某移動(dòng)空調(diào)貫流風(fēng)道異響問(wèn)題分析與改進(jìn)

馬列 林健輝

廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

貫流風(fēng)輪具有運(yùn)轉(zhuǎn)氣流平穩(wěn)、噪聲低的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)空調(diào)、窗機(jī)以及分體內(nèi)機(jī)中，隨著行業(yè)的發(fā)展，空調(diào)品質(zhì)已經(jīng)不能僅取決于制冷、制熱能力。噪聲值和聲品質(zhì)已然成為用戶挑選空調(diào)的重要因素。

貫流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲主要有旋轉(zhuǎn)噪聲和湍流噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲的特點(diǎn)是頻率離散，當(dāng)工作葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪產(chǎn)生的氣流周期性的作用于渦殼壁面，這種周期性的脈動(dòng)產(chǎn)生的噪聲稱為旋轉(zhuǎn)噪聲，與葉輪的葉片數(shù)以及轉(zhuǎn)速正相關(guān)。湍流噪聲的特點(diǎn)是頻率較寬，為連續(xù)頻譜噪聲。

上世紀(jì)50年代，B.Eck[1]提出橫流風(fēng)機(jī)并認(rèn)為貫流風(fēng)道的偏心渦的位置以及偏心渦流區(qū)的大小是貫流風(fēng)道噪聲重要的影響因素。俞大邦[2]通過(guò)理論計(jì)算對(duì)貫流風(fēng)道的機(jī)理進(jìn)行了分析。楊波[3]通過(guò)對(duì)不同工況下的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析，解釋了偏心渦的產(chǎn)生以及脫落渦的形成位置。近些年，CFD隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展迅速在國(guó)內(nèi)興起，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)貫流風(fēng)道的偏心渦機(jī)理、貫流風(fēng)道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)[4-6]、貫流風(fēng)道的噪聲解決方案等[7-8]相關(guān)研究也日益深入。

本文基于某款外銷移動(dòng)空調(diào)上風(fēng)道試模件風(fēng)量低、噪聲大，且異音明顯的問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方式解決音質(zhì)和噪聲的問(wèn)題。

1 計(jì)算模型與方法

1.1 問(wèn)題描述

某款移動(dòng)空調(diào)貫流風(fēng)道系統(tǒng)有明顯的“呼哧呼哧”異聲，風(fēng)聲不穩(wěn)，手放在出風(fēng)口可以明顯感覺(jué)風(fēng)為一陣陣吹出來(lái)，異聲非常明顯。

檢查風(fēng)道系統(tǒng)，由于貫流風(fēng)道風(fēng)輪兩邊距離底盤端壁有間隙，間隙之間的空氣是不經(jīng)過(guò)風(fēng)輪的，這部分的空氣流動(dòng)無(wú)法控制，對(duì)于普通的分體內(nèi)機(jī)兩邊會(huì)專門設(shè)置凹槽，以對(duì)兩端流動(dòng)進(jìn)行控制，防止漩渦進(jìn)入主流道，干擾主流，增大湍流噪聲。由于移動(dòng)空調(diào)設(shè)置凹槽不易開模，故采用手板的方式在附近設(shè)置擋塊，消除異聲，但測(cè)試風(fēng)量?jī)H為360 m3/h，低于性能所要求390 m3/h。

1.2 問(wèn)題分析

貫流風(fēng)輪對(duì)貫流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與流動(dòng)的影響很大，從貫流風(fēng)機(jī)誕生初始采用的等距分布直葉輪，到目前分體機(jī)上廣泛使用的不等距風(fēng)輪、斜風(fēng)輪，貫流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能一步步得到改善，已有文獻(xiàn)[5]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)斜風(fēng)輪、不等距風(fēng)輪的氣動(dòng)噪聲改善機(jī)理作出分析。本文研究所采用的是不等距直葉輪，由于斜葉輪生產(chǎn)效率較低，采購(gòu)成本較高，沒(méi)有特殊要求，暫不進(jìn)行研究。

蝸殼與風(fēng)輪的間隙及渦舌與風(fēng)輪的間隙均對(duì)貫流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、噪聲具有較大影響，通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)[2-3]以及研究表明，渦舌間隙增大會(huì)導(dǎo)致偏心渦回流區(qū)增大，流通面積降低，流量減小。而減小渦舌間隙會(huì)增大渦舌表面的壓力脈動(dòng)，對(duì)風(fēng)量、風(fēng)壓以及風(fēng)機(jī)效率都有影響，渦舌間隙一般會(huì)有一個(gè)最佳值。

在風(fēng)道曲線與間隙基本合理的情況下，改善貫流的偏心渦應(yīng)該是解決問(wèn)題所要尋求的方向。偏心渦具有以下特點(diǎn)，即貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部的偏心渦大，則說(shuō)明卷吸區(qū)域增大，偏心渦卷吸作用很強(qiáng)，通流面積減小，這樣對(duì)貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)量噪聲不利；在軸向的其他區(qū)域，對(duì)于貫流風(fēng)道直葉輪，偏心渦的徑向位置幾乎不變，因此我們可以將三維風(fēng)道轉(zhuǎn)化為選取中間的2D截面對(duì)風(fēng)道進(jìn)行簡(jiǎn)化。

綜合以上貫流風(fēng)機(jī)原理及對(duì)本問(wèn)題的分析，探尋解決該問(wèn)題思路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)偏心渦的改善。該產(chǎn)品還存在一個(gè)不同于一般貫流風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，即使用直徑120 mm風(fēng)輪，轉(zhuǎn)速高達(dá)1320 r/min。一般的貫流風(fēng)機(jī)，若采用直徑120 mm的大直徑貫流風(fēng)輪，轉(zhuǎn)速一般都比較低。產(chǎn)品的大直徑、高轉(zhuǎn)速意味著風(fēng)輪圓周具有較大的切向速度，而風(fēng)輪兩側(cè)不受控制的漩渦對(duì)主流會(huì)有更強(qiáng)的干擾性，主流的湍流度如能降低會(huì)對(duì)貫流風(fēng)機(jī)整體的性能產(chǎn)生良好的作用。

1.3 問(wèn)題優(yōu)化方案

改模方案如圖1所示，改模方案修改了蝸殼型線，以圖中所示風(fēng)輪中心74°為分界點(diǎn)，右邊的曲線由新的曲線代替。

圖1 試驗(yàn)?zāi)：透哪７桨革L(fēng)道曲線對(duì)比

2 計(jì)算模型與方法

2.1 物理模型

本文研究的貫流風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖2所示。模型采用2D分析方法進(jìn)行，幾何建模取貫流風(fēng)輪3D三維實(shí)體中心，并進(jìn)行簡(jiǎn)化，翅片在建模型中被簡(jiǎn)化掉，蒸發(fā)器及系統(tǒng)的壓力采用設(shè)定背壓20 Pa代替。

圖2 原方案風(fēng)道曲線

2.2 網(wǎng)格劃分

按照貫流風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立以轉(zhuǎn)子、流道及邊界的動(dòng)、靜和邊界三層網(wǎng)格，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格生成采用gambit2.3.16版本，如圖3所示。對(duì)試模件方案，計(jì)算動(dòng)區(qū)域劃分網(wǎng)格單元為39073個(gè)，靜區(qū)域劃分網(wǎng)格單元為136659；對(duì)于改模方案，計(jì)算動(dòng)區(qū)域劃分網(wǎng)格單元為41229個(gè)，靜區(qū)域劃分網(wǎng)格單元為119359。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

利用fluent6.3.26計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，進(jìn)行2-D-simple方法求解，采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型，壁面附近處理標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，收斂條件：連續(xù)性0.001；X，Y，方向速度，K，0.001；Epsilon，0.001。

2.3 仿真模型驗(yàn)證

由表1可以看出，CFD模擬風(fēng)量值與實(shí)驗(yàn)值比較接近，誤差值為4%以內(nèi)，因此可以認(rèn)為本文的計(jì)算方法和湍流模型是準(zhǔn)確的。

表1 實(shí)驗(yàn)風(fēng)量值與CFD計(jì)算風(fēng)量值的對(duì)比

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用上述方法通過(guò)對(duì)圖1兩種方案進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比結(jié)果可由圖4～圖6所示的跡線圖、速度云圖、湍流等值線圖明顯看出兩者的內(nèi)流改善，主要看蝸殼的位置大小，湍流強(qiáng)度的比較。兩者的差別主要體現(xiàn)在：（1）偏心渦核的位置發(fā)生了改變，偏心渦核朝靠近渦舌的方向移動(dòng)了半個(gè)葉片的距離，此點(diǎn)非常明顯，這樣偏心渦卷吸區(qū)域向上部偏移，增大了貫流風(fēng)輪通流面積。卷吸區(qū)向一邊偏移，意味著貫流高速區(qū)域向遠(yuǎn)離蝸殼方向移動(dòng)，有利于降低葉輪出口湍流噪聲，這點(diǎn)在第二點(diǎn)中可以得以體現(xiàn)。（2）從圖6湍流圖可以看出，改模后湍流峰值由25.79647 m2/s2下降到21.02053 m2/s2，湍流強(qiáng)度整體上得到改善。

圖4 跡線圖

圖6 湍流強(qiáng)度圖

通過(guò)表2所示的原方案與改進(jìn)方案對(duì)比表明，經(jīng)過(guò)風(fēng)道型線的調(diào)整，風(fēng)道噪聲值降低了0.7 dB(A)并且解決了風(fēng)道異響問(wèn)題。

表2 原方案與改進(jìn)方案噪聲值對(duì)比

圖5 速度云圖

3 結(jié)論

本文以移動(dòng)空調(diào)的貫流風(fēng)道為研究對(duì)象，采用調(diào)整風(fēng)道曲線的改型設(shè)計(jì)，對(duì)多種型線方案進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究了風(fēng)道曲線對(duì)貫流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)特性以及噪聲的影響，獲得了以下主要結(jié)論：

（1）對(duì)于風(fēng)機(jī)的提風(fēng)量、降噪聲的問(wèn)題，到目前的研究階段，雖然很多流動(dòng)理論還存在不確定性，但思路都很清晰：即改善內(nèi)流，減少或消除漩渦，降低旋轉(zhuǎn)噪聲，消弱葉片尾跡的影響，對(duì)于貫流風(fēng)機(jī)則還要注意如何控制好偏心渦的分布等等，這些都是獲得大風(fēng)量低噪聲的關(guān)鍵。但在實(shí)際的操作過(guò)程中，由于開發(fā)進(jìn)度的要求，需要在短時(shí)間內(nèi)對(duì)問(wèn)題提出解決方案，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，除了正確的理論方向，還需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)問(wèn)題作出準(zhǔn)確判斷。

（2）貫流風(fēng)機(jī)流動(dòng)復(fù)雜，整個(gè)流道涉及多個(gè)因素，蝸殼型線不宜隨意修改。

（3）從此機(jī)型的內(nèi)流場(chǎng)來(lái)看，來(lái)流仍有改善余地，偏心渦的控制可以進(jìn)一步改善。限于已經(jīng)是試模件，改模需要更多的時(shí)間與費(fèi)用，而且改動(dòng)太大，還可能涉及其他結(jié)構(gòu)件的進(jìn)一步修改，故在可以解決問(wèn)題的情況下，提供最簡(jiǎn)單快捷的改模方案。