風(fēng)管機(jī)風(fēng)口部件導(dǎo)風(fēng)板優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

焦華超

（珠海格力電器有限公司 珠海 519070）

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平的提高，對(duì)家用空調(diào)的舒適性及美觀性的要求越來(lái)越高，尤其是近些年全國(guó)各地房地產(chǎn)價(jià)格持續(xù)攀升走高，在房市中“寸土寸金”的現(xiàn)象愈發(fā)凸顯，因此，暗藏式的家庭中央空調(diào)迎來(lái)了黃金的快速發(fā)展期，正在逐步吞噬著傳統(tǒng)掛機(jī)、柜機(jī)的市場(chǎng)份額，并成為空調(diào)市場(chǎng)的消費(fèi)熱點(diǎn)。風(fēng)管機(jī)是家庭中央空調(diào)中最受歡迎的產(chǎn)品形式之一，廣泛應(yīng)用于住宅、酒店、公寓等多種場(chǎng)所。由于風(fēng)管機(jī)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)安裝要求以及裝修設(shè)計(jì)匹配度有一定要求，存在一些安裝不規(guī)范的情況，會(huì)明顯導(dǎo)致制熱舒適性不佳的問(wèn)題。為解決風(fēng)管機(jī)制熱舒適性的問(wèn)題，針對(duì)性開(kāi)發(fā)專(zhuān)用型的風(fēng)口部件，對(duì)風(fēng)口部件導(dǎo)風(fēng)板各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究。

1 熱舒適性問(wèn)題分析

某地區(qū)售后反饋中央空調(diào)不制熱，經(jīng)調(diào)查分析，空調(diào)制熱運(yùn)行時(shí)出風(fēng)口溫度已經(jīng)達(dá)到50 ℃，天花板處溫度達(dá)到30 ℃以上，但人所在的地面1.8 m處溫度只有15 ℃，熱風(fēng)沒(méi)有吹下來(lái)。部分用戶(hù)還裝有燈槽，嚴(yán)重阻擋熱風(fēng)吹下來(lái)。傳統(tǒng)工程風(fēng)口空調(diào)制熱時(shí)容易在吊頂面產(chǎn)生熱聚集效應(yīng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，制熱溫度設(shè)定（28～30）℃的用戶(hù)為60 %，但56 %的室內(nèi)實(shí)際溫度低于20 ℃，冬季制熱舒適性溫度1.8 m處為（18～20）℃，如圖1所示。

圖1 制熱舒適性數(shù)據(jù)調(diào)查

2 氣流組織理論分析

在房間中，對(duì)人體熱舒適性影響的室內(nèi)機(jī)環(huán)境指標(biāo)非常多，其中，影響較為突出的并且與氣流組織密切相關(guān)的指標(biāo)有兩個(gè)：活動(dòng)區(qū)的平均溫度和風(fēng)速。而空調(diào)器運(yùn)行時(shí)影響上述兩個(gè)指標(biāo)的因素主要是送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度和送風(fēng)角度。射流中心軌跡能很好的作為研究舒適性的工具[2]。以3.5 kW 冷量的風(fēng)管內(nèi)機(jī)為例，對(duì)以上幾個(gè)影響因素進(jìn)行研究。

平面射流段的軸心速度：

圓射流段的軸心速度：

式中：

B—矩形孔口的半高度，平行于Z軸m；

A—矩形孔口的寬度，平行于Y軸m；

α—送風(fēng)角度，即射流中心線與豎直面之間的夾角；

c—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通常取0.082；

m—各種系數(shù)綜合值；

Vm—射流軸線上的速度m/s；

β—空氣速度在送風(fēng)口面積中的不均勻系數(shù)，絕對(duì)均勻時(shí)取1；

θ—射流溫差的修正系數(shù)。

3 導(dǎo)風(fēng)板參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)風(fēng)板葉寬設(shè)計(jì)

空調(diào)器在送風(fēng)過(guò)程中導(dǎo)風(fēng)板葉片寬度由于附壁效應(yīng)，對(duì)風(fēng)向的控制起著關(guān)鍵作用。

附壁效應(yīng)，是指射流貼附在固體的壁面上流動(dòng)的現(xiàn)象。如圖2所示，當(dāng)射流從噴射口E-E流出并進(jìn)入腔室之后，如果腔室的壁面AB和CD距離噴射口很近，并且端部距離噴射口的距離s1和s2不相等，假設(shè)s1＜s2，那么射流的兩側(cè)在相同時(shí)間內(nèi)收到卷吸作用影響的介質(zhì)質(zhì)量不相同，右側(cè)的質(zhì)量會(huì)大于左側(cè)。另外，因?yàn)樯淞魍ㄟ^(guò)邊界上的湍流摻混的作用導(dǎo)致傳遞到兩側(cè)的能量基本上是相同的，因此，噴射口右側(cè)的卷吸速度小，左側(cè)的卷吸速度大，從而導(dǎo)致左側(cè)壓力低，射流會(huì)向左側(cè)偏移。之后，左側(cè)的卷吸速度更大，壓力更低，那么，射流就繼續(xù)向左側(cè)偏移，最終完全貼附在避免上形成穩(wěn)定的流動(dòng)為止。只有當(dāng)射流兩側(cè)存在的壓力差滿(mǎn)足Δp＝p1-p2時(shí)，射流才會(huì)出現(xiàn)附壁現(xiàn)象。如果改變?chǔ)，就可以改變附壁的方向，稱(chēng)之為射流的切換。如果在腔室進(jìn)口的兩個(gè)變比上分別開(kāi)孔，持續(xù)向低壓側(cè)補(bǔ)充流體，那么當(dāng)控制壓力pc增加時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生切換射流。

圖2 附壁效應(yīng)

從以上理論分析中可以看出，導(dǎo)風(fēng)板的葉寬對(duì)送風(fēng)角度有著關(guān)鍵性的影響。

3.2 導(dǎo)風(fēng)板葉形設(shè)計(jì)

射流軸心軌跡：

式中：

ym—射流的軸心偏離水平線的距離；

α—射流出口軸線和水平線之間的夾角；

d0—送風(fēng)口的當(dāng)量直徑m。

因此，設(shè)計(jì)導(dǎo)風(fēng)板考慮減少風(fēng)阻，提高出風(fēng)速度，來(lái)提高送風(fēng)距離，使熱風(fēng)快速充斥整個(gè)房間。

3.3 導(dǎo)風(fēng)板導(dǎo)風(fēng)角度設(shè)計(jì)

根據(jù)射流軸心軌跡公式可知，不同的導(dǎo)風(fēng)角度影響送風(fēng)距離，適宜的導(dǎo)風(fēng)角度可以減少風(fēng)阻的同時(shí)使送風(fēng)距離更遠(yuǎn)[3]。

4 導(dǎo)風(fēng)板參數(shù)仿真與實(shí)驗(yàn)

風(fēng)管機(jī)風(fēng)口部件對(duì)于房間內(nèi)氣流組織起到重要作用，直接影響到用戶(hù)舒適性體驗(yàn)，而導(dǎo)風(fēng)板作為出風(fēng)氣流方向和角度的決定因素之一，其結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)是需要同時(shí)考慮多個(gè)因素的復(fù)雜過(guò)程，各項(xiàng)參數(shù)對(duì)舒適性效果起關(guān)鍵作用。通常情況下，導(dǎo)風(fēng)板的設(shè)計(jì)主要由下列因素決定，包括風(fēng)口大小、葉型、葉片數(shù)量、導(dǎo)風(fēng)角度、葉寬，以及凝露測(cè)試情況等等，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)風(fēng)板設(shè)計(jì)影響因素

4.1 導(dǎo)風(fēng)板葉寬仿真與實(shí)驗(yàn)

導(dǎo)風(fēng)板的葉寬會(huì)影響到不同角度的送風(fēng)距離和最終的溫度場(chǎng)分布，針對(duì)導(dǎo)風(fēng)板不同葉寬進(jìn)行仿真計(jì)算，在相同工況條件下，取相同位置（距離地面豎直方向2.5 m，距離風(fēng)口水平方向0.5 m）的溫度進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果見(jiàn)圖4所示。

圖4 不同導(dǎo)風(fēng)板葉寬導(dǎo)風(fēng)效果圖

同時(shí)，根據(jù)仿真葉片寬度做不同寬度的手板件進(jìn)行對(duì)應(yīng)工況下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同導(dǎo)風(fēng)板葉寬導(dǎo)風(fēng)實(shí)驗(yàn)效果圖

通過(guò)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以得知，射流附壁效應(yīng)影響，導(dǎo)風(fēng)板隨寬度增加，導(dǎo)熱效果越好，其中寬度27 mm為臨界值。

4.2 導(dǎo)風(fēng)板葉形仿真與實(shí)驗(yàn)

導(dǎo)風(fēng)板的葉形會(huì)影響到氣流方向和最終距離，對(duì)相同導(dǎo)風(fēng)板調(diào)節(jié)出風(fēng)速度，研究出風(fēng)速度對(duì)送風(fēng)距離的影響，其仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同出風(fēng)速度的送風(fēng)距離圖

通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到仿真相同的工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同出風(fēng)速度的送風(fēng)距離實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由仿真、實(shí)驗(yàn)可以看出：出風(fēng)速度越大，可送達(dá)的距離越低，設(shè)計(jì)平直導(dǎo)風(fēng)板減少風(fēng)阻，提高出風(fēng)速度。

4.3 導(dǎo)風(fēng)板導(dǎo)風(fēng)角度仿真與實(shí)驗(yàn)

不同的導(dǎo)風(fēng)角度引導(dǎo)送風(fēng)距離不同，送風(fēng)距離的遠(yuǎn)近影響熱風(fēng)能否送到人體活動(dòng)區(qū)域，對(duì)人體感應(yīng)舒適性有著直觀效果。

對(duì)相同工況下對(duì)不同導(dǎo)風(fēng)角度進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同導(dǎo)風(fēng)角度對(duì)送風(fēng)距離影響圖

根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)同工況下不同導(dǎo)風(fēng)角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同導(dǎo)風(fēng)角度對(duì)制熱溫度場(chǎng)分布的影響圖

由仿真、實(shí)驗(yàn)可以看出：導(dǎo)風(fēng)角度越小熱風(fēng)更易下降，但送風(fēng)距離小，風(fēng)口部件根據(jù)房間大小設(shè)置適宜的定格掃風(fēng)相應(yīng)推薦值角度來(lái)滿(mǎn)足制熱使用要求。

5 測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)工況如下：

室外-5 ℃，室內(nèi)5 ℃，3.5 kw的機(jī)組在20.05 m2房間下測(cè)試，測(cè)試要求如圖10。

圖10 測(cè)試要求

6 結(jié)果分析

導(dǎo)風(fēng)板的參數(shù)化設(shè)計(jì)是從對(duì)人體熱舒適影響較為突出的室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)中平均溫度和風(fēng)速著手。而影響以上兩個(gè)指標(biāo)的因素主要是送風(fēng)速度、送風(fēng)角度和送風(fēng)溫度。導(dǎo)風(fēng)板設(shè)計(jì)出合適的導(dǎo)風(fēng)角度和尺寸參數(shù)成為設(shè)計(jì)關(guān)鍵，通過(guò)理論計(jì)算、仿真和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出了適合搭配機(jī)型的導(dǎo)風(fēng)板。受射流附壁效應(yīng)影響，導(dǎo)風(fēng)板隨寬度增加導(dǎo)熱效果越好；出風(fēng)速度越大，可送達(dá)的距離越低，通過(guò)減少風(fēng)阻，提高出風(fēng)速度；導(dǎo)風(fēng)角度越小熱風(fēng)更易下降，但送風(fēng)距離小，風(fēng)口部件根據(jù)房間大小設(shè)置適宜的定格掃風(fēng)相應(yīng)推薦值角度來(lái)滿(mǎn)足制熱使用要求。從以上分析可以得出導(dǎo)風(fēng)板設(shè)計(jì)參數(shù)參考值見(jiàn)圖11。

圖11 風(fēng)管機(jī)出風(fēng)口部件的導(dǎo)風(fēng)板示意圖

a可調(diào)范圍40～90 °；

葉寬應(yīng)滿(mǎn)足40 mm≤b≤50 mm；

c=b±5 mm。

當(dāng)а=45 °時(shí)：

d≥b/4；e≤3 mm；10 mm≤f≤20 mm；

g=室內(nèi)機(jī)出風(fēng)口的高度±10 %。

7 結(jié)論

風(fēng)管機(jī)的出風(fēng)口部件需要根據(jù)室內(nèi)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量按照一定的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常情況下要滿(mǎn)足出風(fēng)速度在4 m/s 以上。根據(jù)氣流組織理論，出風(fēng)口的導(dǎo)風(fēng)葉片可以有效調(diào)節(jié)空調(diào)器的射流情況，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，使其達(dá)到均勻的狀態(tài)。根據(jù)對(duì)出風(fēng)口部件的導(dǎo)風(fēng)葉片的葉寬、葉形和送風(fēng)角度的研究，得出了平直式的寬導(dǎo)風(fēng)葉片以及合適的送風(fēng)角度，合理的設(shè)計(jì)方案可以有效的改善熱風(fēng)上浮、冷風(fēng)下沉的問(wèn)題，引導(dǎo)熱空氣沉降和冷空氣上揚(yáng)，提高室內(nèi)的熱舒適性。本文引用的氣流組織理論分析的模型及計(jì)算仿真的方法，與實(shí)際的試驗(yàn)對(duì)比，一致性較高，可以很好的指導(dǎo)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，提供良好的數(shù)據(jù)支撐，并且可以簡(jiǎn)化試驗(yàn)過(guò)程，提高效率。本文中的建模方法為風(fēng)管機(jī)的舒適性方案研究以及風(fēng)口部件的設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)。