劉中杰，劉利娜，陳煥新

（1-國家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，廣東珠海 519070；2-華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

空調(diào)室外機軸流風(fēng)機性能預(yù)測及實驗研究

劉中杰*1，劉利娜1，陳煥新2

（1-國家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，廣東珠海 519070；2-華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

利用CFD對空調(diào)軸流風(fēng)機周圍空氣流動狀態(tài)進行仿真求解，獲得軸流風(fēng)機在空調(diào)室外機風(fēng)道系統(tǒng)中的一些性能預(yù)測。以不同出口靜壓繪制出風(fēng)機特性曲線，得到風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)量和全壓。結(jié)合空調(diào)室外機負載和電機參數(shù)，最終得到風(fēng)機的效率。取風(fēng)葉不同半徑基元級位置得到其對空氣做功的大小以及流動狀態(tài)。獲取風(fēng)葉在室外機中的效率，并考慮導(dǎo)流圈上壓力脈動的大小，對風(fēng)葉表現(xiàn)出的性能和噪聲水平做出正確的預(yù)估。研究結(jié)果為風(fēng)葉的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)選型提供依據(jù)。

空調(diào)；軸流風(fēng)機；CFD；效率；壓力脈動

0 引言

空調(diào)室外軸流風(fēng)機主要作用是提供冷凝器的散熱循環(huán)風(fēng)量，因此冷凝器是室外機的關(guān)鍵部件，而風(fēng)機是影響冷凝器換熱能力的重要部件。

CFD技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用于空調(diào)零部件設(shè)計中，華中科技大學(xué)王軍等[1-2]主要從CFD的結(jié)果對軸流風(fēng)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計提出改進意見；上海交通大學(xué)田杰等和姜彩鈴等[3-4]主要從CFD仿真和PIV試驗相結(jié)合的方法對風(fēng)機的氣動噪聲進行研究；西北工業(yè)大學(xué)王占學(xué)等[5]主要從試驗的方法對比不同風(fēng)葉結(jié)構(gòu)引起的流場和噪聲差異；清華大學(xué)王洪磊等[6]通過對空調(diào)室外機的模擬仿真，認(rèn)為風(fēng)扇罩對降低渦流噪聲影響顯著，從而通過優(yōu)化其結(jié)構(gòu)達到降噪的目的。日本空調(diào)企業(yè)在2000年左右已經(jīng)成功的將CFD技術(shù)應(yīng)用于室外機軸流風(fēng)扇的開發(fā)，JANG C M等[7]對于室外機CFD流場仿真和噪聲預(yù)測已經(jīng)成功應(yīng)用于工程設(shè)計中。對于低速軸流風(fēng)扇的研究大多數(shù)著眼于對其噪聲的預(yù)估，其中PéROT F等[8]采用了先進的LBM（Lattice Boltzmann Method）算法對流場進行精密仿真，得到精確的壓力脈動和渦量分布等噪聲分析的噪聲源數(shù)據(jù)，從而獲取較為準(zhǔn)確的噪聲預(yù)估結(jié)果。

對于空調(diào)室外機的CFD仿真，管翅式冷凝器無法真實建模，所以參考文獻[1,2]中直接忽略了冷凝器的影響，單從風(fēng)機方面分析；而參考文獻[6]采用了CFD軟件中多孔介質(zhì)模塊，將冷凝器對空氣的壓降考慮到流場計算中。本文通過結(jié)合理論和實際應(yīng)用，利用方法一通過仿真獲取風(fēng)機特性曲線，對比不同結(jié)構(gòu)對風(fēng)葉性能的影響；利用方法二主要從室外機整體的表現(xiàn)去把握風(fēng)機系統(tǒng)的設(shè)計，主要是針對工作點狀態(tài)下的流場信息，得到的結(jié)果可以為冷凝器散熱優(yōu)化設(shè)計或者室外機噪聲預(yù)估提供邊界條件。參考文獻[9]主要對方法一做了一個初步的探索，本文對計算模型進行了調(diào)整，對風(fēng)機在室外機有無負載的狀態(tài)下進行仿真，得到流場分布情況。

1 實驗裝置和數(shù)值模型

1.1 實驗裝置

本文分析載體為某款上市1.5 HP室外機，其中分析的軸流風(fēng)葉外徑均為445 mm，輪轂比為0.25，葉片個數(shù)為3片，沿圓周均勻分布；主要負載為管翅式冷凝器，采用雙排、Φ9.52銅管、平片結(jié)構(gòu)；風(fēng)葉后部帶注塑出風(fēng)格柵，主要防止異物進入風(fēng)機造成事故，對于風(fēng)機系統(tǒng)也是風(fēng)阻和噪聲的影響部件；此外，電機支架和電機對于風(fēng)道中氣流流動也存在一定阻礙。實驗風(fēng)量測試的主要設(shè)備參照了ANSI于2007年8月17日頒布的美國國家標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。其中風(fēng)速通過噴嘴前后壓差計算得到，風(fēng)機出口靜壓（或全壓）通過圖1中PL7位置測試得到。

圖1 風(fēng)量測試裝置

實驗噪聲測試參照GB/T 7725-2004房間空氣調(diào)節(jié)器[10]，本文按照某空調(diào)企業(yè)噪聲測試標(biāo)準(zhǔn)在半消聲室里進行測試，室外機和采集麥克風(fēng)放置位置要求如圖2所示。

圖2 噪聲測試位置

1.2 物理模型

結(jié)合實驗測試的狀況，對參考文獻[9]的物理模型，進行必要調(diào)整，修改后CFD模型如圖3所示。其中不同范圍的進口延伸對結(jié)果有影響，室外機進口直接連通大氣，進口延伸區(qū)域選擇了半圓球，包含了在室外機周圍大氣；室外機測試時連接了測試用轉(zhuǎn)換風(fēng)口，截面發(fā)生了變化，此部分造成的一定損失需考慮；軸流風(fēng)葉放在實際的室外機殼體里，包含了電機支架和電機，考慮到其產(chǎn)生的阻力，盡可能與實際測試狀態(tài)一致；考慮到室外機冷凝器部分使用多孔介質(zhì)模型，單獨建立幾何劃分網(wǎng)格。

對仿真結(jié)果有較大影響的因素除了幾何模型外，主要是對模型網(wǎng)格的劃分。從工程應(yīng)用角度出發(fā)，除了冷凝器計算域外其余計算域均采用四面體網(wǎng)格，冷凝器計算域采用六面體網(wǎng)格主要為了保證用多孔介質(zhì)模型時的計算準(zhǔn)確性，其多孔介質(zhì)阻力參數(shù)通過換熱器阻力測試得到p-v曲線擬合計算得到。對于風(fēng)葉表面及附近壓力梯度較大區(qū)域采用尺寸函數(shù)方式加密網(wǎng)格，其余區(qū)域采用稀疏網(wǎng)格，從而保證整體網(wǎng)格數(shù)目在150萬左右。經(jīng)研究對比，這樣的網(wǎng)格分布和數(shù)目既能保證一定的計算精度，又達到了快速收斂的目的。

圖3 CFD計算域模型

1.3 數(shù)學(xué)模型

將網(wǎng)格劃分得到離散模型導(dǎo)入到商業(yè)有限體積CFD軟件中，進行數(shù)值求解不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes方程。其中湍流粘性模型采用了k-ε兩方程模型，壁面附近流動利用壁面函數(shù)進行求解；考慮到流動的非穩(wěn)定性及噪聲計算的需求，采用了非定常計算，對于時間項采用二階離散格式；考慮到動靜干涉的影響，旋轉(zhuǎn)區(qū)域計算采用了sliding mesh模型，計算過程中風(fēng)葉以及其周圍旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格按指定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動；對于對流項和擴散項采用二階迎風(fēng)格式，壓力-速度的耦合采用PISO算法求解；計算收斂準(zhǔn)則為連續(xù)性殘差ε＜10-5。連續(xù)性方程和動量方程寫成張量形式分別是：

式(2)中S是源項，表征Coriolis力和離心力；

湍流動能K和耗散率ε從公式(3)和公式(4)的輸運方程得到：

式(3)、(4)中μt是湍流粘性系數(shù)（Pa·s），由K和ε從公式(5)可求得：

式(5)中的C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09是常數(shù)值；湍流K-ε方程采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)時，近壁面的平均速度滿足公式(6)：

式(6)中kv=0.42，是von Karman常數(shù)；E=9.81，為經(jīng)驗常數(shù)；Kp為P點的湍流動能K；yp是從P點到壁面的距離；μ為P點流體的動力粘度（Pa·s）。

進口邊界給定0 Pa全壓進口；出口邊界給定0 Pa壓力出口，求解風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)引起的空氣循環(huán)流量大小。

2 流動分析

2.1 風(fēng)機特性曲線

根據(jù)通風(fēng)機原理，空氣經(jīng)過一定轉(zhuǎn)速下風(fēng)機的做功，產(chǎn)生了一定的風(fēng)量和全壓。通過繪制全壓與流量之間的關(guān)系曲線，從而可得到通風(fēng)機的特性曲線。對于不同結(jié)構(gòu)的通風(fēng)機通過對比它們的風(fēng)機特性曲線，可得知風(fēng)機性能優(yōu)劣。

風(fēng)機特性曲線可通過實驗或仿真手段獲取，本文將實驗和仿真得到的風(fēng)機特性曲線做了對比，如圖4所示。對比可見在22 Pa以下時，CFD曲線與實驗曲線十分接近；在22 Pa以上風(fēng)機進入不穩(wěn)定工作范圍，流量大幅度降低，仿真很難保證準(zhǔn)確計算出其狀態(tài)下的壓降。

圖4 CFD與實驗的特性曲線對比

2.2 截取流場信息

根據(jù)CFD計算的結(jié)果，可以分析風(fēng)葉表面靜壓分布，流道中速度分布、全壓分布和冷凝器表面速度分布等，從而了解風(fēng)葉主要做功區(qū)域和風(fēng)葉設(shè)計缺陷，知道流道中主要的空氣流通區(qū)域和主要的損失區(qū)域，以及冷凝器主要換熱區(qū)域等。圖5(a)表示截取風(fēng)葉葉片表面靠近葉頂?shù)幕壍奈恢茫瑘D5(b)表示沿前緣至尾緣曲線靜壓分布，曲線圍成的區(qū)域面積表示此基元級做功的大小，上曲線表示壓力面靜壓值變化趨勢，下曲線表示吸力面靜壓值變化趨勢，從曲線的變化可了解氣流沿葉片的流動情況。

圖5 葉片基元級的靜壓分布

2.3 風(fēng)葉做功與效率計算

通過CFD在獲取風(fēng)葉的特性曲線同時，可以得到每個狀態(tài)下的風(fēng)葉轉(zhuǎn)矩需求大小。通過公式(7)可計算得到風(fēng)機的軸功率，然后通過公式(8)將有效功除以消耗功則得到風(fēng)機全壓效率。

式中：

ω——角速度，rad/s；

T——CFD計算得到的風(fēng)葉轉(zhuǎn)矩大小，N·m。

式中：

qv——流量，m3/s；

ptF——CFD計算得到的風(fēng)機全壓升，Pa。

將一款軸流風(fēng)葉在某室外機殼體里進行CFD的計算結(jié)果進行統(tǒng)計，可得到表1。

表1 某款風(fēng)葉做功和效率CFD結(jié)果

2.4 壓力脈動分析

在仿真風(fēng)機運轉(zhuǎn)過程中，對主要噪聲源壁面記錄其壓力隨時間的波動情況。對記錄的數(shù)據(jù)進行FFT轉(zhuǎn)換，得到壓力脈動在頻域下的特征分布情況，進而評價有關(guān)風(fēng)機噪聲的大致水平。圖6為計算某風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)一圈時間內(nèi)，室外機導(dǎo)流圈上取三個小面的壓力的變化情況，將監(jiān)控得到的時間-壓力曲線數(shù)據(jù)進行FFT轉(zhuǎn)換后，可獲取頻率下的峰值分布情況，其中明顯的峰值基本上都是旋轉(zhuǎn)基頻及倍頻。

圖6 壓力隨頻率的分布曲線

3 不同風(fēng)葉對比

3.1 風(fēng)機工作點

根據(jù)通風(fēng)機原理，不同設(shè)計結(jié)構(gòu)的風(fēng)葉通過CFD在獲取風(fēng)葉的特性曲線，同時通過試驗測試的方法也可獲取風(fēng)葉的特性曲線以及網(wǎng)管阻力曲線。將兩者放入圖7中進行對比，從中可以找到風(fēng)葉1#和風(fēng)葉2#在特定的網(wǎng)管中的工作點，即特性曲線和網(wǎng)管阻力的交點，通過CFD方法可以預(yù)估出各風(fēng)葉的風(fēng)量大小。同時，可判斷風(fēng)葉的工作狀態(tài)是否穩(wěn)定，是否可能會出現(xiàn)喘振。

圖7 不同風(fēng)葉工作點對比

3.2 風(fēng)機噪聲評估

不同設(shè)計結(jié)構(gòu)的風(fēng)葉在仿真過程中，利用壓力脈動分析方法，監(jiān)控相同位置的壓力波動情況可以獲得圖8的對比結(jié)果。風(fēng)葉1#的壓力脈動幅度明顯大于風(fēng)葉2#，從而可以初步評估得到風(fēng)葉1#的噪聲略差于風(fēng)葉2#。

圖8 不同風(fēng)葉壓力監(jiān)控對比

4 結(jié)論

1) 分析可獲得風(fēng)機的特性曲線，但并非全部流量范圍內(nèi)仿真值都能夠保證與實測值一致，對于流量低于失速點狀態(tài)下的情況，仿真得到的全壓值通常高于實測值。

2) 截取基元級的壓力分布可通過曲線所圍面積得知其做功大小，同時可以得知基元級上壓力變化趨勢，從而得知葉片表面流動是否存在分離的信息。

3) 通過計算得到風(fēng)機的效率高低，從而幫助選取高效風(fēng)機。

4) 雖然不能通過CFD計算得到風(fēng)機的噪聲大小，但通過監(jiān)控壁面壓力的分析，可以得到其產(chǎn)生主要的頻率成分，從而判定其對總噪聲的貢獻。

因此，綜合比較之后，可以為風(fēng)葉的性能和噪聲作出預(yù)測，為風(fēng)葉設(shè)計、優(yōu)化和選型提供依據(jù)。

[1]王軍, 邱鑫, 王興雙. 空調(diào)室外軸流風(fēng)機結(jié)構(gòu)匹配性能試驗研究[J]. 風(fēng)機技術(shù), 2010(2): 16-18.

[2]王軍, 金培耕, 吳光輝, 等. 空調(diào)用軸流風(fēng)扇系統(tǒng)內(nèi)流特性分析與應(yīng)用[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2002, 23(3): 305-308.

[3]田杰, 歐陽華, 吳亞東, 等. 空調(diào)器室外機軸流風(fēng)機內(nèi)部流動的PIV研究[J]. 實驗流體力學(xué), 2009, 23(1): 9-16.

[4]姜彩鈴, 陳江平, 陳芝久, 等. 空調(diào)室外機流場特性研究[J]. 中國機械工程, 2005, 16(12): 29-32.

[5]王占學(xué), 喬渭陽, 唐狄毅, 等. 兩種空調(diào)器室外機組風(fēng)扇的流場和噪聲實驗研究[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2003, 21(3): 17-19.

[6]王洪磊, 向東, 段廣洪, 等. 分體式空調(diào)室外機風(fēng)道系統(tǒng)的流場分析[J]. 流體機械, 2009, 37(6): 65-69.

[7]JANG C M, FURUKAWA M, INOUE M. Frequency characteristics of fluctuating pressure on rotor blade in a propeller fan[J]. JSME International Journal Series B, 2003, 46: 163-172.

[8]PéROT F, MOREAU S, HENNER M, et al. Direct Aeroacoustic Prediction of a Low-Speed Axial Fan[J]. AIAA paper, 2010, 3887: 2010.

[9]劉中杰, 劉利娜, 龍斌華, 等. 基于CFD的空調(diào)用軸流風(fēng)葉設(shè)計選型[C]//國家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心2010年國際制冷技術(shù)交流會論文集. 2010: 569-572.

[10]GB/T 7725-2004, 房間空氣調(diào)節(jié)器[S].

Performance Prediction and Experimental Research on Axial Fan of Outdoor Unit of Air-conditioner

LIU Zhong-jie*1, LIU Li-na1, CHEN Huan-xin2
(1- National Engineering Research Center of Green Refrigeration Equipment, Zhuhai, Guangdong 519070, China; 2- School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China)

Through CFD simulation on the air flow around the axial fan of outdoor unit of air-conditioner, the performance prediction of the axial fan in the flow field system of outdoor unit was obtained. The fan performance curve was drawn for different outlet static pressures, and the total air volume and total pressure of the fan were obtained. Combined with the load of outdoor unit of air-conditioner and the parameters of the motor, the fan efficiency was gained. Besides, the power consumption and the flow patterns were predicted by different radial section of fan blade on an elementary stage numerically. The performance and noise level of fan blade were predicted effectively by obtaining the efficiency of the fan in the outdoor unit and the fluctuating pressure at the guide casing. The research results provide a basis for the optimum design and structure type selection of the fan blade.

Air-conditioner; Axial fan; CFD; Efficiency; Fluctuating pressure

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.207

*劉中杰（1981-），男，工程師，學(xué)士。研究方向：空調(diào)風(fēng)機風(fēng)道設(shè)計研究。聯(lián)系地址：珠海格力電器制冷技術(shù)研究院2所，郵編：519070。聯(lián)系電話：0756-8669108。E-mail：jimee_lzj@163.com。