基于ANSYS仿真分析的壁掛式空調(diào)器排水管結(jié)構(gòu)研究

劉慧 周文偉

珠海格力電器股份有限公司家用空調(diào)技術(shù)開(kāi)發(fā)部 廣東珠海 519070

1 引言

目前，普通家庭中使用較多的是壁掛式空調(diào)器。但在此類(lèi)空調(diào)器自身的運(yùn)行過(guò)程中（特別是制冷或除濕工作模式），一旦蒸發(fā)器表面的溫度低于空氣露點(diǎn)溫度，空氣中的水蒸氣就會(huì)在蒸發(fā)器表面產(chǎn)生凝露水，這些凝露水會(huì)通過(guò)空調(diào)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)件已設(shè)計(jì)的水道再經(jīng)過(guò)排水管排出室外，因此空調(diào)器排水管結(jié)構(gòu)的可靠性就顯得至關(guān)重要。

為進(jìn)一步的分析優(yōu)化空調(diào)器室內(nèi)機(jī)排水管結(jié)構(gòu)，本文主要從ANSYS WorkBench結(jié)構(gòu)靜力和Fluent分析出發(fā)，對(duì)比幾種不同的排水管結(jié)構(gòu)，從而選取一種最優(yōu)的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 排水管漏水原因

引起空調(diào)器室內(nèi)機(jī)漏水的原因有很多，排水管漏水就是其中之一。壁掛式空調(diào)器排水管漏水主要有7個(gè)原因。

（1）保溫排水管臟堵：主要指用戶長(zhǎng)期不清洗空調(diào)器，長(zhǎng)期積累后，較多的雜物或者體積較大的異物進(jìn)入排水管通道內(nèi)，造成排水管排水不通暢引發(fā)漏水問(wèn)題；

（2）保溫排水管老化：主要指排水管材料問(wèn)題，排水管材料選取不合理，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，排水管出現(xiàn)老化的現(xiàn)象；

（3）保溫排水管開(kāi)裂：主要指本身的強(qiáng)度不足，在長(zhǎng)期使用的條件下出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象；

（4）保溫排水管變形：主要指售后安裝時(shí)走管扭曲變形，引起排水不通暢；

（5）吹塑排水管臟堵：主要指長(zhǎng)期積累的雜物或者體積較大的異物進(jìn)入排水管管道內(nèi)部，造成其排水不通暢；

（6）吹塑排水管老化：與上述保溫排水管老化情況基本相同；

（7）吹塑排水管開(kāi)裂：與上述保溫排水管老化情況基本相同。

3 排水管結(jié)構(gòu)

壁掛式空調(diào)器排水管材料一般選用EVA或改制PE，只有EVA中醋酸乙烯的含量低于20%時(shí)，才能作為塑料使用。與EVA相比，PE在彈性、柔性、光澤性、透氣性等性能方面均有改善，同時(shí)其應(yīng)力開(kāi)裂性也得到提高。本文中的排水管結(jié)構(gòu)均指在材料相同的條件下進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)構(gòu)對(duì)比主要指在排水管長(zhǎng)度、外徑一致的情況下，環(huán)繞排水管外層的筋條形狀不同，如圖1、圖2、圖3所示。

本文所述的排水管結(jié)構(gòu)主要指矩形齒筋條、半圓形筋條和螺旋形筋條。在筋條形式相同的情況下，筋條高度及列距可以不同，具體則需根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及理論分析結(jié)果，綜合選取某一種具體結(jié)構(gòu)使用。

4 排水管ANSYS WorkBench靜力分析

靜力分析主要指構(gòu)件的強(qiáng)度以及剛度。其中：剛度即指在載荷的作用下，構(gòu)件抵抗變形的能力；強(qiáng)度即指在載荷的作用下，構(gòu)件抵抗破壞的能力。本文中排水管的靜力分析主要集中于分析不同結(jié)構(gòu)排水管的剛度以及彎曲強(qiáng)度，本文中選取如表1中所示的排水管結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS仿真分析。

排水管1與排水管2僅外形筋條形狀不同，排水管1為矩形齒筋條，排水管2為螺旋形筋條，排水管2與排水管3筋條形狀相同，但筋條高度不同。3種排水管的材料均為EVA，EVA材料的拉伸強(qiáng)度為4.5Mpa，彈性模量為90Mpa，泊松比為0.1。

剛度主要是分析每個(gè)排水管的徑向擠壓受力情況，本文中的分析施加條件為在排水管徑向方向上分別施加0.5mm的位移量，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式的排水管所需力F的大小，力F越大則說(shuō)明排水管剛度越好。

彎曲強(qiáng)度主要指分析排水管一端固定不動(dòng)，另外一端施加一定的彎曲角度變形，以此來(lái)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式的排水管所產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力的大小，產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力越大，則說(shuō)明此種結(jié)構(gòu)的排水越容易出現(xiàn)開(kāi)裂的情況，即結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越差。

4.1 矩形齒排水管1結(jié)構(gòu)ANSYS靜力分析結(jié)果

矩形齒排水管1結(jié)構(gòu)的徑向剛度分析結(jié)果如圖4所示，排水管1在徑向發(fā)生0.5mm位移量的情況下所需的力F1大小為10.5N。彎曲強(qiáng)度分析結(jié)果如圖5所示，排水管1在一端固定，另外一端彎曲10°時(shí)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為0.37Mpa。

4.2 螺旋形排水管2結(jié)構(gòu)ANSYS靜力分析結(jié)果

螺旋形排水管2結(jié)構(gòu)的徑向剛度分析結(jié)果如圖6所示，排水管2在徑向發(fā)生0.5mm位移量的情況下所需的力F1大小為10.1N。彎曲強(qiáng)度分析結(jié)果如圖7所示，排水管2在一端固定，另外一端彎曲10°時(shí)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為0.42Mpa。

圖1 矩形齒排水管

圖2 半圓形筋條排水管

圖3 螺旋形排水管

圖4 徑向剛度分析

圖5 彎曲強(qiáng)度分析

圖7 彎曲強(qiáng)度分析

圖6 徑向剛度分析

圖8 徑向剛度分析

表1 排水管結(jié)構(gòu)區(qū)分表

表2 ANSYS靜力分析結(jié)果

4.3 加高螺旋形排水管3結(jié)構(gòu)ANSYS靜力分析結(jié)果

加高螺旋形排水管3結(jié)構(gòu)的徑向剛度分析結(jié)果如圖8所示，排水管3在徑向發(fā)生0.5mm位移量的情況下所需的力F1大小為18.9N。彎曲強(qiáng)度分析結(jié)果如圖9所示，排水管3在一端固定，另外一端彎曲10°時(shí)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力為0.3Mpa。

4.4 不同排水管結(jié)構(gòu)ANSYS靜力分析結(jié)論

不同結(jié)構(gòu)的排水管ANSYS靜力分析對(duì)比結(jié)果如表2所示，加高螺旋形排水管3結(jié)構(gòu)的徑向剛度和彎曲強(qiáng)度都是最優(yōu)的，因此在設(shè)計(jì)空調(diào)器排水管結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選取加高螺旋形排水管3的結(jié)構(gòu)。

5 排水管Fluent分析

Fluent分析則主要指流體分析，流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，只要研究流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及流體和固體界壁間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互作用和流動(dòng)的規(guī)律。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是一種由計(jì)算機(jī)模擬流體流動(dòng)、傳熱及相關(guān)傳遞現(xiàn)象的系統(tǒng)分析方法和工具。

本文中的Fluent分析主要指對(duì)表1中的排水管結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體仿真分析，此次分析選擇的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-w模型，單位全部設(shè)置為國(guó)標(biāo)，介質(zhì)為水。在Fluent正式仿真之前借助其他仿真工具對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，待網(wǎng)格質(zhì)量可以接受時(shí)（網(wǎng)格質(zhì)量可以直接用相應(yīng)的軟件檢查，一般數(shù)值需在0.8以上）再把劃分網(wǎng)格之后的模型導(dǎo)入到Fluent中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，開(kāi)啟Fluent仿真計(jì)算。

在劃分網(wǎng)格的模型導(dǎo)入Fluent之前，還需設(shè)置流體入口、流體出口、流體入口檢測(cè)面以及流體出口檢測(cè)面，此后再在Fluent中進(jìn)行相關(guān)選擇設(shè)置，待所有設(shè)置完成后正式開(kāi)啟分析計(jì)算。

本文中所有的Fluent分析均是按照上述方法進(jìn)行，以加高螺旋形排水管3為例進(jìn)行仿真分析說(shuō)明，最初給定的流速v為2.5m/s。

圖9 彎曲強(qiáng)度分析

圖11 壓強(qiáng)云圖C=P+1/2pv?v+G

圖10 流速云圖

圖12 兩檢測(cè)面壓強(qiáng)差圖

管3流速云圖以及壓強(qiáng)云圖如圖10、圖11所示。圖10中中心區(qū)域的流速最大，往外依次遞減，圖11中，中心區(qū)域的壓強(qiáng)最小，往外依次遞增，此規(guī)律的變化可以通過(guò)伯努利方程C=P+1/2pv?v+G[1]來(lái)解釋說(shuō)明，其中，P代表某一點(diǎn)的壓力勢(shì)能，G代表此點(diǎn)的位置勢(shì)能，中間項(xiàng)代表動(dòng)能。在理想情況下，此三者之和等于一常量，也即總機(jī)械能為一常數(shù)。

圖12為排水管兩個(gè)檢測(cè)面的壓強(qiáng)差示意圖，由上述伯努利方程[1]可知，兩個(gè)檢測(cè)面的壓強(qiáng)差越大，流速降低的越快，即排水管內(nèi)的阻力越大。根據(jù)以上分析方法同樣可以計(jì)算排水管1、排水管2的流速變化狀況，此處簡(jiǎn)略。

6 結(jié)論

空調(diào)器室內(nèi)機(jī)排水管是空調(diào)器的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，稍有疏忽，就可能會(huì)出現(xiàn)漏水的情況，甚至引起售后投訴，因此，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要加強(qiáng)排水管各方面的分析，爭(zhēng)取將空調(diào)器排水管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到最優(yōu)。