基于FLUENT的變頻中央空調(diào)室外機(jī)散熱風(fēng)道的優(yōu)化設(shè)計(jì)

藺勇智

摘 要：本文以計(jì)算流體力學(xué)（CFD）為理論依據(jù)，基于FLUENT環(huán)境，對(duì)側(cè)出風(fēng)系列產(chǎn)品變頻中央空調(diào)室外機(jī)電控盒散熱風(fēng)道系統(tǒng)的出風(fēng)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，本文共設(shè)計(jì)3套不同形式的出口風(fēng)結(jié)構(gòu)方案，主要針對(duì)電控盒左側(cè)出風(fēng)口與電控盒散熱器之間的流場(chǎng)進(jìn)行分析。結(jié)合分析結(jié)果，驗(yàn)證了3套方案的電控盒內(nèi)變頻模塊的溫升趨勢(shì)與散熱風(fēng)道流場(chǎng)的分布狀態(tài)相擬合。試驗(yàn)結(jié)果表明，模型建立正確，計(jì)算機(jī)模擬分析數(shù)據(jù)可靠，達(dá)到了產(chǎn)品開發(fā)的預(yù)期狀態(tài)，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期及測(cè)試成本，對(duì)于新產(chǎn)品開發(fā)有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：流場(chǎng)；熱電偶；散熱風(fēng)道系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

空調(diào)散熱風(fēng)道的優(yōu)化設(shè)計(jì)一直是空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)課題，隨著溫室效應(yīng)的影響越來(lái)越嚴(yán)重，白天溫度越來(lái)越高，使空調(diào)逐漸成為人類不可或缺的可以改善生活質(zhì)量的家用電器之一，空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，特別是在夏天，如果空調(diào)電控盒的散熱風(fēng)道設(shè)計(jì)不佳，會(huì)導(dǎo)致電子元器件溫升過(guò)高，致使電子元器件燒壞或失效，因此空調(diào)室外機(jī)散熱風(fēng)道的優(yōu)化設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，通風(fēng)良好的散熱風(fēng)道不但可以有效降低空調(diào)室外機(jī)電控盒內(nèi)腔體溫度，同時(shí)還可以有效抵御暴風(fēng)雷雨天氣時(shí)雨水進(jìn)入電控盒內(nèi)部。工程師們以往都是借助于經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)往復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化空調(diào)室外機(jī)散熱風(fēng)道，不但優(yōu)化設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，而且精度差，從而導(dǎo)致開發(fā)新產(chǎn)的進(jìn)度遲緩。

本文針對(duì)變頻中央空調(diào)室外機(jī)的散熱風(fēng)道進(jìn)行了設(shè)計(jì)及改進(jìn)，通過(guò)UG對(duì)空調(diào)室外機(jī)整機(jī)進(jìn)行三維建模，特別是對(duì)室外機(jī)電控盒及散熱風(fēng)道進(jìn)行了詳細(xì)的三維建模設(shè)計(jì)，并以FLUENT軟件對(duì)電控盒內(nèi)出風(fēng)口及電控散熱器各散熱片之間的流場(chǎng)進(jìn)行流體仿真分析，再根據(jù)仿真模型制作風(fēng)道手板樣件，對(duì)比仿真3套方案的手板電控盒內(nèi)部元器件的發(fā)熱數(shù)據(jù)，驗(yàn)證仿真模型的正確性。

1.空調(diào)室外機(jī)三維模型及數(shù)值模型

根據(jù)空調(diào)室外機(jī)三維模型建立數(shù)值模型，如圖1所示，設(shè)立邊界條件，采用FLUENT軟件對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)分析。本文主要針對(duì)電控模塊及風(fēng)機(jī)風(fēng)道模塊共同組成的空調(diào)散熱風(fēng)道系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行仿真及分析。

2.基于FLUENT的散熱風(fēng)道仿真分析

風(fēng)道內(nèi)空氣湍流動(dòng)采用不可壓縮流體的k-ε湍流模型描述。

將完成的網(wǎng)絡(luò)模型導(dǎo)入到FLUENT中，其中上風(fēng)輪的中心定義為坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)系y軸方向?yàn)闄C(jī)器前后方向，向后方向?yàn)檎?；電控盒散熱器共?1個(gè)流道，從機(jī)器后向機(jī)器前編號(hào)依次為1，2，3……21，電控盒散熱器流道編號(hào)標(biāo)示于每個(gè)流道速度矢量圖的右下角位置。速度矢量圖的左側(cè)標(biāo)示均為速度值的大?。▎挝唬簃/s）。由于篇幅有限，本文只針對(duì)3種典型散熱風(fēng)道方案進(jìn)行了對(duì)比仿真分析，方案3為產(chǎn)品最終選定的方案，詳細(xì)模擬結(jié)果如圖2所示。

從圖2中3種方案的出風(fēng)口內(nèi)流場(chǎng)分布圖可以看出，方案二電控盒散熱器的多個(gè)流道中存在較大的渦流，方案一與方案三電控盒散熱的風(fēng)道流道內(nèi)流場(chǎng)相似，但方案三明顯優(yōu)于方案一。

為了更加詳細(xì)了解到坐標(biāo)原點(diǎn)前后方各截面流場(chǎng)的分布情況，文中分別針對(duì)y=200mm時(shí)的速度場(chǎng)（在進(jìn)風(fēng)口寬度范圍，不在出風(fēng)口寬度范圍）、y=170mm時(shí)的速度場(chǎng)（在進(jìn)風(fēng)口寬度范圍，在出風(fēng)口寬度范圍）、y=140mm時(shí)的速度場(chǎng)（在進(jìn)風(fēng)口寬度范圍，在出風(fēng)口寬度范圍）、y=120mm時(shí)的速度場(chǎng)（在進(jìn)風(fēng)口寬度范圍，在出風(fēng)口寬度范圍）、y=80mm時(shí)的速度場(chǎng)（在進(jìn)風(fēng)口寬度范圍，在出風(fēng)口寬度范圍）、y=40mm時(shí)的速度場(chǎng)（不在進(jìn)風(fēng)口寬度范圍，在出風(fēng)口寬度范圍）、y=-10mm時(shí)的速度場(chǎng)（不在進(jìn)風(fēng)口寬度范圍，在出風(fēng)口寬度范圍）進(jìn)行了進(jìn)風(fēng)口流場(chǎng)分布分析，由于篇幅有限，文中只列舉了其坐標(biāo)原點(diǎn)沿y軸方向向前120mm的截面進(jìn)風(fēng)口處流場(chǎng)分布狀態(tài)，其仿真結(jié)果如圖3所示。

本文也針對(duì)電控盒中散熱器不同流道速度場(chǎng)（流道編號(hào)從后至前依次為1，2……21，即各散熱片之間的流道間隙）進(jìn)行了仿真分析，其出風(fēng)口散熱片編號(hào)為1、10、21位置流場(chǎng)分布圖如圖4所示。

從上面的流場(chǎng)分布仿真結(jié)果中可以看出：

（1）在室外機(jī)腔體中電控盒及系統(tǒng)側(cè)，進(jìn)風(fēng)基本繞過(guò)罐體等障礙物向上，流向出風(fēng)口處。但由于進(jìn)風(fēng)口位置與方向布置、出風(fēng)口位置布置以及障礙物的遮擋，在室外機(jī)腔體內(nèi)電控盒側(cè)，其中部分區(qū)域有大小不等的漩渦形成，如室外機(jī)腔體內(nèi)系統(tǒng)側(cè)的左下側(cè)、電控盒內(nèi)的右側(cè)以及電控盒的后側(cè)等，在一定程度上造成了風(fēng)量、能量的損失。（2）在無(wú)罐體遮擋、且進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口無(wú)錯(cuò)開的截面上，如y=80mm處，氣流速度明顯大于有罐頭遮擋或進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口錯(cuò)開的截面速度。（3）方案二中，盡管出風(fēng)口為前后敞開，但由于風(fēng)輪的作用，從后側(cè)換熱器過(guò)來(lái)的氣流與從電控盒側(cè)過(guò)來(lái)的氣流混合后一同向機(jī)器的前側(cè)流入。（4）方案二中，電控盒散熱器多個(gè)流道中存在較大的渦流，方案一與方案三電控盒散熱器相同編號(hào)的流道內(nèi)流場(chǎng)相似，但方案三相同編號(hào)流道中的速度值明顯大于方案一。（5）經(jīng)計(jì)算，方案一進(jìn)風(fēng)口的流量為13.82m3/h，方案二進(jìn)風(fēng)口的流量為13.75m3/h，兩種方案進(jìn)風(fēng)流量可近似相等，方案三進(jìn)風(fēng)口的流量為16.18m3/h。

3.計(jì)算結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

為檢驗(yàn)仿真結(jié)果的可靠性與實(shí)用性，對(duì)樣機(jī)電控盒的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口附近的關(guān)鍵電子元器件運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱溫度進(jìn)行監(jiān)控。變頻空調(diào)電控盒中的變頻模塊往往發(fā)熱量最容易超標(biāo)，因此在本文中將變頻模塊固定螺絲作為主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其次對(duì)于進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口的散熱片編號(hào)為1、10、21位置也做了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過(guò)熱電偶及測(cè)試軟件傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，采集并記錄相關(guān)發(fā)熱數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試方法示意如圖5所示。

試驗(yàn)工況：最大頻率制冷，室內(nèi)側(cè)干球溫度32.08℃，室內(nèi)側(cè)濕球溫度22.98℃，室外側(cè)干球溫度47.00℃，頻率65Hz，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由于篇幅限制，其他測(cè)試工況數(shù)據(jù)省略，但發(fā)熱數(shù)據(jù)的趨勢(shì)與表1是基本保持一致的。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，方案3測(cè)試數(shù)據(jù)比方案1、方案2降低2℃左右。因此從溫度測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了基于FLUENT的變頻中央空調(diào)室外機(jī)散熱風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真趨勢(shì)是可行而且是準(zhǔn)確的。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)基于FLUENT的變頻中央空調(diào)室外機(jī)散熱風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究與驗(yàn)證，從軟件仿真對(duì)比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)此仿真優(yōu)化的方法，可以有效地解決在產(chǎn)品開發(fā)階段所面臨的方案優(yōu)化問(wèn)題，可以節(jié)省手板制作的成本，而且節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試資源，有效縮短了項(xiàng)目的開發(fā)周期，為傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)提供了更加便捷的設(shè)計(jì)技巧及方案。

參考文獻(xiàn)

[1]張軼，沈輝，夏蕓，等.基于CFD的礦車空調(diào)風(fēng)道風(fēng)速仿真分析與試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2012（2）：25-27，33.