冰箱壓縮機(jī)室蓋板結(jié)構(gòu)降噪分析與設(shè)計(jì)

呂劍喬　張建潤(rùn)

摘要：基于仿真分析提出了冰箱壓縮機(jī)室蓋板設(shè)計(jì)的方法和原則，并通過計(jì)算和試驗(yàn)證明了通過等壓梯度線設(shè)計(jì)和流場(chǎng)優(yōu)化的方法重新設(shè)計(jì)蓋板可以降低壓縮機(jī)室產(chǎn)生的噪聲，為壓縮機(jī)室降噪工作提供了新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)室蓋板設(shè)計(jì);CFD分析;冰箱降噪

0 引言

風(fēng)冷冰箱整機(jī)噪聲最主要的噪聲源是壓縮機(jī)和冷凝風(fēng)扇，壓縮機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，冷凝風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生壓縮機(jī)室氣動(dòng)噪聲[1]。冷藏室、冷凍室內(nèi)部的氣動(dòng)噪聲相對(duì)于壓縮機(jī)室的噪聲強(qiáng)度更低，因此，壓縮機(jī)室降噪是風(fēng)冷冰箱整機(jī)降噪工作的重點(diǎn)。在空氣流量即冷凝器冷卻能力不變的情況下，如何降低噪聲，又是冰箱壓縮機(jī)室降噪工作的關(guān)鍵所在。

1 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)仿真模型分析與模型準(zhǔn)確性試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1? ? 幾何模型的建立與簡(jiǎn)化

本文的研究對(duì)象是某型號(hào)冰箱的壓縮機(jī)室。壓縮機(jī)室主要工作部件是壓縮機(jī)、冷凝器和冷凝器風(fēng)扇，其他功能部件包括蓋板、接水盤、電氣控制元件、部件連接件、壓縮機(jī)隔振結(jié)構(gòu)、水管等。壓縮機(jī)室主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于壓縮機(jī)室部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不僅對(duì)流場(chǎng)影響甚微，還有可能降低網(wǎng)格質(zhì)量，而網(wǎng)格質(zhì)量直接決定后續(xù)仿真分析的結(jié)果精度以及計(jì)算效率，所以在網(wǎng)格劃分前必須簡(jiǎn)化原三維模型，以保證結(jié)果準(zhǔn)確。

主要簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)部位有：電氣元件周圍的電線等小部件，壓縮機(jī)輪廓上的非規(guī)則幾何形狀，冷凝器形狀。其中，在保證冷凝器形狀與原有冷凝器形狀基本不變的前提下，將其作為一個(gè)整體而非裝配體建模，整體看作為一個(gè)熱源。

1.2? ? 計(jì)算模型

壓縮機(jī)室內(nèi)部空氣流場(chǎng)和傳熱模型建立可描述如下：

對(duì)建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分以后，使用FLUENT進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，以得到壓縮機(jī)室內(nèi)部的流場(chǎng)特性。將空氣按照不可壓縮流體分析，無熱量交換，空氣流動(dòng)一般忽略力場(chǎng)，采用RNG k-epsilon模型模擬;MRF模型和混合面模型可以高效計(jì)算旋轉(zhuǎn)體中定子和轉(zhuǎn)子的相互作用，因此對(duì)包含風(fēng)扇的可動(dòng)流體區(qū)域采用MRF模型;設(shè)置靠近左側(cè)蓋板出口部分為壓力出口，靠近右側(cè)蓋板出口部分為壓力入口;計(jì)算中主要采用SEGREGATED分離式解算器;采用SIMPLE壓力修正算法來計(jì)算速度和壓力間的耦合方程，收斂精度為1e-4。

1.3? ? 流場(chǎng)仿真結(jié)果

仿真計(jì)算得到速度云圖、速度矢量圖和溫度場(chǎng)云圖，分別如圖2、圖3、圖4所示。在風(fēng)扇附近靠近內(nèi)壁面處風(fēng)速較大，入口處風(fēng)速分布較為均勻，而出口處中部出口風(fēng)速較大。冷凝器靠近內(nèi)壁面一側(cè)渦流現(xiàn)象較明顯，壓縮機(jī)靠近內(nèi)壁面一側(cè)流場(chǎng)渦流現(xiàn)象較少，而靠近外蓋板一側(cè)渦流現(xiàn)象較多，對(duì)散熱不利。冷凝器中心最高溫度點(diǎn)溫度為92 ℃，位于遠(yuǎn)離風(fēng)扇一側(cè)中心;最低溫度點(diǎn)溫度為73 ℃，位于靠近風(fēng)扇一側(cè)，遠(yuǎn)離風(fēng)扇中心。可以看到，在長(zhǎng)度方向上，同位置下風(fēng)速越大，溫度越低;在寬度方向上，蓋板與風(fēng)扇軸線區(qū)間內(nèi)，越靠近蓋板，溫度越低。

1.4? ? 模型準(zhǔn)確性試驗(yàn)驗(yàn)證

表1對(duì)同區(qū)域下風(fēng)速計(jì)算值和試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比。

從表1可以看出，壓縮機(jī)流場(chǎng)模型風(fēng)速分布與試驗(yàn)測(cè)得風(fēng)速值基本吻合，模型對(duì)壓縮機(jī)室流場(chǎng)的計(jì)算準(zhǔn)確性高。

2 壓縮機(jī)室噪聲分析及降噪措施

2.1? ? 噪聲源特性及降噪手段

根據(jù)噪聲源特性分析試驗(yàn)，得到壓縮機(jī)室噪聲源有[2]：

（1）風(fēng)扇的空氣動(dòng)力性噪聲（630 Hz、1 000 Hz）主要有旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲。

（2）壓縮機(jī)噪聲（630 Hz、1 000 Hz）主要有進(jìn)氣與排氣噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲。

（3）結(jié)構(gòu)聲（315 Hz）。

導(dǎo)流板前后壁附近區(qū)域的流場(chǎng)不均勻、不穩(wěn)定且有渦旋產(chǎn)生，導(dǎo)致噪聲場(chǎng)與流場(chǎng)發(fā)生耦合。根據(jù)噪聲源特性得到降噪的主要方法有：

（1）減小壓縮機(jī)艙內(nèi)壓力脈動(dòng)，降低偶極子噪聲強(qiáng)度。

（2）將開口遠(yuǎn)離壓縮機(jī)及風(fēng)扇，減少內(nèi)部噪聲的向外傳播。

（3）出口部分有擴(kuò)散角可有效提高出口部分負(fù)壓，提高整體風(fēng)量。出口處擴(kuò)散角的合理范圍為10°～15°，風(fēng)量得到增加，噪聲得到降低。

（4）增加導(dǎo)流板，減少壓縮機(jī)室內(nèi)的渦旋現(xiàn)象，從而降低渦流噪聲。

2.2? ? 等壓梯度線蓋板風(fēng)道設(shè)計(jì)

蓋板通過空氣的部分稱之為“蓋板風(fēng)道”，蓋板風(fēng)道的導(dǎo)向作用可以類比離心風(fēng)扇、呼吸機(jī)等設(shè)備的內(nèi)部風(fēng)道，可以對(duì)內(nèi)部的氣流進(jìn)行導(dǎo)向，達(dá)到完成設(shè)備工作任務(wù)和降低噪聲的目的。

在蓋板風(fēng)道設(shè)計(jì)中應(yīng)保持風(fēng)量不變，通過增大高氣流速度區(qū)的開口面積，減少低速度區(qū)的開口面積可保持風(fēng)量不變，同時(shí)減少壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲的傳播。蓋板處流道應(yīng)按等壓梯度線方向設(shè)計(jì)，可有效降低壓力脈動(dòng)，增加流場(chǎng)均勻性，從而降低偶極子噪聲。

3 壓縮機(jī)室蓋板設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1? ? 尺寸約束條件

蓋板尺寸的選擇與實(shí)際使用情況下的各種尺寸約束有關(guān)，主要尺寸約束條件為：

（1）冰箱壓縮機(jī)室輪廓尺寸910 mm×252 mm;

（2）蓋板孔槽距離邊緣最小尺寸18 mm，由壓縮機(jī)室接水盤及安裝尺寸決定;

（3）壓縮機(jī)左邊緣距離壓縮機(jī)室左側(cè)邊緣190 mm，風(fēng)扇右邊緣距離壓縮機(jī)室右側(cè)邊緣245 mm，以上兩個(gè)尺寸決定蓋板長(zhǎng)度方向上的孔槽分布;

（4）壓縮機(jī)側(cè)零件距離蓋板外端20.5 mm，冷凝器側(cè)距離蓋板外端20.0 mm;

（5）根據(jù)冰箱外形最大尺寸，取蓋板最大厚度為18 mm。

3.2? ? 蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路及約束條件，并結(jié)合企業(yè)實(shí)際工藝成本及使用需求，蓋板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。蓋板結(jié)構(gòu)為外側(cè)柵格板、內(nèi)側(cè)柵格板加開口板，內(nèi)外蓋板的出口、入口均錯(cuò)開一定距離，內(nèi)外蓋板中間用吸聲材料填充。內(nèi)側(cè)兩邊為兩開口，承擔(dān)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的功能，中間無開口部分為柵格，兩層板中間的吸聲材料與壓縮機(jī)室通過柵格相連。

外側(cè)為柵格結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)按照原蓋板的企業(yè)安全規(guī)范設(shè)計(jì)，槽長(zhǎng)度76 mm，寬度6 mm，長(zhǎng)度方向上間距13 mm，寬度方向上間距10 mm。除了蓋板以外，應(yīng)在冷凝器附近入口處加裝導(dǎo)流板，減少冷凝器內(nèi)部渦旋。

吸聲材料要與周圍傳聲介質(zhì)的聲特性阻抗匹配，使聲能無反射進(jìn)入吸聲材料，吸收大部分聲能。由于壓縮機(jī)室噪聲頻率在400～1 000 Hz，因此，為了盡可能吸收噪聲，選取薄膜吸聲材料粘貼于蓋板靠壓縮機(jī)一側(cè)，蓋板中間填充多孔吸聲材料。

3.3? ? 仿真計(jì)算驗(yàn)證與試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)新設(shè)計(jì)蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。與原蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，壓縮機(jī)流場(chǎng)分布由原來的繞流壓縮機(jī)兩側(cè)的形式變?yōu)橹饕蓧嚎s機(jī)與蓋板間隙流動(dòng)，速度最大值降低;壓縮機(jī)室內(nèi)部渦流明顯減少;最大溫度由92 ℃降低至84 ℃，散熱效果更好。取蓋板外側(cè)對(duì)應(yīng)風(fēng)扇位置為測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)聲壓值由58.7 dB降至55.2 dB，降低3.5 dB，如圖9所示。仿真計(jì)算結(jié)果表明，無論是流場(chǎng)特性、溫度場(chǎng)特性，還是噪聲特性，都在采用了新的設(shè)計(jì)方案后得到了改善。

將設(shè)計(jì)的蓋板加工出來安裝于冰箱上，在半消聲室進(jìn)行聲功率測(cè)試，整機(jī)聲功率相比原設(shè)計(jì)下降1.8 dB，實(shí)物驗(yàn)證證明了仿真結(jié)論的正確性。

4 結(jié)語

本文以某型號(hào)冰箱壓縮機(jī)室為研究對(duì)象建立了CFD仿真模型，分析了冰箱壓縮機(jī)室的流場(chǎng)特性，并根據(jù)噪聲源特性確定了壓縮機(jī)室蓋板降噪設(shè)計(jì)所需要遵循的設(shè)計(jì)方法和原則;通過對(duì)新設(shè)計(jì)蓋板進(jìn)行仿真計(jì)算和實(shí)物加工驗(yàn)證的方法，確定了該設(shè)計(jì)方法能夠達(dá)到提升流場(chǎng)特性，降低壓縮機(jī)室噪聲的目的。本文針對(duì)壓縮機(jī)室蓋板的設(shè)計(jì)方案，在目前的冰箱蓋板設(shè)計(jì)工作中屬于創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，并且其設(shè)計(jì)方法可有效指導(dǎo)未來蓋板的設(shè)計(jì)工作，有著較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和創(chuàng)新性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 馬艷峰，李加威，陸冬.冰箱噪聲的聲強(qiáng)測(cè)試與噪聲源分析[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2014，17（6）：19-23.

[2] 李加威.電冰箱風(fēng)冷系統(tǒng)的噪聲分析研究[D].南京：東南大學(xué)，2015.

收稿日期：2021-02-22

作者簡(jiǎn)介：呂劍喬（1994—），男，甘肅人，碩士，研究方向：振動(dòng)與噪聲控制。