基于CFD技術(shù)的電飯煲噪聲及散熱優(yōu)化應(yīng)用研究

吳波

廣東美的制冷有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

隨著改革開放的不斷深入和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)成為全球最大的小家電生產(chǎn)國(guó)，全球超過一半的小家電都來自中國(guó)[1]，其中IH電磁加熱電飯煲作為廚房小家電中最為重要的產(chǎn)品之一，其能夠?qū)崿F(xiàn)大火力加熱，大幅減少煮飯時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)深受普通消費(fèi)者的青睞。但是IH電飯煲大功率加熱使其電子元器件發(fā)熱量上升，對(duì)電飯煲的冷卻散熱要求也越來越高?，F(xiàn)有市面上IH電磁加熱電飯煲的冷卻散熱模塊主要是由小型軸流風(fēng)扇及鋁擠散熱片組成，大功率加熱會(huì)使電子元器件IGBT和橋堆溫升惡化，所需要的冷卻風(fēng)量逐步提升，隨之風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速及噪聲也越來越高，因此關(guān)注IH電飯煲噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，降低和控制氣動(dòng)噪聲對(duì)提升電飯煲產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力及降低產(chǎn)品噪聲投訴率有重要意義。

IH電飯煲的噪聲主要有三大來源：（1）氣動(dòng)噪聲（包括旋轉(zhuǎn)噪聲、湍流噪聲）；（2）電磁噪聲（電磁加熱噪聲）；（3）米水氣泡沸騰噪聲（氣泡破裂聲）。其中在電飯煲內(nèi)的水未沸騰前，其主要的噪聲為氣動(dòng)噪聲和電磁噪聲，其中氣動(dòng)噪聲為總噪聲的主要貢獻(xiàn)源。IH電飯煲的氣動(dòng)噪聲主要是由旋轉(zhuǎn)噪聲及湍流噪聲組成，旋轉(zhuǎn)噪聲主要是由風(fēng)扇周期性拍打周圍空氣所產(chǎn)生的，湍流噪聲主要是風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的寬頻噪聲。

很多學(xué)者采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合的方法來分析家電產(chǎn)品的噪聲問題。游斌等通過對(duì)軸流風(fēng)輪葉片尾緣進(jìn)行凹陷設(shè)計(jì)，降低葉片旋轉(zhuǎn)頻率峰值噪聲[2]；尹曉英等利用數(shù)值模擬獲得原模型風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)特性和氣動(dòng)噪聲特性，對(duì)原風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，降低其氣動(dòng)噪聲[3]；錢紅玉等研究了不同葉片形狀和葉頂間隙對(duì)小型軸流風(fēng)扇氣動(dòng)性能和內(nèi)部流程的影響情況[4]。上述學(xué)者通過數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)風(fēng)葉降噪設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及不同葉型等手段來改善產(chǎn)品的氣動(dòng)噪聲，本文從IH電飯煲的冷卻散熱模塊著手分析，以降噪為首要研究目標(biāo)，對(duì)電飯煲進(jìn)氣格柵、軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣面與風(fēng)扇的距離等影響因素進(jìn)行分析，在保證電飯煲關(guān)鍵電子元器件的散熱性能不惡化的前提下，利用CFD流場(chǎng)及聲場(chǎng)耦合仿真模擬并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，來探索一套軸流風(fēng)扇降噪設(shè)計(jì)的研究方法。

1 仿真模型及設(shè)置介紹

1.1 仿真模型介紹

本文所涉及的電飯煲冷卻系統(tǒng)如圖1所示，由于電飯煲工作過程中的主要噪聲來源于冷卻系統(tǒng)中軸流風(fēng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)所帶來的噪聲，因此研究的主要對(duì)象為電飯煲的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件，其主要包括軸流風(fēng)機(jī)、電飯煲底座及風(fēng)扇支架，其中冷卻系統(tǒng)主要為電飯煲電路板上發(fā)熱元器件進(jìn)行散熱。

圖1 電飯煲冷卻系統(tǒng)部件示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型及算法

電飯煲內(nèi)部流體流動(dòng)受物理守恒定律支配，基礎(chǔ)的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律[5]。通過求解電飯煲內(nèi)部流體流動(dòng)控制方程，可以獲得電飯煲內(nèi)部流場(chǎng)分布，對(duì)流道不合理設(shè)計(jì)處進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

流體的質(zhì)量控制方程：

流體的動(dòng)量守恒方程：

流體的能量守恒方程：

Fluent軟件是當(dāng)今世界CFD仿真領(lǐng)域最為全面的軟件包之一，具有廣泛的物理模型，以及能夠快速準(zhǔn)確地得到CFD分析結(jié)果。采用Fluent對(duì)所研究的問題進(jìn)行仿真計(jì)算，采用的是雷諾時(shí)均湍流數(shù)值模擬方法（Reynolds averaged navier-stokes, RANS），該方法對(duì)非穩(wěn)態(tài)的質(zhì)量、動(dòng)量和能量輸運(yùn)方程進(jìn)行時(shí)間平均，得到一組關(guān)于時(shí)均物理量的控制方程，對(duì)不可壓縮流體的控制方程進(jìn)行雷諾時(shí)均運(yùn)算，可得：

Fluent計(jì)算軟件是基于有限體積法進(jìn)行數(shù)值離散求解，其中湍流模型采用的是RNG k-ε湍流模型，求解方法采用的是SIMPLEC算法，相比于SIMPLE算法加快了收斂速度，針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)問題，本文采用的是Fluent中提供的多重參考系（MRF）模型[6]，氣動(dòng)噪聲計(jì)算采用的是寬頻噪聲模型（Broadband）[7]。

1.3 有限元模型建立

針對(duì)電飯煲冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的幾何處理及網(wǎng)格生產(chǎn)過程中進(jìn)氣格柵和軸流風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)都保存完整，如圖2所示，其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 電飯煲原始進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電飯煲原始進(jìn)氣格柵網(wǎng)格示意圖

1.4 數(shù)值計(jì)算模型驗(yàn)證

搭建的風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)試平臺(tái)如圖4所示，該平臺(tái)用于小型軸流及離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)試，通過將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與最終仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，確保數(shù)值仿真計(jì)算得出的仿真值能夠用于后期產(chǎn)品的開發(fā)及產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1所示。

圖4 風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)試平臺(tái)

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2 冷卻系統(tǒng)噪聲預(yù)測(cè)及優(yōu)化

2.1 流體仿真計(jì)算與噪聲預(yù)測(cè)分析

電飯煲噪聲改善的關(guān)鍵部件是軸流風(fēng)扇和進(jìn)氣格柵的匹配，對(duì)冷卻模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以改善電飯煲整機(jī)溫升，在保證整機(jī)溫升性能不惡化的情況下，適當(dāng)?shù)慕档洼S流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，可以獲得較大的噪聲改善。目前行業(yè)內(nèi)冷卻模塊的設(shè)計(jì)主要是依靠結(jié)構(gòu)工程師的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，該類經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)并未考慮到流體在電飯煲內(nèi)部流動(dòng)行為以及進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)進(jìn)氣效率等問題，當(dāng)遇到溫升超標(biāo)問題只能通過提高風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行整機(jī)溫升測(cè)試，而提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致整機(jī)風(fēng)噪大幅度提高，引起消費(fèi)者投訴。通過CFD仿真技術(shù)對(duì)電飯煲冷卻模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲取電飯煲冷卻模塊的流體流場(chǎng)分布，了解冷卻模塊的流動(dòng)狀況，并對(duì)現(xiàn)有流場(chǎng)下流動(dòng)不合理的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高電飯煲冷卻模塊的空氣的進(jìn)氣效率，在相同轉(zhuǎn)速下電飯煲整機(jī)溫升獲得較大的降低，從而實(shí)現(xiàn)在與原始產(chǎn)品相同的溫升條件下，通過降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來達(dá)到大幅度降噪的目的。

首先對(duì)電飯煲原始結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊進(jìn)行流場(chǎng)分析，原始結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊在Z=0截面處的流場(chǎng)及速度矢量分布如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)軸流風(fēng)扇進(jìn)氣區(qū)域存在較大的渦流，大的漩渦直接影響冷卻模塊進(jìn)氣效率及流動(dòng)穩(wěn)定性，所帶來的影響是造成葉輪旋轉(zhuǎn)過程中風(fēng)噪偏高，原始結(jié)構(gòu)下的Z=0和X=0截面處的噪聲分布如圖6所示，從圖中可以看出，冷卻模塊的噪聲源主要來自旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)噪聲以及進(jìn)氣格柵處氣流周期性漲縮作用下產(chǎn)生的噪聲。

圖5 Z=0截面處冷卻模塊的速度及速度矢量分布圖（原始結(jié)構(gòu)）

圖6 Z=0和X=0截面處冷卻模塊的噪聲分布圖（原始結(jié)構(gòu)）

針對(duì)原始冷卻模塊結(jié)構(gòu)的有框風(fēng)扇、方形進(jìn)氣格柵進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了如圖7所示的無框軸流風(fēng)扇裝配方式以及傾斜圓形進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊在Z=0截面處的流場(chǎng)及速度矢量分布如圖8所示，相比于原始結(jié)構(gòu)冷卻模塊，最大風(fēng)速由原來的5.3 m/s提高至8.3 m/s，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的Z=0和X=0截面處的噪聲分布如圖9所示，冷卻模塊的噪聲源最大值由原始結(jié)構(gòu)下的50.7 dB(A)降低至優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的49 dB(A)，在傾斜圓形進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)下，進(jìn)氣格柵處的冷卻空氣來流發(fā)展更為充分，冷卻模塊的進(jìn)氣效率得到較大的提升。

圖7 電飯煲優(yōu)化進(jìn)氣格柵及無框風(fēng)扇冷卻模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 Z=0截面處冷卻模塊的速度及速度矢量分布圖（優(yōu)化結(jié)構(gòu)）

圖9 Z=0和X=0截面處冷卻模塊的噪聲分布圖（優(yōu)化結(jié)構(gòu)）

2.2 冷卻模塊噪聲驗(yàn)證與分析

依據(jù)上述流體仿真計(jì)算的流場(chǎng)分布及噪聲分布云圖，冷卻模塊的優(yōu)化方案能夠在相同轉(zhuǎn)速下提高冷卻空氣的進(jìn)氣效率并且噪聲能夠獲得一定的改善，通過在半消音噪聲實(shí)驗(yàn)室中對(duì)原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊噪聲測(cè)試進(jìn)行分析，研究?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊的軸流風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)下頻率分布情況。

圖10為原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的噪聲頻譜對(duì)比圖，從圖中可以看出：優(yōu)化結(jié)構(gòu)在葉頻450 Hz及葉頻的2倍頻處的能量稍高于原始結(jié)構(gòu)，在葉頻3倍頻處的能量遠(yuǎn)小于原始結(jié)構(gòu)。圖11為優(yōu)化結(jié)構(gòu)和原始結(jié)構(gòu)冷卻模塊手板的噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的冷卻模塊噪聲相比于原始結(jié)構(gòu)下降1.35 dB(A)，其中出風(fēng)量（由風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓測(cè)試平臺(tái)測(cè)試所得）由原始結(jié)構(gòu)13.18 m3/h增加至17.93 m3/h，使得電飯煲整機(jī)的溫升獲得較大的改善。在滿足溫升余量充足的情況下可以為進(jìn)一步降低整機(jī)噪聲而降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到更為明顯的降噪效果。本文將軸流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速由3000 r/min調(diào)整下降至2800 r/min，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的電飯煲關(guān)鍵元器件的溫升保持與原始結(jié)構(gòu)下溫升一致，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的整機(jī)噪聲下降2.62 dB(A)，說明本文所提出來的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)通過改善來流進(jìn)氣效率，在保證溫升不惡化的情況下，降低軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)大幅度的降噪。

圖10 新方案對(duì)比基準(zhǔn)頻譜

圖10 原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的噪聲頻譜對(duì)比圖

圖11 原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的噪聲測(cè)試對(duì)比分析

3 結(jié)論

本文以計(jì)算流體力學(xué)（CFD）作為流體與噪聲分析工具，對(duì)電飯煲的冷卻模塊的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，針對(duì)底座進(jìn)氣格柵不合理的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，將方形進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)改為傾斜圓形進(jìn)氣格柵，有框風(fēng)扇改為無框風(fēng)扇，經(jīng)過手板打樣實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可顯著提升冷卻模塊的進(jìn)氣效率，提升進(jìn)風(fēng)量和出風(fēng)速度。

本文所設(shè)計(jì)的冷卻散熱模塊在軸流風(fēng)扇相同轉(zhuǎn)速下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的噪聲值改善1.35 dB(A)，此時(shí)的整機(jī)溫升有較大的改善；使優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的軸流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速適當(dāng)?shù)慕档?，在保證優(yōu)化結(jié)構(gòu)下整機(jī)溫升與原始結(jié)構(gòu)下的溫升保持一致時(shí)，風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲有明顯下降，通過保證整機(jī)溫升不變的情況下降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速達(dá)到降噪改善的目的，提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

本文通過對(duì)冷卻散熱模塊的裝配方式以及進(jìn)氣格柵的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，證明了CFD流體仿真計(jì)算可以應(yīng)用在小家電產(chǎn)品上進(jìn)行噪聲改善設(shè)計(jì)，值得在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前端進(jìn)行設(shè)計(jì)先行，后期作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)，縮短小家電產(chǎn)品的性能改進(jìn)周期，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。