張海南 邵雙全 田長青/中國科學院理化技術研究所

0 引言

空調系統(tǒng)已經廣泛應用于各類建筑中，給人類的生活條件帶來明顯的改善。數(shù)據顯示，2011 年我國房間空調器產品總產量突破1 億臺，占世界的75%，其中大部分為壁掛式空調器。壁掛式空調器因其結構緊湊、外觀美觀，其運行負荷能夠滿足普通家庭房間的制冷和供熱要求，所以一直以來都在家用空調市場中占據主導地位。然而，其面臨著以下兩方面問題：

1）降低噪聲迫在眉睫

噪聲污染已經成為影響人民生活的一大公害，在較多城市市民對環(huán)境污染的投訴中，噪聲問題已占了67%以上,空調噪聲在其中又占了非常大的比例[1-2]。壁掛式室內機是空調室內機的主要形式，由于直接安裝在室內，所產生的噪聲很容易對室內人員的工作和生活產生影響。同時，用戶對空調噪聲的主觀感覺比其他性能更加明顯，因此用戶對壁掛式室內機的降噪性能要求比其他性能更高。解決壁掛式室內機的噪聲問題一直是國內外各大空調器廠家技術研究的重點和難點，產品的低噪聲已成為衡量市場競爭力的重要指標之一[3-5]。

2）節(jié)能減排日趨嚴峻

目前為了降低噪聲，主要是靠降低風量，但犧牲了性能。降低噪聲與節(jié)約能耗的矛盾還沒有很好地解決。我國是一個能源短缺的國家，同時是一個能源消耗大國，建筑能耗問題尤為嚴峻。隨著國民經濟的發(fā)展、人民生活水平的提高，空調應用日益廣泛，空調用電占總用電總量的比例在不斷上升，空調能耗已占總能耗20%左右，因而空調節(jié)能意義巨大[6]。

由于壁掛式家用空調的廣泛應用，在降噪與節(jié)能兩方面做出改進，不但有助于降低噪聲公害和國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的實施，也將會給企業(yè)帶來巨大的市場競爭力和利潤。

解決降噪與節(jié)能的難題要從優(yōu)化設計入手，室內機風道和空調器的性能參數(shù)有著密切的關系，是決定室內機性能的主要因素[4,7]，因此室內機風道系統(tǒng)的設計尤為重要。由于壁掛式室內機風道內部流動的復雜性，流場優(yōu)化與降噪研究還很不充分，需要深入系統(tǒng)地進行研究。

1 壁掛式室內機結構形式

壁掛式室內機一般由進風百葉窗、熱交換器、貫流風機(葉輪、蝸舌、蝸殼)和出風導流片等幾個結構組成，這些結構組成室內機的風道。

圖1為風道結構剖面示意圖[8]?？照{運行過程中，循環(huán)氣流從上部進入室內機，在換熱器處完成換熱后再通過貫流風機，經出風導流片流出室內機。其內部流動的顯著特點是流體兩次流經貫流風機葉輪，在貫流風機內形成特有的偏心渦現(xiàn)象，流動狀態(tài)復雜。

圖1 掛壁式空調室內機風道結構[8]

擁有較大風量和較低的噪聲水平是性能優(yōu)良的室內機的標志。然而，這兩者又存在著矛盾，增大循環(huán)風量往往導致噪聲也同時增大。這就必須采用優(yōu)化設計的方法獲得兩者之間的平衡。對風道進行優(yōu)化設計，可以獲得較大的風量和較小的噪聲水平。近年來，很多企業(yè)和高校正在對壁掛式室內機的風道進行研究，以求實現(xiàn)流場優(yōu)化和降低噪聲。

2 流場優(yōu)化與降噪研究進展

壁掛式空調室內機風道流場按其位置大概可以分為換熱器流場、貫流風機流場和進出風口流場。下面將分別針對這三個部分介紹國內外的研究進展。這里，由于貫流風機的應用不僅限于空調室內機，貫流風機的普遍研究結果對于空調用貫流風機的優(yōu)化設計也有重要的參考價值，因此貫流風機流場部分將包括這些普遍內容的研究進展。

2.1 換熱器流場優(yōu)化與降噪研究

換熱器是空調室內機的重要組成部分，也是實現(xiàn)空調制冷制熱的關鍵結構部件。空調室內機換熱器一般采用管翅式換熱器，翅片多選用特殊材料處理的鋁翅片，且翅片上設有開窗結構來增加換熱。換熱器附近的流場對室內機風道的整體流場有著重要的影響。不同換熱器結構，如換熱器折數(shù)、布置方式、翅片形式的不同，會使空調室內機的性能有著很大的差別，因此，對換熱器的結構的研究也就具有重要的意義[9]。這方面研究可以分為兩類，一是研究換熱器結構對風道系統(tǒng)特性的影響，二是研究其本身換熱和壓降特性。

對于第一類研究，早期主要通過實驗方法進行。2000年，鄧明義等人[10]對于風道內換熱器的折數(shù)和布置方式進行了實驗分析，提出了三種可以降低氣動噪聲的方法，即采用四折式換熱器、適當加大換熱器距葉輪的距離和采用蒸發(fā)器局部倒片。實驗證明了這三種方法單獨或聯(lián)合使用可以得到較好降噪效果。但加大換熱器與葉輪距離受整體尺寸限制，是否對換熱有影響也需進一步探討。

隨著計算流體力學（CFD）的迅速發(fā)展，采用數(shù)值模擬方法進行的研究逐漸增多。2003年，郝輝等人[11]應用FLUENT軟件對室內機換熱器的結構進行了分析，研究結果同樣表明增大換熱器與葉輪距離，采用四折甚至圓弧形換熱器對于優(yōu)化內部流動和降低噪聲有明顯效果。此后，胡俊偉等人[8-9]采用STAR-CD軟件對不同折數(shù)換熱器以及圓弧形換熱器開展了模擬計算，得出與郝輝等人相同的結論。并指出多折換熱器布置方式能夠給貫流風機提供一個比較好的進氣流場，但是多折的形狀會增加換熱器模具的成本，還會增大室內機的厚度。這也是在目前平板型薄厚度室內機結構成為主流趨勢的情況下，改善換熱器結構遇到的一個突出的矛盾。2011 年，陳煥新等人[12]采用FLUENT數(shù)值模擬的方法研究了四種采用不同結構換熱器的室內機風道流場，指出了一種貫流風機進口氣流更為均勻的方案。這種通過數(shù)值模擬選擇最佳方案的方法受限于隨機性，獲得的優(yōu)化效果比較有限。

對于第二類研究，雖然國內外針對管翅式換熱器特性研究比較廣泛，但結合空調室內機流場特點進行的較少。金巍巍等人[13]設計了適用于低流速和Re 數(shù)(迎面風速lm/s 與3m/s，對應Re 數(shù)901與2 702)下的空調室內機用管翅式換熱器的開縫翅片形式。研究表明在上述迎面風速和Re數(shù)范圍內，開縫翅片性能曲線和平片性能曲線不可避免地有一個交叉點，對應Re 數(shù)稱為轉折Re數(shù)。在交叉點前的速度和Re 數(shù)范圍內，平片換熱器的綜合性能優(yōu)于開縫翅片，而交叉點后則相反，并據此提出了改善換熱器綜合性能的“前疏后密”原則。上海交通大學胡俊偉等人[14]利用計算流體力學軟件STAR-CD分析了開縫翅片厚度對換熱器壓降、換熱特性的影響。得出了翅片開縫能起到強化換熱的效果且開縫翅片厚度存在最佳值等結論，為優(yōu)化新型管翅式換熱器提供了參考。

可見，換熱器的流場優(yōu)化與降噪方法主要是改變折數(shù)、位置、翅片形式等結構參數(shù)。但其中有些參數(shù)的改變對于室內機控制成本和尺寸都較為不利，目前的研究大多沒有結合實際應用進行考察，實際應用的限制也應該予以考慮。

2.2 貫流風機流場優(yōu)化與降噪研究

貫流風機由于具有體積小、噪聲低和流量平穩(wěn)的特點，是掛壁式空調器室內機流道中最重要的部件，其結構見圖2。貫流風機內部氣流兩次流經葉輪葉片，在葉輪內部靠近渦舌區(qū)域存在一個偏心渦。貫流風機的三個結構：葉輪、蝸舌和蝸殼均對風機的流場和噪聲有著重要影響。

圖2 貫流風機葉輪圖

上世紀六十年代，日本學者就開始進行針對貫流風機的研究[17-19]。近二十年來，由于空調等家用電器行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對貫流風機的研究需求迫切，所以有許多學者開展了貫流風機的研究，推動了室內機節(jié)能降噪水平的提高。目前，對于壁掛式室內機貫流風機結構研究主要集中在貫流風機葉輪上，提出了不等距葉輪、斜齒葉輪等一系列新形式。同時，蝸舌、蝸殼等外部結構的影響分析也逐漸深入。下面將分葉輪與外部結構兩部分總結目前的研究進展。

2.2.1 葉輪優(yōu)化設計

國內外學者針對貫流風機的葉輪提出的優(yōu)化方案主要有不等距葉輪、斜齒葉輪、分節(jié)葉輪、大小葉片葉輪等。這些新形式葉輪的出現(xiàn)使得風機節(jié)能降噪技術有了廣闊的發(fā)展空間。

不等距葉輪和斜齒葉輪與普通葉輪相比可以顯著降低噪聲，這兩種葉輪研究發(fā)展較早，并且有了較好的應用。區(qū)穎達等人[20]采用實驗方法研究了不等距葉輪與斜齒葉輪的降噪效果，發(fā)現(xiàn)流量較低時，這兩種葉輪有降噪效果，但隨著流量的增加，這兩種葉輪的噪聲增加量大于普通葉輪，在大流量范圍內噪聲特性比普通葉輪更差。這表明，不等距葉輪和斜齒葉輪的噪聲受流量影響更為明顯，為后來的研究提供了借鑒。

目前，不等距葉輪設計中最重要的問題是合理確定葉片的分布。Moon 等人[21-22]采用數(shù)值計算方法研究發(fā)現(xiàn)葉片間隔角按照正弦分布可以將基頻噪聲在頻譜上幾乎對稱地分散開，增加葉片分布的隨機性則會使基頻噪聲移向高頻。雖然所提出的兩種不等間距葉輪布置方式獲得的并不明顯，但說明了找到最佳分布規(guī)律可以更好地達到降噪效果。此后，胡俊偉等人[23]提出的不等距葉輪結構實現(xiàn)了噪聲的顯著降低。但仍然采用隨機選取法確定葉片分布，還缺乏通用性。

斜齒葉輪設計中最重要的問題是葉片扭曲角度的選取。Tsai等人[24]采用實驗方法對比了采用直葉輪和兩種扭曲角度不同的斜齒葉輪的貫流風機特性，見圖3。RSA-0、RSA-5、RSA-10 分別代表直葉輪、扭曲一個葉片間距和扭曲兩個葉片間距。研究表明扭曲角度較小時斜葉輪具有更好的聲學特性，但角度較大時高頻噪聲會增大。這表明，采用斜齒葉輪時，葉片的扭曲角度存在著最佳值，這對于斜齒葉輪的設計有參考價值。

圖3 直葉輪與兩種扭曲角度不同的斜葉輪

不等距葉輪與斜齒葉輪都可以實現(xiàn)降噪效果，因而將兩者綜合起來是很有潛力的發(fā)展方向。游斌等人[25]設計了一種斜齒不等距葉輪，即在不改變蝸殼和蝸舌配置的條件下，將常規(guī)直貫流葉輪的葉片沿圓周不等間距分布，同時在軸線方向上將葉片沿圓周扭曲一定的角度。在原有的流量-壓力特性不變的條件下，相同流量時噪聲降低0.6～1dB,葉片通過頻率噪聲峰值降低約6.5dB。

斜齒葉輪雖然能夠很好的降低噪聲和改善音質，但模具成本高、生產效率低。游斌等人[26]研究了一種大小葉片葉輪，沿圓周方向上，大小葉片交錯分布，葉片之間不等距分布。實驗表明這種葉輪具有斜齒葉輪的低噪聲和高品位音質，同時具有更低的模具成本和更高的生產效率。

采用分節(jié)葉輪也是一種改善貫流風機性能的方法。這種葉輪軸向分成若干節(jié)，節(jié)和節(jié)之間設計一定的轉角。通過合理的設計可以明顯的降低噪聲而不影響氣動性能。Li 等人[27]的研究結果表明，對于所研究的分為10 節(jié)的葉輪來說每一節(jié)葉輪之間的最佳轉角為3°～4°。邵雙全等人[28]采用數(shù)值仿真方法研究了分節(jié)葉輪的噪聲。所研究的葉輪分為六節(jié)，節(jié)與節(jié)之間轉角為4.938°。計算得出噪聲值低于40dB(A),且與實驗結果吻合良好。

2.2.2 葉輪外部結構優(yōu)化設計

葉輪外部結構主要包括蝸舌和蝸殼，它們對風機性能也有著重要的影響。1976年，日本科學家Murata等人[29-30]采用實驗方法首次定量地研究了蝸殼蝸舌等外部結構尺寸與風機性能的關系。指出蝸舌間隙、蝸舌進氣端位置角與蝸殼形狀是影響性能的主要因素，而其他參數(shù)影響較小。進一步地，詳細分析了這些參數(shù)對風機性能曲線和流場內偏心渦位置的影響，為后續(xù)研究打下了很好的基礎。目前，針對葉輪外部結構的研究可分為以下幾個方面：

一些研究著眼于蝸舌結構本身的改進。2000 年，Koo[31-32]通過實驗驗證了通過采用斜蝸舌可以降低室內機的噪聲水平，為貫流風機降噪提供了一個可選擇的方向。在此基礎上，周撥等人[33]通過試驗比較了用直蝸舌和斜蝸舌時內流、外特性及噪聲頻譜?？梢钥闯鲂蔽伾嗯c直蝸舌相比，外特性性能略有改善；斜蝸舌有效地離散降低了葉片與蝸舌干涉頻率對應的噪聲峰值，有助于貫流風機整體噪聲的控制。揭示了斜蝸舌改善葉輪內流、降低噪聲及斜蝸舌設計的有效性。

另一些研究著眼于研究蝸舌形狀及位置(間隙)的改變對風機性能的影響。Govardhan等人[34]研究了六種貫流風機（三種葉輪和兩種蝸舌）的性能。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，進口總壓和靜壓并不隨葉輪和蝸舌形狀發(fā)生變化，而在葉輪出口卻變化很大，其中一種葉輪和蝸舌進行搭配可以獲得更高的總壓和效率。胡俊偉等人[35]采用CFD 方法，研究了蝸舌間隙、進口角、蝸殼間隙、蝸舌位置角和出口角等一系列參數(shù)與貫流風機進、出口流速間的關系，從中尋找出了每個結構參數(shù)變化對貫流風機流場影響的規(guī)律。陳啟明等人[36]采用實驗方法比較了四種葉輪尺寸參數(shù)、蝸舌間隙和蝸殼間隙不同的貫流風機性能，得出了該空調器貫流風機最佳的結構參數(shù)值。文獻[35]與文獻[36]的研究分別針對單一參數(shù)變化和多參數(shù)變化下的性能變化，但還缺乏整體性和系統(tǒng)性。

也有學者將材料技術的一些新成果應用于蝸舌的改進。賴煥新等人對采用多孔蝸舌的貫流風機性能和噪聲進行了研究。其中，文獻[37-38]對采用多孔板和容腔組合而成的蝸舌進行了研究，見圖4。結果表明多孔蝸舌對貫流風機的壓力-流量曲線作用并不明顯,但有一定的降噪能力。文獻[39]使用四種不同的多孔材料制作蝸舌，得出某貫流風機蝸舌的四種替換方案。實驗表明相比原風機，四種多孔材料方案改造后，風機的氣動性能均有一定的提高，但噪聲卻有所增大。雖然沒有得到顯著的性能提高和降噪效果，但為貫流風機引入新材料和工藝的思想值得借鑒。

圖4 多孔板與容腔組合的蝸舌結構圖

大多數(shù)研究的出發(fā)點是在流量一定下降低噪聲，Wu 等人[40]著眼于在避免噪聲加強的情況下提高流量，提出了兩種改進的蝸舌外形。這兩種改進都能實現(xiàn)在不增大噪聲的前提下顯著提高流量。將室內機的性能和噪聲綜合考慮是其出色之處。

綜上所述，貫流風機及其在壁掛式室內機中的應用研究還存在以下一些問題和不足：

1）改善氣動和噪聲性能多針對貫流風機的一個部件進行，較少從風機和風道整體的系統(tǒng)角度考慮，流道內多個參數(shù)變量下的最優(yōu)化設計值得研究；

2）降噪研究大多只關心噪聲降低而忽略了流量等風機性能參數(shù)，使得與實際應用有一定距離；

3）不等距葉輪的葉片分布主要是采用隨機選取法，所得到的降噪效果有一定隨機性。為了不等距葉輪更廣泛地應用，需要解決葉片的最佳分布問題?？梢詤⒄蛰S流風機的研究方法進行優(yōu)化設計。

2.3 進出風口流場優(yōu)化與降噪研究

壁掛式空調室內機風道進出風口結構也會對室內機的性能產生影響，如貫流風機進風方式、風道排氣口的擴散角及出風導流片的厚度等。

2003年，鄒道玉等人[41]對室內機氣流出口底盤型線進行了CFD 模擬研究。研究表明出口部分底盤型線不能完全按照等壓線來設計,而是要有一定擴散角。通過大量的模擬分析,指出出口擴散角合理的范圍為10°～15°。

胡俊偉、丁國良等人[8,42]采用實驗方法研究了室內機出風口導流片對室內機噪聲和聲質量的影響，在直齒等間距和斜齒非等間距兩種葉輪下，采用不同厚度的導流片對室內機響度進行了分析。研究表明增大導流片厚度可降低室外機噪聲，但由于導流片厚度增大的同時，出風口流量也會隨之減小，因此導流片厚度也不宜過大。他們推薦導流片厚度不宜大于8mm，取6～7mm較為合適。

目前，進出風口流場優(yōu)化與降噪研究較少。由于進出風方式和位置對于流道內氣流流動情況有較大影響，因此有必要對進出風口的結構進一步研究。

3 總結與展望

以上分別針對壁掛式室內機流場的三個部分：換熱器流場、貫流風機流場和進出風口口流場的研究進展進行了介紹，并分別提出了建議。然而，對于每個部件的優(yōu)化設計研究的最終目的是室內機風道系統(tǒng)發(fā)揮最優(yōu)性能，這需要研究怎樣使各部件之間達到最佳配合，從而獲得流場優(yōu)化與降噪效果。針對壁掛式室內機整體流道性能的研究還很不充分，今后的研究可以考慮以下幾個方面：

1）從提高總體性能（提高風量、換熱量與降低噪聲）的角度研究壁掛式室內機風道系統(tǒng)的優(yōu)化設計方案，而不是單獨考慮其中一個指標。這更有利于總體性能的提升和產品的實際應用。

2）由于單獨考慮某個部件獲得的性能改進十分有限，需要綜合考慮換熱器、進出風口和貫流風機組成的整個風道系統(tǒng)，進行整體風道結構的設計，以實現(xiàn)性能的最優(yōu)化。

3）采用數(shù)值模擬方法研究，研發(fā)出一整套模擬、優(yōu)化室內機風道結構的方法，縮短企業(yè)的研發(fā)周期并且節(jié)約大量實驗經費。

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