空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性的仿真模擬研究

張 潔

(1.安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000；2.安徽淮北煤電技師學(xué)院，安徽 淮北 235000)

0 引言

隨著空調(diào)與通風(fēng)設(shè)備的普及，人們對(duì)室外機(jī)降噪需求變得越來越高，也是影響空調(diào)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)與性能優(yōu)異的重要因素[1]?？照{(diào)室外機(jī)氣動(dòng)性能的提高和噪聲的降低與其內(nèi)部流動(dòng)緊密相關(guān)[2]。為了更好的分析室外機(jī)不同流動(dòng)現(xiàn)象對(duì)室外機(jī)噪聲影響，人們嘗試了不同的噪聲預(yù)測方法來預(yù)測室外機(jī)輻射噪聲。其中，使用CFD(計(jì)算流體力學(xué))方法對(duì)空調(diào)室外機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，在一定程度上取代實(shí)物試驗(yàn)，省時(shí)高效，更易實(shí)現(xiàn)空調(diào)室外機(jī)降噪[3]。龐豐通過優(yōu)化空調(diào)室外機(jī)的導(dǎo)風(fēng)圈結(jié)構(gòu)在同風(fēng)量下噪音可下降0.5-1dB[4]。仲惟燕等人建立其三維全流場空調(diào)室外機(jī)整機(jī)模型和內(nèi)部穩(wěn)態(tài)流場，揭示了空調(diào)外機(jī)流場的基本特征與降噪?yún)⒖家罁?jù)[5]。在國外對(duì)于空調(diào)降噪的研究主要集中在軸流風(fēng)機(jī)的研究。Gulhane N等人采用k-ε片區(qū)湍流模型和FW-H聲學(xué)模型對(duì)風(fēng)扇葉片表面產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行三維預(yù)測，優(yōu)化葉片角度、葉片深度、葉片寬度和葉片尾緣的鋸齒度，達(dá)到不同工況降噪的效果[6]。Park SM等人利用有限體積計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)分體式空調(diào)軸向冷卻風(fēng)機(jī)整個(gè)室外機(jī)組進(jìn)口半徑、頸長、出口角三個(gè)幾何參數(shù)進(jìn)行了風(fēng)機(jī)孔板的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)測數(shù)據(jù)證實(shí)在運(yùn)行轉(zhuǎn)速下流量提高2.1%，降噪2.8 dBA，功耗降低4.0%[7]。Lim TG等人利用簡化的Ffowcs Williams和Hawkings(FW-H)方程對(duì)對(duì)風(fēng)機(jī)的后掠翼和復(fù)蓋葉冠分析，發(fā)現(xiàn)室外機(jī)內(nèi)部的不對(duì)稱流動(dòng)特性以及葉頂和葉冠的形狀導(dǎo)致葉頂泄漏渦運(yùn)動(dòng)不一致，從而改變了流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的特性[8]。本文通過CFD軟件對(duì)空調(diào)室外機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，獲得室外機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性，為室外機(jī)的尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1幾何建模與數(shù)值模擬

1.1幾何建模

選擇頂吹式空調(diào)器的室外機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用三維PROE軟件分別對(duì)葉輪，集流器，電機(jī)，支架，散熱板及機(jī)身外殼等主要部分進(jìn)行建模，并最終組裝出一個(gè)裝配圖。圖1即為本次數(shù)值模擬的頂吹式空調(diào)室外機(jī)裝配示意圖。

圖1 頂吹式空調(diào)器的室外機(jī)裝配圖 圖2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

1.2數(shù)值模擬過程

本文采用基于有限容積法和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用CFD解算器的FLUENT商業(yè)軟件對(duì)空調(diào)室外機(jī)用軸流風(fēng)扇進(jìn)行了仿真模擬。模型通過ICEM劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行計(jì)算，利用Tecplot軟件進(jìn)行分析后處理。數(shù)值分析過程參數(shù)選擇分別為：力學(xué)方程(N-S方程)；湍流模型選取K-ε標(biāo)準(zhǔn)兩方程模型。由于外界風(fēng)對(duì)空調(diào)室外機(jī)出風(fēng)的影響與周圍建筑情況有關(guān)[10]，本文重點(diǎn)在于研究室外機(jī)局部的氣流組織，不考慮外界風(fēng)對(duì)空調(diào)室外機(jī)出風(fēng)的影響。

1.2.1流動(dòng)方程與湍流模型

流體力學(xué)的基本方程是在19世紀(jì)上半葉由C.-L.-M.-H.納維和G.G.斯托克斯等人建立的，稱為納維-斯托克斯方程，簡稱N-S方程。任意直角坐標(biāo)系下的N-S方程：

(1)

式中u、v為沿著x、y方向上的速度分量；t為時(shí)間；p為壓力；ρ為密度；ν為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。在不同條件下，N-S方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)也不一樣。

K-ε標(biāo)準(zhǔn)兩方程模型是通過湍動(dòng)能與動(dòng)能耗散情況的流動(dòng)方程模型。方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到，耗散率方程是通過物理推理，對(duì)于氣動(dòng)阻力與分子粘性上計(jì)算精度較差。但其性能相對(duì)于RNG K-ε和Realizable K-ε模型具有更高的收斂速度與計(jì)算效率[9]，符合本文的模型設(shè)計(jì)要求。通過k方程和ε方程進(jìn)行求解，方程通用形式為：

(2)

1.2.2計(jì)算網(wǎng)格

在ICEM軟件中建立幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分法對(duì)室外機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分：本文將計(jì)算域設(shè)定為一個(gè)5m×5m×4m的正六面體區(qū)域，根據(jù)氣體流動(dòng)的不同階段，將總區(qū)域分為2塊，包括室外機(jī)所在的一個(gè)長方體區(qū)域(Body2)，室外機(jī)上方氣體吹出的長方體區(qū)域(Body)，如圖2所示。

同時(shí)在模型內(nèi)四個(gè)封閉的區(qū)域劃分四個(gè)Body，LiveBox內(nèi)區(qū)域?yàn)锽ody3，換熱器內(nèi)部區(qū)域劃為Body4，機(jī)身外殼內(nèi)區(qū)域?yàn)锽ody5，最后，將葉輪轉(zhuǎn)軸內(nèi)部區(qū)域劃為Body6。各區(qū)域單元的網(wǎng)格數(shù)量如表1所示。

表1 網(wǎng)格數(shù)量

1.2.3設(shè)置邊界條件

邊界采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力邊界條件設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，風(fēng)扇選用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)速為n=780rpm，各個(gè)計(jì)算過程中數(shù)值達(dá)到10-5且風(fēng)扇出口流量不再變化時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。此外，本次求解采用的是多參考系方法即為MRF模型。邊界條件具體設(shè)置如下：設(shè)置Model：k-epsilon；Materials：Air；Cell Zone Condition：0×750×0；轉(zhuǎn)速：780rpm；設(shè)置邊界Type：Wall(固體壁面)；計(jì)算步數(shù)：2000。

2 不同截面的速度及壓力流場特性分析

2.1 計(jì)算域截面劃分

首先在整體計(jì)算域內(nèi)分別現(xiàn)從出口面開始截取三個(gè)平面P0、P1、P2和P3，如圖3所示，其中P1、P2、P3距離計(jì)算域地面(即P0，空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)機(jī)底部截面)的距離為0.3m，0.7m與2.0m。

圖3 各截面示意圖

2.2 計(jì)算域氣體流出空間內(nèi)流場分析

為分析氣體流出的流場特性，分析上面的速度與壓力數(shù)據(jù)，其結(jié)果如圖4、圖5所示。

從圖4看出，流場速度與壓力的較大值都是集中在葉輪，更確切的說實(shí)在葉尖附近。再通過對(duì)截面上速度與壓力的流場狀況分析，流場是呈現(xiàn)發(fā)射狀向四面擴(kuò)散，并且漸行漸弱。同時(shí)隨著離風(fēng)口處距離越遠(yuǎn)，氣體流速逐漸降低，壓力減小，對(duì)比壓力與速度，壓力的減小速度更快，在距離出口不到0.7m處，壓力基本為零。從圖5看出，在葉尖附近存在負(fù)壓區(qū)域，此稱為葉尖渦。葉尖渦產(chǎn)生于葉片前緣葉頂區(qū)域吸力面附近，隨著往流體下游的發(fā)展，葉尖渦逐漸減弱，漸漸與主流摻混趨于一致。

圖4 不同截面速度流場(a-d分別為：P0-P3)

2.3 LIVEBOX內(nèi)流場分析

通過LIVEBOX內(nèi)流場分析模塊，分別對(duì)葉片壓力面/吸力面壓力、下游速度/壓力、湍動(dòng)能以及渦量等特性進(jìn)行檢測分析。結(jié)果如圖6示。其中從圖6(a，b)可以看出風(fēng)機(jī)葉片壓力面和吸力面的靜態(tài)壓力分布情況，壓升主要集中在葉片的葉尖，從葉片邊緣到葉高呈逐漸減弱趨勢；而最強(qiáng)風(fēng)壓則位于靠近導(dǎo)風(fēng)罩的葉片后弦線處，達(dá)到15Pa和4Pa。圖6(c，d)分別為風(fēng)機(jī)葉片下游的速度和總壓分布情況。與靜態(tài)壓力分布類似流量和壓升從葉片的上部葉高區(qū)域往葉尖區(qū)域呈放射性增強(qiáng)趨勢，最大區(qū)域位于葉尖尾緣附近，風(fēng)速能達(dá)到12.8m/s。圖6(e)葉片下游湍動(dòng)能的分布顯示，由于葉尖渦與導(dǎo)風(fēng)罩的干涉作用，使得從葉片尾緣到1/3流道的葉頂區(qū)域存在較強(qiáng)湍動(dòng)能分布。圖6(f)顯示葉片下游渦量的分布，由于葉片出口尾緣渦脫落的存在以及葉頂區(qū)域的葉尖渦及其沿周向方向發(fā)展的影響，在葉片尾緣以及葉尖到流道中部的葉頂區(qū)域存在較大的渦量分布。

3 結(jié)論

近些年，軸流風(fēng)機(jī)在空調(diào)設(shè)備與通風(fēng)設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛，低噪音性能風(fēng)機(jī)逐漸成為了消費(fèi)者的日常需求。為此，本文通過CFD技術(shù)對(duì)通用型的室外軸流風(fēng)扇進(jìn)行建模與內(nèi)部流動(dòng)特性數(shù)值分析，得到如下結(jié)論：

(1)通過軸流風(fēng)扇不同位置截面上壓力、速度的流場特性分析：流場是呈現(xiàn)發(fā)射狀向四面擴(kuò)散，并且漸行漸弱；離風(fēng)口處距離越遠(yuǎn)，氣體流速逐漸降低，壓力減小；

(2)葉尖渦產(chǎn)生于風(fēng)扇葉片前緣葉頂區(qū)域吸力面附近，隨著往流體下游的發(fā)展，葉尖渦逐漸減弱；

(3)通過軸流風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)特性分析，發(fā)現(xiàn)在葉片流道內(nèi)部，從葉片吸力面到相鄰葉片的壓力面，主要的壓升和流量向葉片中部葉高移動(dòng)。

(4)葉片邊緣至1/3流道的葉頂區(qū)域具有最強(qiáng)的湍動(dòng)能，而葉尖到流道中部的葉頂區(qū)域存在最大的渦量分布。

此外，由于技術(shù)條件的原因未能對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)論證。同時(shí)，希望本文的研究工作能夠?yàn)殚_展葉輪流道內(nèi)各種渦系、二次流等的流譜結(jié)構(gòu)優(yōu)化和不同導(dǎo)風(fēng)罩形狀與葉尖渦流的關(guān)系研究提供一定的參考依據(jù)。