家用空調(diào)的噪聲控制數(shù)值分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)

羅文君

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519000

1 家用空調(diào)噪聲源分析

家庭空調(diào)配置通常是一個(gè)室外單元和多個(gè)室內(nèi)單元。室外機(jī)組的主要工作部件有風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、板材殼體、油分離器、氣液分離器等制冷劑系統(tǒng)部件。室內(nèi)機(jī)組的主要工作部件為節(jié)流閥和電子膨脹閥。這些部件可能會(huì)產(chǎn)生不同類(lèi)型的噪聲，家庭空調(diào)噪聲的來(lái)源如圖1所示。

圖1 家用空調(diào)噪聲源

室內(nèi)外噪聲源的噪聲和板料殼體的振動(dòng)噪聲主要是低頻噪聲。電機(jī)電磁噪聲、壓縮機(jī)和制冷劑系統(tǒng)部件產(chǎn)生的噪聲通常以中頻噪聲和高頻噪聲為主。由于聲波的波長(zhǎng)長(zhǎng)，衍射能力強(qiáng)，低頻噪聲很難被完全阻擋，容易被用戶(hù)感知。此外，由于用戶(hù)對(duì)室內(nèi)單元噪聲的體驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，因此對(duì)室內(nèi)單元的噪聲控制尤為重要。其中最常見(jiàn)的噪聲問(wèn)題是電機(jī)電磁噪聲和液體流動(dòng)聲，需要重點(diǎn)研究。

2 家用空調(diào)的噪聲控制及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)措施

2.1 空調(diào)器配管系統(tǒng)振動(dòng)嗓聲分析

作為連接壓縮機(jī)的流動(dòng)管道，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，管道內(nèi)制冷劑的溫度和壓力不斷變化。空調(diào)管路通過(guò)固定點(diǎn)與壓縮機(jī)連接，可將振動(dòng)直接傳遞到機(jī)匣，引起整機(jī)振動(dòng)。因此，有必要對(duì)管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到減振降噪的目的。管道振動(dòng)的原因有：(1)機(jī)械振動(dòng)。空調(diào)管路通過(guò)固定點(diǎn)與壓縮機(jī)連接，壓縮機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)可直接傳遞到管路中，引起管路振動(dòng)。(2)氣流脈動(dòng)。在管道內(nèi)的制冷劑的流動(dòng)，當(dāng)流經(jīng)一個(gè)變量截面彎管、控制閥、瞬時(shí)變化的溫度，速度，和壓力造成，并生成一個(gè)激動(dòng)人心的力量，改變隨著時(shí)間的推移，造成管道系統(tǒng)的振動(dòng)。(3)共振。當(dāng)激勵(lì)頻率接近或乘以管道結(jié)構(gòu)固有頻率時(shí)，引起管道振動(dòng)；當(dāng)管道內(nèi)制冷劑氣柱的固有頻率接近或激勵(lì)力的頻率加倍時(shí)，就會(huì)引起氣柱。振動(dòng)作用于管道上，表現(xiàn)為管道的強(qiáng)烈振動(dòng)。管道損傷的常見(jiàn)形式是裂縫或裂縫的發(fā)生。造成這種現(xiàn)象的原因是管路的振動(dòng)、壓縮機(jī)振動(dòng)的傳遞以及管路中制冷劑的激勵(lì)。當(dāng)管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，壓縮機(jī)激振力的基頻值或倍增值接近整個(gè)管路系統(tǒng)的固有頻率值，落入諧振區(qū)域，引起管路系統(tǒng)諧振。

室外機(jī)組制冷壓縮機(jī)是系統(tǒng)噪聲的主要來(lái)源，因此在制冷壓縮機(jī)的排氣管內(nèi)增設(shè)阻力消聲器是降低噪聲的重要手段。膨脹消聲器由膨脹室和管接頭組成，通過(guò)截面的收縮和膨脹引起聲波反射或干涉的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)聲波反射的原理。不同的消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)具有不同的消聲頻率。因此，為了獲得更好的消聲效果，可以根據(jù)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的噪聲頻率選擇不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.2 空調(diào)器室內(nèi)機(jī)氣動(dòng)嗓聲分析

湍流是在自然界和工程實(shí)踐中普遍存在的，流體流動(dòng)的一種普遍狀態(tài)。當(dāng)流量非常大時(shí)，層被破壞，流線(xiàn)變得不順，形成更小的漩渦流，與相鄰的流層滑動(dòng)相混合，并且流體不規(guī)則地移動(dòng)并且與流管軸線(xiàn)垂直移動(dòng)。在方向上的亞速，此時(shí)流體的阻力增大，能量減小，并且流體的能量損耗增大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，流體力學(xué)被廣泛應(yīng)用。數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為解決流體和聲學(xué)問(wèn)題的主要研究方法，并為燃?xì)庠肼曨A(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。

在傳統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)中，湍流是基于NS方程來(lái)描述的。根據(jù)NS方程，湍流處理尺度不同。湍流的數(shù)值模擬方法可分為雷諾時(shí)間平均法、大規(guī)模模擬、直接數(shù)值模擬三大類(lèi)。

（1）雷諾時(shí)均方法。雷諾時(shí)間-平均方程的模擬理論作為流場(chǎng)平均變控制方程，稱(chēng)為湍流模式理論。鈷模型、k-ω模型SpaIart-AHmaras模型和RSM模型在軟件PLUENT屬于湍流模型理論。對(duì)于NS方程，假設(shè)脈動(dòng)量和時(shí)均量共同構(gòu)成湍流流場(chǎng)變量，得到雷諾時(shí)均NS方程；如果湍流雷諾應(yīng)力與湍流粘性系數(shù)成正比(雷諾應(yīng)力與應(yīng)變之間的比例系數(shù)的計(jì)算)。由于控制方程是統(tǒng)計(jì)平均的，該方法在計(jì)算過(guò)程中不需要計(jì)算每個(gè)尺度的湍流脈動(dòng)，只需要計(jì)算平均脈動(dòng)。因此，雷諾時(shí)間平均法有效地降低了空間和時(shí)間的分辨率，減少了計(jì)算量，提高了計(jì)算效率。然而，雷諾方程只能計(jì)算湍流的平均信息，與實(shí)際需要相差甚遠(yuǎn)，缺乏通用性。

（2）大渦模擬。大渦模擬是湍流渦流的空間平均。將大渦與小渦按一定的濾波函數(shù)分離，計(jì)算小渦的大渦并閉合。大渦模擬通過(guò)準(zhǔn)確求解一定尺度以上所有湍流尺度的運(yùn)動(dòng)，可以計(jì)算出許多RANS方法無(wú)法計(jì)算的非定常和非平衡過(guò)程中出現(xiàn)的準(zhǔn)有序結(jié)構(gòu)和大尺度效應(yīng)，解決了直接的數(shù)值模擬計(jì)算問(wèn)題。大渦模擬因其復(fù)雜的開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題而得到了廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)行大渦模擬時(shí)，對(duì)網(wǎng)格要求較高。

（3）直接數(shù)值模擬。直接數(shù)值模擬是求解湍流尺度網(wǎng)格中三維瞬態(tài)控制方程最基本的模擬方法。從理論上講，直接數(shù)值模擬可以獲得湍流流場(chǎng)的準(zhǔn)確、全面的信息，但在現(xiàn)實(shí)中，由于直接仿真需要解決的結(jié)構(gòu)和變異漩渦在所有空間尺度和時(shí)間尺度漩渦，網(wǎng)格的數(shù)量(約為9/4的雷諾數(shù))和時(shí)間步長(zhǎng)(超過(guò)105集成步驟)要求，這個(gè)小空間的計(jì)算機(jī)很難計(jì)算和大時(shí)間步長(zhǎng)。由于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的局限性，直接數(shù)值模擬方法只能用于研究低雷諾數(shù)流體機(jī)理，難以應(yīng)用于實(shí)際工程研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)居住環(huán)境的要求也在不斷提高，生活環(huán)境需要適宜的溫度和濕度，日?；顒?dòng)不需要噪音。因此，有必要采取合理有效的空調(diào)噪聲控制方法，確保有效降低噪聲，甚至避免噪聲。