劉 健，葉 舟

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200092)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，空調(diào)設(shè)備作為調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的主要設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入千家萬戶，家用空調(diào)、中央空調(diào)使用越來越普遍，空調(diào)已經(jīng)成為家庭和辦公場(chǎng)所的必備電器之一。分體式空調(diào)室內(nèi)機(jī)作為安放在用戶室內(nèi)的部件，對(duì)體積、噪音、凝露都有很高的要求，而噪音和凝露都與室內(nèi)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)有很密切的關(guān)系。室內(nèi)機(jī)內(nèi)部主要由貫流風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器與導(dǎo)流流道組成，空氣流量與貫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是在優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要考慮的重要參數(shù)，其變化對(duì)空調(diào)綜合性能產(chǎn)生直接的影響。目前業(yè)界主要通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)其影響進(jìn)行評(píng)估，這必將導(dǎo)致產(chǎn)品的研發(fā)周期和費(fèi)用增加，筆者通過數(shù)值模擬，初步研究了分體式空調(diào)室內(nèi)機(jī)空氣流量與貫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)其內(nèi)部氣體流場(chǎng)的影響，為空調(diào)優(yōu)化提供參考。

2 幾何模型簡(jiǎn)介

圖1所示為分體式空調(diào)室內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)的剖面圖，圖2為其三維造型，外部熱空氣通過進(jìn)風(fēng)格柵進(jìn)入內(nèi)部蒸發(fā)器制冷的通道，熱空氣經(jīng)過換熱翅片與管內(nèi)制冷工質(zhì)發(fā)生熱交換溫度降低，冷空氣通過貫流風(fēng)機(jī)從排氣通道中排出。如果在空調(diào)出風(fēng)口發(fā)生熱氣流竄入與冷氣流混合，往往會(huì)導(dǎo)致在出風(fēng)口附近面板上出現(xiàn)凝露、滴水現(xiàn)象，對(duì)用戶的起居生活造成惡劣影響。葉輪進(jìn)出口以及渦舌處產(chǎn)生的較大渦度使旋轉(zhuǎn)葉輪與靜止殼體之間相互干涉及對(duì)氣流周期性加速而產(chǎn)生的壓力脈沖是噪聲的主要來源。本文以某型號(hào)空調(diào)室內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，分析空氣氣量與貫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)流動(dòng)特性的影響。

圖1 分體空調(diào)室內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 空調(diào)室內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)的三維造型

3 數(shù)學(xué)模型的建立網(wǎng)格劃分與邊界條件［2］

空調(diào)室內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)由蒸發(fā)器、貫流風(fēng)機(jī)和導(dǎo)流部件組成，內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，將內(nèi)部流場(chǎng)視為不可壓縮的理想流體，以標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)作為非穩(wěn)態(tài)的初始流場(chǎng)，采用有限體積法的N-S方程的湍流模型。

由于流場(chǎng)在蒸發(fā)器管附近和貫流風(fēng)機(jī)表面變化復(fù)雜，劃分網(wǎng)格時(shí)將此部分網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行加細(xì)處理，其余部分由于相對(duì)流場(chǎng)較平穩(wěn)，采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，所得到的網(wǎng)格見圖3、4。利用FLUENT軟件，葉輪的旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用滑移網(wǎng)格，進(jìn)出口設(shè)為大氣壓力邊界條件。

圖3 貫流風(fēng)機(jī)表面網(wǎng)格拓?fù)?/p>

圖4 蒸發(fā)器管壁面網(wǎng)格拓?fù)?/p>

4 模擬結(jié)果分析

在空調(diào)室內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)中，熱空氣從進(jìn)氣柵格中進(jìn)入，克服蒸發(fā)器翅片與管壁的系統(tǒng)阻力。在貫流風(fēng)機(jī)中氣體兩次經(jīng)過葉輪的葉柵。氣體沿著與轉(zhuǎn)子軸線垂直的方向從葉輪一側(cè)徑向通過葉柵進(jìn)入葉輪，然后通過葉輪內(nèi)部，第二次通過葉輪的另一側(cè)排出。排出后的氣體通過漸敞口的流道流出。由此可見，此結(jié)構(gòu)中流場(chǎng)的變化十分復(fù)雜。

本文利用CFD軟件對(duì)不同氣體流量和不同貫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的氣體流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究氣體流量和貫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)空調(diào)室內(nèi)機(jī)部分流動(dòng)的影響。

4.1 固定轉(zhuǎn)速變換氣體流量分析

圖5顯示內(nèi)機(jī)出口的速度分布，通過固定貫流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，分別選取高、中、低流量時(shí)內(nèi)機(jī)出口的速度變化。從圖中可以看出在選取小風(fēng)量時(shí)在出風(fēng)口下表面速度發(fā)生了較大的降低，在選取大風(fēng)量時(shí)在出風(fēng)口上表面處速度發(fā)生大幅度的下降。圖6顯示在固定貫流風(fēng)機(jī)流速時(shí)，分別選取高、中、低流量時(shí)整個(gè)流場(chǎng)的速度分布。從圖中可以看到在小風(fēng)量情況下在風(fēng)機(jī)排氣端，出口流道前端下壁面即發(fā)生了較強(qiáng)的氣體分離，在大流量狀況下出口流道上端壁面附近發(fā)生了較強(qiáng)的旋渦流動(dòng)。

圖5 定轉(zhuǎn)速變風(fēng)量時(shí)內(nèi)機(jī)出口速度分布

圖6 定轉(zhuǎn)速變風(fēng)量時(shí)流場(chǎng)的速度分布

湍流強(qiáng)度很大程度上影響著邊界層的流動(dòng)分離。隨著湍流強(qiáng)度的增加，對(duì)應(yīng)的總壓損失隨之減小，能夠抑制流動(dòng)分離現(xiàn)象發(fā)生。圖7、8顯示貫流風(fēng)機(jī)固定流速，分別選取高、中、低流量時(shí)內(nèi)機(jī)出口湍流強(qiáng)度和整個(gè)流場(chǎng)湍流強(qiáng)度分布。由圖7可以看到在大風(fēng)量時(shí)內(nèi)機(jī)出口湍流強(qiáng)度變化最為劇烈，這也是受到在上壁面附近形成的旋渦流動(dòng)的影響。圖8所示在低風(fēng)量和高風(fēng)量時(shí)湍流強(qiáng)度分布極不均勻，分別在上下表面形成較強(qiáng)的湍流。

圖7 內(nèi)機(jī)出口湍流強(qiáng)度分布

圖8 定轉(zhuǎn)速變風(fēng)量時(shí)湍流強(qiáng)度分布

4.2 固定流量變換轉(zhuǎn)速分析

圖9、10所示在固定流量，分別選取貫流風(fēng)機(jī)高、中、低轉(zhuǎn)速時(shí)內(nèi)機(jī)出口的速度分布和整個(gè)流場(chǎng)的速度分布。由圖9可看到在一定流量三種轉(zhuǎn)速情況下，內(nèi)機(jī)出口速度都有較大波動(dòng)。由圖10可看到，在低轉(zhuǎn)速情況下，上壁面附近發(fā)生旋渦流動(dòng)，而在中轉(zhuǎn)速與高轉(zhuǎn)速時(shí)在下壁面附近發(fā)生了嚴(yán)重的流動(dòng)分離。

圖9 內(nèi)機(jī)出口風(fēng)速分布

圖10 定風(fēng)量變轉(zhuǎn)速時(shí)流場(chǎng)速度分布

圖11、12所示在固定流量，分別選取貫流風(fēng)機(jī)高、中、低轉(zhuǎn)速時(shí)內(nèi)機(jī)出口湍流強(qiáng)度分布與整個(gè)流場(chǎng)湍流強(qiáng)度分布。由圖11、12可見在固定流量低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速情況下，湍流強(qiáng)度分布并不均勻，分別集中在下壁面和上壁面附近，加劇了流動(dòng)狀況的惡化。隨著湍流強(qiáng)度的增大，能有效抑制流動(dòng)分離的發(fā)生，能夠使流動(dòng)分離點(diǎn)和再附點(diǎn)位置向出口位置移動(dòng)。

圖11 內(nèi)機(jī)出口湍流強(qiáng)度分布

5 結(jié)論

(1)對(duì)于固定轉(zhuǎn)速下工作的貫流風(fēng)機(jī)，風(fēng)量過大，會(huì)使得出風(fēng)道上表面區(qū)域產(chǎn)生旋渦流動(dòng);風(fēng)量過小，會(huì)使得出風(fēng)道下表面區(qū)域產(chǎn)生流動(dòng)分離。因此，存在一最佳風(fēng)量，可使得出風(fēng)道的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)最佳，流動(dòng)分離最少，由渦流造成的壓力損失最小。

圖12 定風(fēng)量變轉(zhuǎn)速時(shí)湍流強(qiáng)度分布

(2)對(duì)于固定風(fēng)量下工作的貫流風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速過高，會(huì)使得出風(fēng)道下表面區(qū)域產(chǎn)生流動(dòng)分離;轉(zhuǎn)速過低，會(huì)使得出風(fēng)道上表面區(qū)域產(chǎn)生旋渦流動(dòng)。因此，存在一最佳轉(zhuǎn)速，可使得出風(fēng)口流場(chǎng)結(jié)構(gòu)最佳，流動(dòng)分離最少，由渦流造成的壓力損失最小。

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