郭寶坤，李躍飛，馬麗華，劉鑫，謝軍龍*

（1-華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2-廣東美的暖通空調(diào)設(shè)備有限公司，廣東佛山 528311）

導(dǎo)流圈干涉處理對(duì)空調(diào)室外機(jī)流場的影響

郭寶坤1，李躍飛2，馬麗華2，劉鑫1，謝軍龍*1

（1-華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2-廣東美的暖通空調(diào)設(shè)備有限公司，廣東佛山 528311）

處理室外機(jī)導(dǎo)流圈與其他部件的裝配干涉時(shí)，普遍采用切割導(dǎo)流圈的方法。本文對(duì)一款空調(diào)室外機(jī)導(dǎo)流圈的不同位置進(jìn)行不同大小的切割，并利用CFD技術(shù)分析切割產(chǎn)生的缺口對(duì)室外機(jī)風(fēng)量及流場帶來的影響。結(jié)果表明，室外機(jī)側(cè)進(jìn)口附近的導(dǎo)流圈缺口對(duì)風(fēng)量的影響最大，尤其缺口的邊界接近導(dǎo)流圈喉部時(shí)，會(huì)引起風(fēng)量下降4%左右；對(duì)其流場分析后發(fā)現(xiàn)，切割后該位置對(duì)應(yīng)的低壓區(qū)域的范圍減小，葉尖渦影響區(qū)域增大，同時(shí)壓力脈動(dòng)幅值減小。

空調(diào)；導(dǎo)流圈；干涉處理；數(shù)值仿真

0 引言

空調(diào)室外機(jī)風(fēng)機(jī)風(fēng)道的主要部分是典型的半開式軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。軸流風(fēng)扇作為風(fēng)道系統(tǒng)的重要做功部件，對(duì)冷凝器的換熱效果起著關(guān)鍵的作用[1]；而導(dǎo)流圈結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)扇的流量特性和噪聲特性有重要影響，二者的合理匹配能起到改善流場、增大流量以及降低系統(tǒng)噪聲的效果[2]。

隨著CFD技術(shù)的不斷完善及其計(jì)算精度的進(jìn)一步提高，數(shù)值仿真模擬在風(fēng)機(jī)風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。CFD軟件可以方便地對(duì)風(fēng)機(jī)的雙工況甚至多工況特性進(jìn)行分析，解決風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的許多困難[5]。通過仿真模擬的可視化技術(shù)，針對(duì)性地提出優(yōu)化方案，可以大大節(jié)約研發(fā)成本[6]。楊維平[7]等運(yùn)用CFD技術(shù)研究確定了冷卻風(fēng)扇與導(dǎo)風(fēng)罩相關(guān)結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù)。文獻(xiàn)[8]通過數(shù)值模擬分析了空調(diào)室外機(jī)風(fēng)扇與導(dǎo)風(fēng)罩之間流場的壓力脈動(dòng)特性。由于結(jié)構(gòu)限制，空調(diào)室外機(jī)采用的導(dǎo)流圈基本為半開式。丁國良等[10]利用CFD仿真分析了半開式導(dǎo)流罩寬度、導(dǎo)弧對(duì)室外機(jī)噪聲的影響。王雙興[11]通過數(shù)值仿真模擬得出某空調(diào)導(dǎo)流罩的合適的寬度范圍。WU等[12]對(duì)室外機(jī)導(dǎo)流圈參數(shù)進(jìn)行研究，并對(duì)其各項(xiàng)參數(shù)對(duì)流量的影響程度進(jìn)行對(duì)比。趙亮等[13]也對(duì)室外機(jī)導(dǎo)風(fēng)圈的參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

此外，王巍雄等[14]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了導(dǎo)流圈在風(fēng)扇前緣、尾緣和中間3種軸向位置下，散熱風(fēng)扇的氣動(dòng)性能。JANG等[15]使用LDV測量了空調(diào)軸流風(fēng)扇葉頂間隙的流動(dòng)情況，設(shè)計(jì)了一種能減小葉頂間隙處回流的導(dǎo)風(fēng)圈。

可以看出，有關(guān)導(dǎo)流圈對(duì)室外機(jī)流場的影響的研究都集中于導(dǎo)流圈的結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)設(shè)置、導(dǎo)流圈與風(fēng)輪相對(duì)位置等方面，但是鮮有文獻(xiàn)提及導(dǎo)流圈因裝配干涉被切割后對(duì)室外機(jī)風(fēng)量及流場帶來的影響。為對(duì)這一課題進(jìn)行研究，本文對(duì)一款室外機(jī)模型的導(dǎo)流圈進(jìn)行切割，分析切割后，室外機(jī)風(fēng)量及流場發(fā)生的變化。

1 室外機(jī)及其導(dǎo)流圈

本文所分析的模型是某款6匹雙風(fēng)輪室外機(jī)如圖1所示，不考慮其壓縮機(jī)區(qū)域只考慮其風(fēng)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)，包括機(jī)殼、導(dǎo)流圈、軸流風(fēng)葉、電機(jī)及電機(jī)支架。此模型中所采用的軸流風(fēng)葉外徑為508 mm，輪轂比為0.3，葉片數(shù)為3片，分析主體對(duì)象是上下并聯(lián)的導(dǎo)流圈。由于導(dǎo)流圈與換熱器和中隔板等部件發(fā)生裝配干涉，導(dǎo)流圈的進(jìn)口彎邊在相應(yīng)地方被切去一部分，如圖2所示。

圖1 室外模型圖

圖2 原機(jī)導(dǎo)流圈

2 計(jì)算方法及試驗(yàn)驗(yàn)證

由于室外機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此對(duì)計(jì)算模型采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，其中旋轉(zhuǎn)區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)葉片表面和葉頂間隙的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，旋轉(zhuǎn)區(qū)域與內(nèi)流場其他區(qū)域通過interface交換數(shù)據(jù)?？紤]到電機(jī)及其支架對(duì)氣流具有阻塞作用，對(duì)電機(jī)及其支架附近的網(wǎng)格也進(jìn)行適當(dāng)加密。此外，在室外機(jī)的出口加上延伸段以保證室外機(jī)出口邊界的流動(dòng)均勻性。整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)為3,854,191，其中旋轉(zhuǎn)區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為2,456,617。

該室外機(jī)內(nèi)部流場的CFD仿真分為定常計(jì)算和非定常計(jì)算兩部分。定常計(jì)算部分采用Realizable k-ε湍流模型。Realizable k-ε模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的改進(jìn)型，增強(qiáng)了其在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、二次流以及流動(dòng)分離的預(yù)測能力[6]。壓力-速度耦合方式采用SIMPLE算法，近壁面函數(shù)采用scalable壁面函數(shù)，旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，非定常計(jì)算時(shí)旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用滑移網(wǎng)格法以求解風(fēng)葉與導(dǎo)流圈的相互作用。模型的進(jìn)出口都采用壓力邊界條件。計(jì)算殘差低于10-4，且流量波動(dòng)小于5‰時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。

為了驗(yàn)證該計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，對(duì)裝配有原機(jī)導(dǎo)流圈的室外機(jī)進(jìn)行風(fēng)量測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和模擬狀態(tài)均不考慮換熱器部件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比如表1所示，從風(fēng)量上來看，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，二者誤差在5%以下，說明邊界設(shè)置是合理的，該計(jì)算方法可信。

表1 試驗(yàn)風(fēng)量與模擬風(fēng)量對(duì)比

3 導(dǎo)流圈干涉處理對(duì)室外機(jī)流場的影響

為了研究導(dǎo)流圈被切割的位置和大小對(duì)室外機(jī)風(fēng)量及內(nèi)部流動(dòng)特性的影響，仿照干涉處理的形式對(duì)完整的導(dǎo)流圈進(jìn)行切割，切割位置如圖3所示。導(dǎo)流圈上的位置A靠近換熱器，位置B靠近室外機(jī)中隔板，位置C處于兩個(gè)導(dǎo)流圈之間，都是易發(fā)生裝配干涉的地方?？紤]到裝配過程中兩個(gè)導(dǎo)流圈同時(shí)與換熱器或者中隔板發(fā)生裝配干涉，每個(gè)方案都同時(shí)對(duì)兩個(gè)導(dǎo)流圈進(jìn)行相同程度的切割。定義導(dǎo)流圈切割面距導(dǎo)流圈劣弧最外沿的水平距離為切割量d。每個(gè)位置均有3個(gè)切割量，分別為10 mm、20 mm、30 mm。

圖3 導(dǎo)流圈切割方式示意圖

該室外機(jī)設(shè)計(jì)工況下，上風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為740 r/min,下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為720 r/min。在該設(shè)計(jì)工況下，研究導(dǎo)風(fēng)圈缺口對(duì)室外機(jī)風(fēng)量的影響，結(jié)果如圖4所示。方案A、B、C分別對(duì)應(yīng)位置A、B和C處的切割。方案M未對(duì)導(dǎo)流圈進(jìn)行切割，而方案N是在位置A、B、C同時(shí)切割。

圖4 轉(zhuǎn)速為740/720 r/min各個(gè)方案的體積流量對(duì)比

從圖4可以看出，在導(dǎo)流圈位置A切割后，隨著導(dǎo)流圈被切割程度增大，室外機(jī)的風(fēng)量是遞減的。切割量為30 mm時(shí)，與方案M相比，風(fēng)量相差4.1%。而在位置B和C，3種切割量下室外機(jī)風(fēng)量都沒有大的變化。對(duì)比方案N與方案A，二者在流量變化方面是一致的，可見3個(gè)位置中，位置A處的缺口對(duì)風(fēng)量的影響最大。

實(shí)際工程中，導(dǎo)流圈發(fā)生的裝配干涉的位置不止一處，方案N更接近實(shí)際情況。下面著重對(duì)方案M與方案N（d=30 mm）這兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析。圖5和圖6是S軸向切面（見圖3）的壓力分布云圖。由于室外有兩個(gè)進(jìn)口，進(jìn)口邊界是不對(duì)稱的，所以靠近室外機(jī)側(cè)進(jìn)口的風(fēng)扇低壓區(qū)（線框所示）較大，同一旋轉(zhuǎn)區(qū)域其他低壓區(qū)的范圍較小。方案N中，葉片吸力面的低壓區(qū)擴(kuò)展到導(dǎo)流圈外，部分側(cè)進(jìn)口氣流可以直接通過導(dǎo)流圈的缺口進(jìn)入旋轉(zhuǎn)區(qū)域的低壓區(qū)。

圖5 方案M軸向壓力云圖

圖6 方案N（d=30 mm）軸向壓力云圖

圖7和圖8為上風(fēng)輪位置A處導(dǎo)流圈附近的流線分布。方案M中葉尖渦受到導(dǎo)流圈壁面的限制，呈狹長狀。方案N中，由于流道較為開放，葉尖渦的發(fā)展更充分，為橢圓狀。從二者的對(duì)比可見，完整的導(dǎo)流圈有助于限制葉尖渦的發(fā)展并減弱葉尖渦對(duì)流道的阻礙作用。

為了研究風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)過程中導(dǎo)風(fēng)圈與風(fēng)扇的相互作用，對(duì)模型進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，并在導(dǎo)風(fēng)圈和葉頂之間設(shè)置了8個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)控其壓力脈動(dòng)，通過對(duì)其壓力脈動(dòng)的分析，可以得到其產(chǎn)生主要的頻率成分。各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位置如圖9所示。

圖7 方案M導(dǎo)流圈位置A附近的流線

圖8 方案N導(dǎo)流圈位置A附近流線

圖9監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

圖10和圖11是在該室外機(jī)設(shè)計(jì)工況下，方案M和方案N相應(yīng)位置監(jiān)測點(diǎn)的脈動(dòng)壓力對(duì)比?？梢钥闯錾巷L(fēng)輪各監(jiān)測點(diǎn)的壓力呈周期性變化。方案M在監(jiān)測點(diǎn)P1處的壓力脈動(dòng)幅值大于方案N相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的脈動(dòng)幅值，而且當(dāng)葉片吸力面經(jīng)過這4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，帶有缺口的導(dǎo)流圈的方案N的相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的壓力較方案M中的高，減弱了其卷吸周圍氣體的能力。對(duì)監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換可以得到頻域的脈動(dòng)信號(hào)如圖11（b），可以看出其脈動(dòng)峰值主要出現(xiàn)在葉頻及其倍頻處。

圖10 上風(fēng)輪監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)

圖11 監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)對(duì)比圖

4 結(jié)論

空調(diào)室外機(jī)的導(dǎo)流圈常常因裝配干涉問題而被切割。本文利用數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)切割后導(dǎo)流圈的缺口位置和缺口大小進(jìn)行研究，分析其對(duì)室外機(jī)風(fēng)量及流場帶來的影響。

靠近室外機(jī)中部及中隔板的導(dǎo)流圈缺口對(duì)室外機(jī)風(fēng)量的影響較小。而室外機(jī)側(cè)進(jìn)口附近的缺口對(duì)風(fēng)量的影響最大，且風(fēng)量會(huì)隨著缺口的增大而減?。蝗笨谶吔缃咏鼘?dǎo)流圈的喉部時(shí)，會(huì)引起室外機(jī)風(fēng)量下降4%左右。對(duì)室外機(jī)側(cè)進(jìn)口附近流場的分析表明，導(dǎo)流圈被切割后，缺口附近相應(yīng)的低壓區(qū)域會(huì)減??；葉尖渦的控制區(qū)域擴(kuò)大使得流道的通流面積減??；同時(shí)相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的脈動(dòng)幅值會(huì)減小。

設(shè)計(jì)人員在確定空調(diào)室外機(jī)導(dǎo)流圈的位置時(shí)可考慮使其盡量靠近中隔板位置，避免導(dǎo)流圈與換熱器干涉處理的缺口過大而造成室外機(jī)風(fēng)量的較大損失。

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Effects of Interference Treatment of Inlet Shrouds on Air Flow Field of Outdoor Units of Air Conditioner

GUO Bao-kun1, LI Yue-fei2, MA Li-hua2, LIU Xin1, XIE Jun-long*1
(1-School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China; 2-Guangdong Midea HVAC Equipment Co., Ltd, Foshan, Guangdong 528311, China)

Cutting inlet shrouds is often used to deal with the assembly interference between the inlet shrouds and other components. In this paper, different sizes and locations of cutting have been carried out on the inlet shrouds of an outdoor unit of air conditioner, and CFD simulation is used to analyze the effects of the notches on the air flow rate and fluid field of the outdoor unit. The results show that the notch near the side entrance has a maximum impact on the air flow rate. In particular, the cutting edge is close enough to the throat of the shroud, which causes the air flow rate to drop by about 4%. A detailed analysis about this phenomenon showes that, near the place mentioned above, the corresponding low pressure district reduces, and the region influenced by the tip vortex increases; the amplitude of pressure fluctuation decreases.

Air conditioner; Inlet shrouds; Interference treatment; Numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.207

*謝軍龍（1970-），男，副教授，博士。研究方向：風(fēng)機(jī)流動(dòng)機(jī)理和相關(guān)聲學(xué)問題。聯(lián)系地址：湖北省武漢市華中科技大學(xué)動(dòng)力樓，郵編：430074。聯(lián)系電話：13071280501。E-mail：hustxjl@163.com。