汪春節(jié)

格力電器股份有限公司

0 引言

在制冷系統(tǒng)中，制冷劑在系統(tǒng)中的流動(dòng)依靠管路的連接。而管路之間采用的配合焊接的連接密封方式，使得管路配合往往會(huì)出現(xiàn)孔腔繞流的現(xiàn)象。

研究人員對(duì)于空調(diào)管路中的噪聲研究，多采用實(shí)驗(yàn)的方式，結(jié)果準(zhǔn)確，而實(shí)驗(yàn)室資源的短缺、實(shí)驗(yàn)設(shè)備費(fèi)用較高、操作設(shè)備的技術(shù)人員短缺等問(wèn)題的存在使得空調(diào)行業(yè)的噪聲測(cè)試還未完全實(shí)現(xiàn)所有空調(diào)機(jī)組的測(cè)試通用。同時(shí)影響產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。蘭江華[1-2]對(duì)空調(diào)異常音采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行原因的查找及定位。張楠[3-4]等對(duì)孔腔流激噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。徐俊[5]等對(duì)孔腔水動(dòng)噪聲進(jìn)行研究并采用加隔板的方式進(jìn)行降噪。

本文采用FLUENT數(shù)值計(jì)算的方法，研究流體在流經(jīng)孔腔結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特性，從而探討幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于孔腔發(fā)生的影響，指導(dǎo)實(shí)際測(cè)試與生產(chǎn)過(guò)程。

如圖1為管路連接示意圖，出于制冷劑充灌的需要，壓縮機(jī)的排氣管5上布置有小管徑的工藝管3，而工藝管3與壓縮機(jī)的排氣管路的連接，通常采用工藝管3深入排氣管5焊接的形式固定。在空調(diào)生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)工藝管3向空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部灌注制冷劑。完成制冷劑灌注后，通常采用激光焊接的形式將工藝管3密封，因此，形成了一個(gè)孔腔結(jié)構(gòu)。

圖1 室外機(jī)管路連接示意圖

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

對(duì)工藝管3位置管路即上述的孔腔結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，提取數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。Z軸方向管路為直徑為φ12 mm的排氣管5，X方向管路為直徑為φ 6 mm的工藝管3。為研究噪聲產(chǎn)生情況下的流場(chǎng)分布，將管路插入深度設(shè)定為為8 mm。

圖2 仿真模型

采用Mesh對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格模型則如圖3所示。并在計(jì)算之前對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行了驗(yàn)證[6]。

圖3 網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

CFD計(jì)算軟件提供了多種常用的湍流模型。本文采用κ-ε模型[7]進(jìn)行計(jì)算。

2.1 控制方程

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

式中：μeff為有效粘性系數(shù)，P'為修正壓力。

湍流模型κ-ε湍流雙方程如下：

式中：C1ε、C2ε表示經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σε、σk是與耗散率 ε 和湍動(dòng)能k對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；Gk為平均速度下湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；ρ為流體的密度；μ為動(dòng)力粘度；t則為熱力學(xué)溫度值。

2.2 噪聲模型

管內(nèi)部制冷劑流動(dòng)的繞流等發(fā)聲，采用FW-H積分方程。通過(guò)考慮連續(xù)性方程和N-S方程推導(dǎo)成的非齊次波動(dòng)方程求解。其中包含了面生源項(xiàng)、體聲源項(xiàng)。其計(jì)算式為：

式中：ρ0表示流體媒質(zhì)的密度，c0表示聲速，vn表示運(yùn)動(dòng)的物體表面法向的速度，Tij表示Lighthill應(yīng)力張量，采用f=0的方程定義運(yùn)動(dòng)物體表面。

2.3 邊界條件設(shè)定

采用家用空調(diào)制冷劑為R290的系統(tǒng)進(jìn)行分析。根據(jù)不同的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率設(shè)定進(jìn)出口邊界條件進(jìn)行分析。根據(jù)工藝管與排氣管配合位置的壓力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)采用FW-H對(duì)噪聲進(jìn)行分析。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證

對(duì)蘭江華[1-2]論文中給出的測(cè)試結(jié)果與相同測(cè)試條件下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)如圖4，圖中表明，在測(cè)試情況下，頻率在4024.82 Hz時(shí)，出現(xiàn)異常音。仿真結(jié)果圖5所示，通過(guò)對(duì)工藝管位置的壓力記錄，得到在頻率為4100 Hz左右時(shí)出現(xiàn)異常音。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。因此，可以采用此控制方程對(duì)模型進(jìn)行分析。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試頻域分析圖

圖5 仿真分析頻域分析圖

3.2 管道內(nèi)速度分布

對(duì)制冷劑在經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)排氣后流經(jīng)工藝管位置的速度場(chǎng)進(jìn)行分析。如圖6所示，分別截取三個(gè)方向的速度分布矢量圖。圖6（a）為XZ方向流動(dòng)分布，從圖中可以看出，制冷劑在流經(jīng)工藝管位置時(shí)，因工藝管的伸入，使得其對(duì)應(yīng)位置的流速在一定程度上有所增加。而工藝管作為一個(gè)密封的腔體，其內(nèi)部空間受制冷劑流動(dòng)的壓力影響，產(chǎn)生多個(gè)旋渦流。圖6（b）為YZ方向流動(dòng)分布，制冷劑在流經(jīng)工藝管位置時(shí)，形成繞流，在空間較小位置，速度有所增加。在工藝管的空腔內(nèi)部，形成渦流流動(dòng)。圖6（c）為XY方向流動(dòng)分布，在X方向的沿線上，工藝管內(nèi)部形成多個(gè)旋渦流，且相鄰間流動(dòng)旋渦方向相反。

圖6 速度分布矢量圖

3.3 不同流速下的管路噪聲分析

對(duì)上述模型中不同流速時(shí)的工藝管處噪聲進(jìn)行記錄分析。得到頻域分析圖的結(jié)果如圖7所示。圖中可以看出，不同的制冷劑流速使得在不同頻率位置均存在一定的異常波動(dòng)。速度較低時(shí)，在10 m/s左右，在頻率為1700 Hz左右出現(xiàn)異常。隨著管路內(nèi)制冷劑流動(dòng)速度的增加，分別在不同頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生噪聲波動(dòng)。

圖7 不同排氣速度頻域分析圖

3.4 不同管路插入深度噪聲分析

對(duì)不同工藝管插入深度分別進(jìn)行建模，其模型截面圖如圖8所示。分別對(duì)三種情況下的管路噪聲進(jìn)行記錄分析，得到結(jié)果如圖9所示。如圖8所示工藝管在排氣管上的插入深度分別為3 mm、6 mm、8 mm。如圖9所示，工藝管插入深度較小時(shí)，對(duì)排氣管路的影響較小，雖有孔腔存在，但沒(méi)有異常音的產(chǎn)生。深度增加為6 mm時(shí)，頻譜較為平緩，無(wú)異常音的出現(xiàn)，但整體的噪音值有所升高。隨著深度尺寸的增加，對(duì)排氣管路內(nèi)的制冷劑流動(dòng)造成了較大的影響，在頻率為4000 Hz左右位置出現(xiàn)了異常音，引起管路的噪聲異常。

圖8 不同工藝管插入深度模型示意圖

因此，在管路尺寸設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮制冷劑灌注過(guò)程需要的工藝管路的長(zhǎng)度尺寸以及加工過(guò)程中工藝管與排氣管的配合長(zhǎng)度尺寸。便于控制生產(chǎn)并消除后續(xù)因配合尺寸問(wèn)題引起的噪聲。

圖9 不同管路長(zhǎng)度頻域分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，基于相似理論，得到工藝管插入深度與排氣管路直徑的關(guān)系。在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中，需要將工藝管的插入深度控制在排氣管路直徑的0.3倍以內(nèi)，防止噪聲的產(chǎn)生。

4 總結(jié)

本文采用FLUENT對(duì)空調(diào)管路配合連接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流場(chǎng)計(jì)算與噪聲分析。先通過(guò)相同工況下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析兩者吻合。然后通過(guò)對(duì)插入深度為8 mm的工藝管路對(duì)排氣管路的流場(chǎng)影響，得到了在空調(diào)運(yùn)行過(guò)程中，工藝管形成的孔腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流場(chǎng)變化，表明其中包含多個(gè)渦流的存在。再次，對(duì)不同流速中的管路噪聲計(jì)算，得到在不同速度情況下，在不同頻率位置存在高低不同大小的噪聲值。因工藝管路插入深度較深，所計(jì)算的頻率中均有異常音的存在。最后，對(duì)管路插入深度的影響進(jìn)行了分析，分析表明，管路插入深度較小時(shí)，對(duì)排氣管路的影響較小，噪聲較低且無(wú)異常音的存在，隨著深度的增加，整體噪聲增大，且當(dāng)深度超過(guò)管路直徑一半的尺寸時(shí)，產(chǎn)生異常音。因此，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)控制工藝管的插入深度在0.3倍的排氣管直徑內(nèi)容，防止孔腔噪聲的產(chǎn)生。