noise especially low-frequency noise under the same conditions. Above all, the conditioner using elliptical tubes in which the ratio of the long axis and short axis is 2.0 can reduce noise 4 dB.

air-conditioner indoor unit; elliptical tube; noise reduction; numerical simulation

0253- 4339(2016) 02- 0087- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.087

2015年7月8日

TB657.2； TQ051.5； TP391.9

A

簡(jiǎn)介

汪雙鳳，女，教授，博士生導(dǎo)師，華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，(020)22236929，E-mail: sfwang@scut.edu.cn。研究方向：清潔能源利用及節(jié)能減排技術(shù)，航空、電子及光電領(lǐng)域(LED)散熱技術(shù)，微納傳熱與流動(dòng)基礎(chǔ)，相變儲(chǔ)能材料與技術(shù)等。