基于FW-H的空調(diào)管路噪聲研究

汪春節(jié)

格力電器股份有限公司

0 引言

在制冷系統(tǒng)中，制冷劑在系統(tǒng)中的流動依靠管路的連接。而管路之間采用的配合焊接的連接密封方式，使得管路配合往往會出現(xiàn)孔腔繞流的現(xiàn)象。

研究人員對于空調(diào)管路中的噪聲研究，多采用實(shí)驗的方式，結(jié)果準(zhǔn)確，而實(shí)驗室資源的短缺、實(shí)驗設(shè)備費(fèi)用較高、操作設(shè)備的技術(shù)人員短缺等問題的存在使得空調(diào)行業(yè)的噪聲測試還未完全實(shí)現(xiàn)所有空調(diào)機(jī)組的測試通用。同時影響產(chǎn)品的開發(fā)。蘭江華[1-2]對空調(diào)異常音采用實(shí)驗測試的方法進(jìn)行原因的查找及定位。張楠[3-4]等對孔腔流激噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。徐俊[5]等對孔腔水動噪聲進(jìn)行研究并采用加隔板的方式進(jìn)行降噪。

本文采用FLUENT數(shù)值計算的方法，研究流體在流經(jīng)孔腔結(jié)構(gòu)的流場特性，從而探討幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對于孔腔發(fā)生的影響，指導(dǎo)實(shí)際測試與生產(chǎn)過程。

如圖1為管路連接示意圖，出于制冷劑充灌的需要，壓縮機(jī)的排氣管5上布置有小管徑的工藝管3，而工藝管3與壓縮機(jī)的排氣管路的連接，通常采用工藝管3深入排氣管5焊接的形式固定。在空調(diào)生產(chǎn)過程中，通過工藝管3向空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部灌注制冷劑。完成制冷劑灌注后，通常采用激光焊接的形式將工藝管3密封，因此，形成了一個孔腔結(jié)構(gòu)。

圖1 室外機(jī)管路連接示意圖

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

對工藝管3位置管路即上述的孔腔結(jié)構(gòu)作為研究對象，提取數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。Z軸方向管路為直徑為φ12 mm的排氣管5，X方向管路為直徑為φ 6 mm的工藝管3。為研究噪聲產(chǎn)生情況下的流場分布，將管路插入深度設(shè)定為為8 mm。

圖2 仿真模型

采用Mesh對模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格模型則如圖3所示。并在計算之前對網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行了驗證[6]。

圖3 網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

CFD計算軟件提供了多種常用的湍流模型。本文采用κ-ε模型[7]進(jìn)行計算。

2.1 控制方程

連續(xù)性方程

動量方程

式中：μeff為有效粘性系數(shù)，P'為修正壓力。

湍流模型κ-ε湍流雙方程如下：

式中：C1ε、C2ε表示經(jīng)驗常數(shù)；σε、σk是與耗散率 ε 和湍動能k對應(yīng)的普朗特數(shù)；Gk為平均速度下湍動能的產(chǎn)生項；ρ為流體的密度；μ為動力粘度；t則為熱力學(xué)溫度值。

2.2 噪聲模型

管內(nèi)部制冷劑流動的繞流等發(fā)聲，采用FW-H積分方程。通過考慮連續(xù)性方程和N-S方程推導(dǎo)成的非齊次波動方程求解。其中包含了面生源項、體聲源項。其計算式為：

式中：ρ0表示流體媒質(zhì)的密度，c0表示聲速，vn表示運(yùn)動的物體表面法向的速度，Tij表示Lighthill應(yīng)力張量，采用f=0的方程定義運(yùn)動物體表面。

2.3 邊界條件設(shè)定

采用家用空調(diào)制冷劑為R290的系統(tǒng)進(jìn)行分析。根據(jù)不同的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率設(shè)定進(jìn)出口邊界條件進(jìn)行分析。根據(jù)工藝管與排氣管配合位置的壓力數(shù)據(jù)監(jiān)測，通過采用FW-H對噪聲進(jìn)行分析。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 仿真與實(shí)驗對比驗證

對蘭江華[1-2]論文中給出的測試結(jié)果與相同測試條件下的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，實(shí)驗結(jié)果采用文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)如圖4，圖中表明，在測試情況下，頻率在4024.82 Hz時，出現(xiàn)異常音。仿真結(jié)果圖5所示，通過對工藝管位置的壓力記錄，得到在頻率為4100 Hz左右時出現(xiàn)異常音。與實(shí)驗數(shù)據(jù)相吻合。因此，可以采用此控制方程對模型進(jìn)行分析。

圖4 實(shí)驗測試頻域分析圖

圖5 仿真分析頻域分析圖

3.2 管道內(nèi)速度分布

對制冷劑在經(jīng)過壓縮機(jī)排氣后流經(jīng)工藝管位置的速度場進(jìn)行分析。如圖6所示，分別截取三個方向的速度分布矢量圖。圖6（a）為XZ方向流動分布，從圖中可以看出，制冷劑在流經(jīng)工藝管位置時，因工藝管的伸入，使得其對應(yīng)位置的流速在一定程度上有所增加。而工藝管作為一個密封的腔體，其內(nèi)部空間受制冷劑流動的壓力影響，產(chǎn)生多個旋渦流。圖6（b）為YZ方向流動分布，制冷劑在流經(jīng)工藝管位置時，形成繞流，在空間較小位置，速度有所增加。在工藝管的空腔內(nèi)部，形成渦流流動。圖6（c）為XY方向流動分布，在X方向的沿線上，工藝管內(nèi)部形成多個旋渦流，且相鄰間流動旋渦方向相反。

圖6 速度分布矢量圖

3.3 不同流速下的管路噪聲分析

對上述模型中不同流速時的工藝管處噪聲進(jìn)行記錄分析。得到頻域分析圖的結(jié)果如圖7所示。圖中可以看出，不同的制冷劑流速使得在不同頻率位置均存在一定的異常波動。速度較低時，在10 m/s左右，在頻率為1700 Hz左右出現(xiàn)異常。隨著管路內(nèi)制冷劑流動速度的增加，分別在不同頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生噪聲波動。

圖7 不同排氣速度頻域分析圖

3.4 不同管路插入深度噪聲分析

對不同工藝管插入深度分別進(jìn)行建模，其模型截面圖如圖8所示。分別對三種情況下的管路噪聲進(jìn)行記錄分析，得到結(jié)果如圖9所示。如圖8所示工藝管在排氣管上的插入深度分別為3 mm、6 mm、8 mm。如圖9所示，工藝管插入深度較小時，對排氣管路的影響較小，雖有孔腔存在，但沒有異常音的產(chǎn)生。深度增加為6 mm時，頻譜較為平緩，無異常音的出現(xiàn)，但整體的噪音值有所升高。隨著深度尺寸的增加，對排氣管路內(nèi)的制冷劑流動造成了較大的影響，在頻率為4000 Hz左右位置出現(xiàn)了異常音，引起管路的噪聲異常。

圖8 不同工藝管插入深度模型示意圖

因此，在管路尺寸設(shè)計過程中，需要考慮制冷劑灌注過程需要的工藝管路的長度尺寸以及加工過程中工藝管與排氣管的配合長度尺寸。便于控制生產(chǎn)并消除后續(xù)因配合尺寸問題引起的噪聲。

圖9 不同管路長度頻域分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，基于相似理論，得到工藝管插入深度與排氣管路直徑的關(guān)系。在設(shè)計與生產(chǎn)過程中，需要將工藝管的插入深度控制在排氣管路直徑的0.3倍以內(nèi)，防止噪聲的產(chǎn)生。

4 總結(jié)

本文采用FLUENT對空調(diào)管路配合連接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流場計算與噪聲分析。先通過相同工況下的實(shí)驗測試數(shù)據(jù)與數(shù)值計算的結(jié)果進(jìn)行對比，分析兩者吻合。然后通過對插入深度為8 mm的工藝管路對排氣管路的流場影響，得到了在空調(diào)運(yùn)行過程中，工藝管形成的孔腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流場變化，表明其中包含多個渦流的存在。再次，對不同流速中的管路噪聲計算，得到在不同速度情況下，在不同頻率位置存在高低不同大小的噪聲值。因工藝管路插入深度較深，所計算的頻率中均有異常音的存在。最后，對管路插入深度的影響進(jìn)行了分析，分析表明，管路插入深度較小時，對排氣管路的影響較小，噪聲較低且無異常音的存在，隨著深度的增加，整體噪聲增大，且當(dāng)深度超過管路直徑一半的尺寸時，產(chǎn)生異常音。因此，在設(shè)計生產(chǎn)過程中，應(yīng)控制工藝管的插入深度在0.3倍的排氣管直徑內(nèi)容，防止孔腔噪聲的產(chǎn)生。