風(fēng)機盤管機組風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計的數(shù)值研究

賴鳳麟 梁 暉 張華強 彭惠生

（1.廣東西屋康達空調(diào)有限公司，廣東 佛山 528000；2.清華大學(xué)，北京 100084）

0 引言

隨著環(huán)境問題的日益突出，保護環(huán)境、節(jié)約資源的呼聲越來越高，中央空調(diào)就是日常生活中的耗電大戶。由于中央空調(diào)的整體能耗較常用分體式空調(diào)低，越來越多的家庭住宅也開始安裝中央空調(diào)。風(fēng)機盤管作為中央空調(diào)系統(tǒng)在民用住宅中常用的末端設(shè)備[1-3]，在國內(nèi)空調(diào)市場被廣泛使用，但是長期以來卻沒有得到很大的改進[4]。風(fēng)機盤管具有體型小、布置安裝方便、控制靈活、噪聲小等諸多優(yōu)點[5]。但是國內(nèi)的風(fēng)機盤管機組的風(fēng)場均勻性問題卻一直未能很好地得到解決[6]。改善機組內(nèi)部流場的均勻性，既能降低能耗，又能提高盤管的換熱效率，從而提高風(fēng)機盤管機組的整體性能。研究表明[7]，提高盤管迎面風(fēng)速的均勻性能可以提高系統(tǒng)的效率。通過對單風(fēng)機盤管結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[8]發(fā)現(xiàn)，漸擴風(fēng)道結(jié)構(gòu)、添加導(dǎo)流板均能在一定程度上提高來流場的均勻性，而對于使用較普遍的雙風(fēng)機盤管的風(fēng)場研究幾乎沒有。本文將通過數(shù)值模擬的方法，對雙風(fēng)機盤管機組內(nèi)部流場進行計算，并且觀察盤管不同傾斜角度下的流場均勻性變化，從而指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低盤管機組能耗，提升盤管機組整體性能。

1 數(shù)值計算方法

1.1 模型構(gòu)建

本文所選的研究對象是如圖1所示的雙風(fēng)機離心式風(fēng)機盤管機組。由于實際模型當中很多結(jié)構(gòu)均是為了安裝方便而設(shè)計，尤其是機組外部結(jié)構(gòu)，對于內(nèi)部流場是沒有影響的，因此在構(gòu)建計算域時，考慮把風(fēng)機送風(fēng)出口作為計算域的入口；機箱內(nèi)部風(fēng)場流道結(jié)構(gòu)保留，與實際模型一致；實際盤管是由成百上千片的換熱鋁翅片組成的，這部分結(jié)構(gòu)如果不做簡化，計算成本會很高，綜合考慮將盤管簡化為細長條的狹縫，這樣既能盡可能地保留實際盤管的結(jié)構(gòu)特點，又能滿足實際計算能力。最終簡化得到的實際風(fēng)機盤管機組的計算模型如圖2所示。

圖1 雙風(fēng)機離心式風(fēng)機盤管機組實物圖

圖2 三維計算模型簡圖

此次研究選取的盤管傾斜角度有0°、30°、40°和45°四種工況，如圖3所示。各個工況下的流場分布計算結(jié)果詳見下文。

圖3 模擬工況

1.2 求解方法

從風(fēng)機進入的空氣在機組內(nèi)的流動屬于三維湍流流動，在計算時需作如下假設(shè)：（1）空氣特性參數(shù)均為常數(shù)；（2）空氣流動為不可壓低速穩(wěn)態(tài)流；（3）整個風(fēng)場無換熱，為恒溫場。風(fēng)機入口設(shè)為質(zhì)量流量入口，設(shè)定為0.244 kg/s；出口設(shè)置為自由流邊界，其余均默認為絕熱固體邊界條件。根據(jù)計算模型和風(fēng)場流動特點，在計算時采用了湍流計算中應(yīng)用最廣泛的K-epsilon兩方程模型，該模型具有穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和相對較高的計算精度等特點。該模型的適用于本次計算的數(shù)學(xué)控制方程的張量式如下所示：

連續(xù)性方程：

2 結(jié)果與分析

為方便展示盤管機組內(nèi)部流場分布，截取了z=0 mm（俯視圖，中間截面）、y=200 mm（側(cè)視圖，右側(cè)風(fēng)機入口中間截面）、x=0 mm（主視圖，中間截面）三個方向的截面，繪制了各個工況下的截面的速度云圖和流線圖。

圖4所示為z=0 mm截面4個模擬工況下的速度云圖和流線圖。從圖4（a）可以看出，由于雙風(fēng)機入口結(jié)構(gòu)的特點，兩個送風(fēng)口之間是安裝電機的位置，導(dǎo)致中間沒有空氣直接輸入，需要兩側(cè)的空氣擴散填充，從而形成了中間的低速回流區(qū)。入口兩側(cè)也有低速回流區(qū)，主要是送風(fēng)入口屬于突擴流道，氣流從較小的流道進入時很容易在兩側(cè)形成回流。正是由于這種結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致盤管迎面風(fēng)速均勻性較差，表現(xiàn)出兩側(cè)流速高，中間流速低的不均勻現(xiàn)象。但是隨著盤管傾斜角度的不斷增大，可以看到中間低速區(qū)的平均速度大小是不斷增大的。從圖4（b）也可以發(fā)現(xiàn)，入口位置無論是中間的回流還是兩側(cè)的回流，均會隨著盤管傾斜角度的增大而減弱，但當傾斜角為45°時，出口位置中間和兩側(cè)出現(xiàn)了較明顯的回流現(xiàn)象，這會影響機組出口流場的均勻性。再觀察盤管位置的流場分布可以看到，正是由于送風(fēng)口流場的不均勻性，導(dǎo)致在中間位置的翅片間空氣流速較低，而兩側(cè)的翅片間風(fēng)速較高，使得中間位置的翅片利用率較低，在實際使用時換熱效果較差，而這種換熱不均勻的現(xiàn)象也會影響換熱翅片的使用壽命，降低盤管的整體性能。另外，隨著盤管傾斜角度的增加，中間位置的翅片間流速是逐漸增大的，流場的均勻性是逐漸得到改善的?？傮w來看，隨著盤管傾斜角度的增加，整個橫向流場的高速區(qū)范圍越來越大，低速區(qū)范圍越來越小，但是角度太大時出風(fēng)口會出現(xiàn)回流降低均勻度，角度太小時整體橫向流場的不均勻性較大，平均速度也較低。

圖4 z=0 mm截面速度云圖和流線圖

圖5所示為y=200 mm截面的4種模擬工況下的速度云圖和流線圖。與入口橫向結(jié)構(gòu)不同，縱向結(jié)構(gòu)上表面是一個突擴流道，而下表面是漸擴流道，這就導(dǎo)致了上下流場的不均勻性。從圖中可以看到，當盤管傾斜角度為0°時，由于上下結(jié)構(gòu)具有較好的對稱性，從而流場也表現(xiàn)出較好的均勻性；隨著盤管傾斜角度的不斷增大，上下結(jié)構(gòu)的不對稱性增大，縱向流場無論是入口位置、盤管位置還是出口位置均表現(xiàn)出較大的不均勻性。特別是當盤管角度達到40°和45°時（圖5（b）），由于下表面的凹腔結(jié)構(gòu)，逐漸出現(xiàn)低速回流現(xiàn)象，嚴重影響了機組出口流場的均勻性；另外，上表面出口位置也會出現(xiàn)小范圍的低速區(qū)。隨著盤管傾斜角度的增大，機組內(nèi)部流場縱向的不均勻性會逐漸增大。

圖5 y=200 mm截面速度云圖和流線圖

圖6 所示為x=0 mm截面的速度云圖。該位置是盤管所在的截面，可以直觀地觀察到盤管位置的流場分布。從結(jié)果可以看到，當盤管傾斜角度為0°時，除了中間部分的流場，整個盤管迎面風(fēng)場的均勻性較好；30°時整個流場也依然呈現(xiàn)出較高的均勻性，并且中間低速區(qū)范圍減小；當角度達到40°和45°時，上下位置流場不均勻性較嚴重。與側(cè)視（y=200 mm截面）結(jié)果類似，盤管傾斜角度的變化會嚴重影響機組內(nèi)部縱向流場的均勻性，為保證縱向流場的均勻性，盤管傾斜角度不宜過大。

圖6 x=0 mm截面速度云圖

為進一步對比盤管不同傾斜角度下的流場的均勻性，對機組出口截面的橫向速度和縱向速度的均值進行對比分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7（a）很明顯地可以看到，橫向流場確實表現(xiàn)出中間流速低、兩側(cè)流速高的不均勻現(xiàn)象。這是由于雙風(fēng)機盤管機組送風(fēng)入口結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要重點考慮改善這部分缺陷，可以在風(fēng)機送風(fēng)口位置加導(dǎo)流板或者對送風(fēng)口進行改造。當盤管傾斜角度為0°時，出口截面整體流速較低，并且中間低速區(qū)的范圍也較大；隨著盤管傾斜角度的增大，出口截面的整體流速在增大，中間低速區(qū)的范圍則不斷減小，但是從40°～45°的區(qū)域變化不是很明顯，特別是45°時中間低速區(qū)的最小速度較其他3種工況更低，最大最小速度間相差甚大，流場均勻性較差。而盤管傾斜角度為30°和40°時，兩者的最小速度相差不大，低速區(qū)的范圍40°的相對較小，但是最大速度兩者相差很明顯，從均勻性角度來說，30°的流場均勻性較40°的好。另外對比出口截面縱向流場的分布圖7（b），當盤管傾斜角度為0°時，縱向流場均勻性較高，但因為入口位置上下表面結(jié)構(gòu)不對稱，導(dǎo)致此時速度分布也并不完全對稱；而隨著角度的增加，在出口上半部分（0.04～0.08 m）開始出現(xiàn)不同程度的低速區(qū)；其中45°工況由于下表面也出現(xiàn)了回流，導(dǎo)致在-0.08～-0.055 m位置也出現(xiàn)了低速區(qū)，流場的縱向不均勻程度更高；30°較40°的低速區(qū)范圍更小，整體的均勻性更高。

圖7 出口截面平均速度橫向（a）和縱向（b）分布對比

綜上，在分析對比了4種不同盤管傾斜角度后發(fā)現(xiàn)，角度為30°時為較理想的結(jié)構(gòu)。同時也發(fā)現(xiàn)了雙風(fēng)機盤管機組的結(jié)構(gòu)缺陷，尤其是在兩個風(fēng)機送風(fēng)口間安裝電機存在的空白區(qū)，使得入口位置流場出現(xiàn)中間流速低、兩側(cè)流速高的不均勻現(xiàn)象，在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要重點考慮改善這部分缺陷。另外，就是入口位置上下表面的不對稱性，下表面為漸擴流道，沒有回流現(xiàn)象，而上表面為突擴流道，有較強的回流，因此考慮將上表面設(shè)計成與下表面對稱的漸擴流道，對流場重新計算，得到的出口截面橫向和縱向平均速度與改造前的對比可見圖8。從結(jié)果可以看到，將

圖8 結(jié)構(gòu)修改后出口截面平均速度橫向（a）和縱向（b）分布對比備注：藍線為改造前速度，紅線為改造后速度。

3 結(jié)語

本文選取了廣泛使用的雙風(fēng)機盤管機組作為研究對象，利用計算流體力學(xué)的數(shù)值計算方法，探究了盤管傾斜角度為0°、30°、40°和45°的風(fēng)場均勻度。在對比完不同方向的流場分布結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，當盤管傾斜角度為30°時，整個風(fēng)場的均勻度較高，整體流速也不低，可在后續(xù)盤管結(jié)構(gòu)設(shè)計中參考。另外也發(fā)現(xiàn)了雙風(fēng)機盤管機組的結(jié)構(gòu)缺陷，尤其是風(fēng)機兩個送風(fēng)口間安裝電機的位置，導(dǎo)致風(fēng)場入口中間流速較低、盤管中間位置的換熱翅片利用效率很低，造成了資源的浪費，建議在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計當中考慮在入口位置添加導(dǎo)流板或是重新設(shè)計送風(fēng)口。最后將入口位置上表面的突擴流道改造為與下表面對稱的漸擴流道，結(jié)果表明能夠改善流場的均勻性，尤其是縱向流場。

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