周 遊 張新強 汪雙鳳

(華南理工大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室 廣州 510640)

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橢圓管換熱器對空調室內機聲場影響的數(shù)值模擬

周 遊 張新強 汪雙鳳

(華南理工大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室 廣州 510640)

橢圓管換熱器由于良好的流動和換熱特性，在換熱設備中有廣泛的應用。本文利用計算流體力學方法，對橢圓管翅片換熱器應用于空調室內機的流場和聲場進行數(shù)值模擬，并與圓管作對比。計算結果表明，換熱管形狀對貫流風機內部偏心渦的形成位置和大小沒有影響；與采用相同截面積的圓管翅片換熱器的室內機相比，相同條件下，采用橢圓管換熱器對于室內機增加風量，改善制冷性能，降低噪聲尤其是低頻噪聲方面有良好的效果。其中，長短軸之比為2的橢圓管可以降低室內機噪聲4 dB。

空調室內機；橢圓管；降噪；數(shù)值模擬

管翅式換熱器作為一種緊湊式換熱器，是空調和制冷行業(yè)中應用最廣泛的換熱器[1]。隨著制冷行業(yè)的發(fā)展，如何提高換熱器的換熱系數(shù)，改善換熱器外部空氣流動狀況，一直以來都是制冷行業(yè)研究的重點課題。

另外，隨著空調外觀、性能等方面的提升，人們不斷追求更加安靜舒適的環(huán)境，空調噪聲問題受到業(yè)內人士的普遍重視[2]，降低空調運行噪聲也成為提高空調競爭力的策略之一。

針對空調室內機內部結構，胡俊偉等[3-4]針對貫流風機，提出使用不等距葉輪降低室內機噪聲，比較不同形狀換熱器對空調室內機噪聲的影響，設計了一種弧形換熱器，可以有效減小氣流噪聲并增大風量；劉丙磊等[5]提出增加導風板的方案降低室內機噪聲。

室內機空氣的流動狀況對結構的變化非常敏感，任何結構參數(shù)的改變都會影響流場分布，導致聲場發(fā)生變化[6]。另外在改善空調聲學特性的同時，必須保證良好的流動和換熱特性，因此有必要對空調室內機風道系統(tǒng)的流場和聲場進行綜合研究。

室內機的聲場分布與壓力場和速度場有直接的關系，空調蒸發(fā)器作為室內機的重要組成部分，其結構的優(yōu)化對室內機的流場及聲學特性有重要影響。橢圓管由于自身形狀接近流線形，氣體流動時與壁面接觸良好，對改善室內機流動換熱和聲學特性有重要作用[7-8]。與目前在空調中常用的圓管翅式換熱器相比，橢圓管有以下幾個特性：

1)氣體繞流橢圓管外時，管后形成的尾流區(qū)域比圓管后的尾流區(qū)小很多，氣動性能更好，可有效減小空氣側的流動阻力，降低能耗。

2)與相同截面積的圓管相比，入口質量流量相同時，橢圓管內制冷劑的相變傳熱系數(shù)高于圓管。

3)橢圓管翅片換熱器采用短軸方向作為迎風面時，數(shù)目相同的管束，橢圓管更容易緊湊布置，占據(jù)空間更小。

雖然橢圓管相比圓管有很多優(yōu)勢，但制冷行業(yè)中橢圓管的應用并不普遍。原因主要是橢圓管的脹接和彎曲工藝與圓管相比更加復雜，且生產制造成本較高，尤其是橢圓管的內螺紋加工尤為困難。這些都對橢圓管翅片換熱器在空調中的實驗研究和應用帶來一定的難度。

目前，工業(yè)產品開發(fā)設計的趨勢是數(shù)字化，采用CFD軟件對空調室內機風道的流場進行模擬的方法已得到廣泛的應用，并取得良好的效果[9]。本文采用Fluent軟件對空調室內機風道系統(tǒng)流場進行模擬，使用FW-H模型分析室內機噪聲。本文以目前市場上常見的某品牌一款1.5匹家用掛壁式空調為對象建立模型，以在空調中應用最廣泛的7 mm直徑銅管為對比對象，橢圓管的尺寸如表1所示。

表1 橢圓管尺寸

1 數(shù)學模型

1.1 網格的劃分

圖1 室內機計算域截面示意圖Fig.1 Schematic cross section of indoor unit computational domain

由于室內機風道系統(tǒng)內部結構比較復雜，在建模過程中，將簡化排水托盤、進風口灰塵濾網和出風口的風向調節(jié)裝置等[10]。為盡可能準確模擬室內機風道的實際流動狀況，需要對室內機進出口區(qū)域進行延伸，進出口外部計算域選取為10倍貫流風機外徑。由于空調室內機橫向結構相同，所以本文的三維模型選取50 cm的橫向區(qū)域作為研究對象。圖1所示為三維室內機模型計算域的截面示意圖(換熱管為圓管)。整個計算的流體域可以分為7個區(qū)域：進風口擴展區(qū)域、進風口區(qū)域、管翅式換熱器區(qū)域、貫流風機葉片區(qū)域、貫流風機中心區(qū)域、出風口區(qū)域，出風口擴展區(qū)域。由于貫流風機葉片所在流體域是旋轉的，因此采用滑移網格法進行處理。風道內部網格采用非結構化網格，外部延伸區(qū)域采用結構化網格。1.2 求解器及邊界條件的設定

采用LES(large eddy simulation)大渦模型，不可壓縮Reynolds時均Navier-Stokes方程和標準壁面函數(shù)對空調室內機的三維非穩(wěn)態(tài)流場進行求解；計算方法為Segregated隱式算法，湍流動能、湍流耗散項、動量方程都采用二階迎風離散格式；壓力速度耦合采用SIMPLE算法。時間步長設為4×10-3s，模擬風機轉動5周的過程[11]。設定入口邊界條件為壓力入口，出口邊界條件為壓力出口，壓力大小都為標準大氣壓；管翅式換熱器區(qū)域為多孔介質。

1.3 模型的驗證

為了驗證本文CFD模型的準確性，首先對7 mm圓管翅片換熱器在貫流風機轉速分別為800 r/min、900 r/min和1000 r/min的條件下進行計算。鄧明義等[12]用實驗的方法測量了7.2 mm圓管換熱器的空調室內機出風口風量。如圖2所示，兩種結果對比可知，計算結果與文獻中實驗結果基本一致，誤差在15%以內。這些誤差主要由于室內機數(shù)學模型與空調實驗樣機結構存在一定的差異(如進氣格柵，出口導流板，內部電子元件等結構的簡化)，造成風道流動阻力比實際值小，因此本文的計算模型相對準確。

2 流場計算

2.1 風道流量

如圖3所示，同種結構的室內機出風口風量隨貫流風機轉速增大而增加，這符合貫流風機的基本規(guī)律[13]。相同轉速下，隨著橢圓管長短軸之比的增加，出風口風量增加。換熱管數(shù)量相同的情況下，相同截面積的換熱管，隨著長短軸之比增大，短軸的長度減小。在模型中，短軸作為迎風面，換熱管之間的間距增大，空氣在換熱管之間的流動阻力減小，風道系統(tǒng)內空氣流量增大。

圖4 壓力云圖Fig.4 Contour of total pressure

圖2 轉速與風量計算值和實驗值對比曲線Fig.2 Contrast of the numerical simulation values with the experiments

圖3 風量隨貫流風機轉速的變化曲線Fig.3 Changes of flow rate with rotational speed

2.2 壓力分布

游斌等[14]通過數(shù)值模擬研究貫流風機內部偏心渦的演化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，改變貫流風機的轉速，偏心渦的渦核位置幾乎不發(fā)生改變，改變的只是空氣初次進入貫流風機的位置。

本文主要研究換熱器形狀對于室內機流場的影響。圖4所示為三種結構的室內機在轉速為1100 r/min時的壓力云圖，由圖可知，貫流風機內部形成一個影響整個流場的偏心渦，偏心渦的方向與貫流風機的轉向一致。這是由于空氣兩次流經葉片，從貫流風機上部葉片進入，從下部葉片流出，造成空氣在風機內部形成流動漩渦。但是對比文中三種結構，換熱管形狀對于空調室內機偏心渦的形成位置和大小幾乎沒有影響。換熱管形狀的改變主要影響了空氣在換熱管間的湍流狀況，橢圓管之間的壓力波動更小。而空氣流過管翅式換熱器之后，二次流過貫流風機，流向出風口，室內機壓力分布的出口部分變化也不大，出風口蝸舌處壓力最大。

3 噪聲分析

氣動聲學是研究流體自身以及流體域固體邊界相互作用發(fā)生機理的一門科學?？照{室內機噪聲包括機械噪聲和氣動噪聲。根據(jù)風扇聲源輻射頻率特性的不同，氣動噪聲又可以分為寬頻噪聲和離散噪聲(或旋轉噪聲)[15-16]，其中寬頻噪聲是由葉片表面附面層以及尾緣漩渦脫落、空氣湍流干擾等因素引起，離散噪聲是由葉片與來流周期性相互作用等因素引起，通常與葉片通過頻率及其諧波有關。

由于空氣流經密集的翅片管換熱器后立即進入貫流風機葉輪，兩次流過貫流風機葉輪，使得風機內部存在非定常偏心渦，氣體的渦流擾動是引起空調室內機氣流噪聲的重要原因之一?？諝膺M入貫流風機的方向受到換熱器結構的約束，因此空氣流過換熱器后的尾跡，即貫流風機氣流的進入狀態(tài)對于空氣在貫流風機內部的流動狀況有重要影響。

室內機噪聲與貫流風機的轉速有直接關聯(lián)，轉速越大，旋轉噪聲越強烈。對室內機噪聲進行計算時，三種模型都在最大轉速1100 r/min時進行研究。

噪聲的數(shù)值模擬將聲音的產生和傳播兩個過程分開。首先通過LES大渦模型計算得到壓力脈動數(shù)據(jù)，即聲源信號，然后通過FW-H方法計算聲音的傳播過程。由于噪聲的計算需要在監(jiān)測點處獲得更加精確的壓力脈動數(shù)據(jù)，因此時間步長減小為4×10-4s。本文出風口處的聲音監(jiān)測點坐標為(0.25 m，-0.25 m，0.025 m)。

計算得到監(jiān)測點的壓力隨時間脈動曲線，然后通過Cruel方程和快速傅里葉變化得到旋轉噪聲的頻譜。

計算得到監(jiān)測點處聲壓隨時間的變化曲線，將獲得的時域譜進行FFT分析，又可得到各種聲壓的頻譜，由此可以計算各個頻率對聲壓的貢獻情況。由于每一個頻率都對應一定的聲壓值，造成頻譜分析的復雜性。但文中并不需要對每一個頻率成分進行分析，為了分析的方便性，通常把寬廣的聲音頻率變化范圍劃分為若干較小的段落，叫頻帶或頻程。聲壓級頻帶圖就是把在該頻帶內，不同頻率對應的聲壓取幾何平均值。通過對聲壓頻帶圖的分析，可在室內機結構設計時指導聲學方。

圖5所示為聲壓頻帶圖，空調室內機噪聲以低頻噪聲(低于200 Hz)為主，且波形圖與其它文章中相一致[17-18]。與高頻噪音相比，低頻噪音隨著距離越遠或遭遇障礙物時，衰減較慢。韓文等[19]采用多通道分析儀測量室內機在超高轉速1290 r/min時，50 s內的平均聲壓級為45 dB，與本文轉速為1200 r/min換熱管為圓管的結果基本一致。因此本文計算得到的波形圖和計算值基本準確。

圖5 不同頻帶下的聲壓級變化曲線Fig.5 Changes of sound pressure level with frequency

整理聲壓級在不同頻帶下的計算數(shù)據(jù)得到圓管和橢圓管的最大、最小聲壓級和低頻率內的聲壓級，如表2所示?？芍捎脵E圓管可降低空調室內機最大聲壓級3～4 dB，降低最小聲壓級4.5 dB。對比長短軸之比為1.5和2.0的兩個橢圓管，最大聲壓級后者比前者小1 dB；頻率為100 ～200 Hz時，前者的聲壓級為48.5 dB，后者為46 dB；頻率為200 ～350 Hz時，前者為42.5 dB，后者為40 dB，后者在低頻率噪聲(0～350 Hz)內聲壓級可以減小2.5 dB。因此，長短軸之比為2的橢圓管可以降低噪聲4 dB，并且在降低低頻噪聲有更好的效果。

表2 不同頻率下的聲壓級

4 結論

管翅式換熱器的結構對空調室內機風道系統(tǒng)的流動換熱和聲場有重要的影響。本文使用計算流體力學的Fluent軟件，對掛壁式空調室內機風道系統(tǒng)進行模擬，模擬的結果能基本反映室內機的真實流動狀況。通過分析橢圓管對室內機空氣側各種參數(shù)的影響，得到以下結論：

1)與圓管相比，計算頻率為0～1400 Hz時，采用橢圓管可以降低最大聲壓級3～4 dB，降低最小聲壓級4.5 dB，且在降低低頻噪聲方面有更好的效果；兩種橢圓管中，長短軸之比為2的橢圓管降噪效果更好，可降低4 dB左右。

2)不同結構換熱器對于貫流風機內部的非定常偏心渦的大小和形成位置影響不大，出風口蝸舌處壓力最大，換熱器結構的改變主要影響空氣在換熱器內部的紊流狀況和初次流入貫流風機的狀態(tài)。

3)同一種換熱器，隨著貫流風機轉速的增大，空調室內機風道系統(tǒng)的空氣流量增加，室內機可實現(xiàn)更好的制冷效果。蒸發(fā)器的圓管替換為橢圓管可顯著增加出風量，長短軸之比為2的橢圓管效果最好。

因此，與圓管相比，橢圓管對于增加空調室內機風量，降低噪聲方面有良好效果。本文的研究對橢圓管在空調和制冷設備中的應用有一定的指導意義。

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About the corresponding author

Wang Shuangfeng, female, professor, Ph.D. adviser, Key Laboratory of Heat Transfer Enhancement and Energy Conservation of Education Ministry, South China University of Technology, +86 20-22236929, E-mail: sfwang@scut.edu.cn. Research fields: clean energy utilization and energy conservation and emissions reduction technology; aviation, electronics and optoelectronics (LED) in the field of heat dissipation technology; micro flow, heat transfer and basic research; phase change energy storage material and technology, etc.

Numerical Simulation of the Influence of Elliptical Tube Heat Exchanger in Indoor Unit of Air Conditioner on its Acoustic Field

Zhou You Zhang Xinqiang Wang Shuangfeng

(Key Laboratory of Heat Transfer Enhancement and Energy Conservation of Education Ministry, South China University of Technology, Guangzhou, 510640, China)

Elliptical tube heat exchanger has been widely used in heat exchange equipment due to its good flow and heat transfer characteristics. In this paper we use computational fluid dynamics method to simulate the flow field and sound field generated by the indoor unit of air conditioner with elliptical finned tube heat exchanger , and make comparison with circular tube heat exchanger. The results show that for the inside the cross-flow, the structure of tubes in heat exchangers has no effect on the location and size of the eccentric vortex; compared with the circular tube finned heat exchanger with the same cross-sectional area, the air conditioners using elliptical tubes work better on increasing the air volume, improving cooling effect and reducing noise especially low-frequency noise under the same conditions. Above all, the conditioner using elliptical tubes in which the ratio of the long axis and short axis is 2.0 can reduce noise 4 dB.

air-conditioner indoor unit; elliptical tube; noise reduction; numerical simulation

0253- 4339(2016) 02- 0087- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.087

2015年7月8日

TB657.2； TQ051.5； TP391.9

A

簡介

汪雙鳳，女，教授，博士生導師，華南理工大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室，(020)22236929，E-mail: sfwang@scut.edu.cn。研究方向：清潔能源利用及節(jié)能減排技術，航空、電子及光電領域(LED)散熱技術，微納傳熱與流動基礎，相變儲能材料與技術等。