田靜鉛,錢瑞明

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京211189)

0 引言

隨著家電行業(yè)的發(fā)展,人們對(duì)洗衣機(jī)功能要求越來(lái)越高,市場(chǎng)上的很多滾筒洗衣機(jī)增加了烘干功能,這種功能一般需要在外筒端蓋上開孔連通內(nèi)筒和烘干通道。但是伴隨著烘干功能的實(shí)現(xiàn),給洗衣機(jī)生產(chǎn)商也帶來(lái)了很大困擾,因?yàn)樵诿撍疇顟B(tài)下洗衣機(jī)的噪聲一般會(huì)比沒(méi)有烘干功能的洗衣機(jī)大很多,所以如何降低這種洗衣機(jī)在脫水狀態(tài)下的噪聲問(wèn)題成為了擺在有競(jìng)爭(zhēng)力的洗衣機(jī)生產(chǎn)商面前的課題。

通過(guò)對(duì)比有烘干通道和無(wú)烘干通道的滾筒洗衣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)在外筒端蓋上開孔可能是帶來(lái)噪聲的主要原因,所以本文針對(duì)外筒端蓋開孔對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響來(lái)分析研究產(chǎn)生噪聲的原因。針對(duì)滾筒洗衣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)研究,近年來(lái)一些學(xué)者從不同角度進(jìn)行了模擬。2007年,徐超[1]分析研究了滾筒洗衣機(jī)三角支架的不同結(jié)構(gòu)對(duì)周圍空氣流場(chǎng)和氣流噪聲的影響,但其研究并未涉及洗衣機(jī)的實(shí)際模型,只是針對(duì)三角支架置于自行設(shè)定的理想環(huán)境;2011年,俞舒天和高長(zhǎng)水[2]分析了滾筒洗衣機(jī)內(nèi)筒加強(qiáng)筋對(duì)氣流的影響,并研究了由其產(chǎn)生的渦流噪聲;2011年R Abril López[3]建立了較完整的洗衣機(jī)內(nèi)筒模型,分析了不同載荷情況下內(nèi)筒和三角支架的受力變形,雖沒(méi)有分析周圍的流場(chǎng),但所采用的建模方法對(duì)氣流噪聲的分析具有參考價(jià)值。

鑒于洗衣機(jī)內(nèi)外筒組件間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及軟件模擬的準(zhǔn)確性,根據(jù)滾筒洗衣機(jī)實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,對(duì)其內(nèi)筒和外筒之間的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,并針對(duì)降低旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的氣流噪聲提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

首先利用Pro/E和ANSYS WORKBEN軟件建立內(nèi)筒和外筒主要組件的三維模型和流體域模型,再利用ICEM CFD軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,導(dǎo)入流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS CFX對(duì)模型進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析,最后在ANSYS CFX－Post中對(duì)結(jié)果進(jìn)行整理分析,找出外筒端蓋無(wú)孔模型和外筒端蓋有孔模型在速度和湍流動(dòng)能分布及大小方面的不同點(diǎn),以及外筒端蓋開孔引起氣流噪聲變大的主要原因,并給出相應(yīng)的優(yōu)化措施。

1 滾筒洗衣機(jī)的固體域和流體域模型建立

根據(jù)某型滾筒洗衣機(jī)內(nèi)筒和外筒組件的實(shí)際結(jié)構(gòu)(圖1),在Pro/E軟件中建立了相應(yīng)的簡(jiǎn)化三維模型,模型中簡(jiǎn)化了一些對(duì)結(jié)果影響不大但又對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量影響較大的倒角、孔等,雖然在此主要分析內(nèi)外筒底部三角支架附近的流場(chǎng),但是建立的是整個(gè)內(nèi)筒和外筒的模型,這樣使邊界條件更接近真實(shí)的物理環(huán)境。外筒端蓋無(wú)孔模型和外筒端蓋有孔模型的不同就在于一個(gè)外筒為封閉的(圖2a),一個(gè)外筒上有開兩個(gè)孔(如圖2b,用于連接烘干通道,其中大孔直徑為70 mm,小孔直徑為30 mm),內(nèi)筒模型包括了三角支架和薄板(圖3)。

圖1 滾筒洗衣機(jī)內(nèi)外筒組件實(shí)體模型

圖2 外筒三維模型

圖3 內(nèi)筒三維模型

同時(shí),在對(duì)洗衣機(jī)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析時(shí),需要建立內(nèi)外筒所包圍的流體域模型,在此分別對(duì)外筒端蓋無(wú)孔和外筒端蓋有孔模型建立了流體域三維模型(如圖4a、圖4b),無(wú)孔洗衣機(jī)的流體域模型是由外筒的形狀決定的,而有孔洗衣機(jī)由于筒內(nèi)空氣和外部是相通的,所以建立的流體域是包圍整個(gè)外筒的立方體模型。

圖4 洗衣機(jī)流體域模型

2 模型網(wǎng)格劃分和域?qū)傩栽O(shè)置

網(wǎng)格劃分是在ICEM CFD中進(jìn)行的,均采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,無(wú)孔模型網(wǎng)格總數(shù)為2 515 828(圖5a),有孔模型網(wǎng)格總數(shù)為2 925 721(圖5b),網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3以上,符合計(jì)算要求。

在導(dǎo)入ANSYS CFX中后,需要對(duì)計(jì)算條件進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。首先,采用標(biāo)準(zhǔn)κ－ε湍流模型,同時(shí)因?yàn)橄匆聶C(jī)內(nèi)空氣流動(dòng)速度一般低于50 m/s,可壓縮性很弱,流體設(shè)為不可壓縮空氣。在此,計(jì)算可以看成是一個(gè)攪拌問(wèn)題[4],固體域設(shè)置均為Immersed Solid,這種設(shè)置相當(dāng)于把旋轉(zhuǎn)的內(nèi)筒沉浸在靜止的空氣中,不但減少了網(wǎng)格劃分工作量也使內(nèi)外筒和空氣之間的邊界條件設(shè)置更為簡(jiǎn)單,也更符合實(shí)際物理環(huán)境。設(shè)置內(nèi)筒轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,所有的邊界條件設(shè)置為wall。

圖5 有孔和無(wú)孔模型的網(wǎng)格劃分

3 有孔和無(wú)孔模型的流場(chǎng)對(duì)比分析

計(jì)算完成后,在ANSYS CFX－Post中對(duì)外筒和內(nèi)筒底部之間流場(chǎng)中數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和分析。因速度分布能客觀反應(yīng)空氣的流動(dòng)狀態(tài),而湍流動(dòng)能是衡量湍流強(qiáng)度的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn),所以本文重點(diǎn)對(duì)比分析無(wú)孔模型和有孔模型的速度分布與湍流動(dòng)能,其中速靠近內(nèi)筒和外筒底部的速度流線見(jiàn)圖6和圖7,內(nèi)筒和外筒之間距外筒內(nèi)端面5 mm位置處平面上的湍流動(dòng)能見(jiàn)圖8和圖9。

圖6 無(wú)孔模型內(nèi)外筒底部速度流線圖

圖7 有孔模型內(nèi)外筒底部速度流線圖

圖8 無(wú)孔模型湍流動(dòng)能圖

圖9 有孔模型內(nèi)外筒底部湍流動(dòng)能圖

由以上線圖可以看出:

1)無(wú)孔模型和有孔模型的速度流線的最大速度分別為37.78 m/s和36.77 m/s,兩者非常接近,說(shuō)明在外筒端蓋上開孔并沒(méi)有影響內(nèi)部空氣的整體速度大小,同時(shí)也驗(yàn)證了計(jì)算前對(duì)流體進(jìn)行的不可壓縮設(shè)置的正確性;

2)無(wú)孔模型速度分布沿圓周方向向外呈逐漸變大趨勢(shì),只有在7個(gè)凹槽處有明顯的速度繞線(渦流),但是空氣在這些位置處的速度并不大,從對(duì)應(yīng)的湍流動(dòng)能圖上也可以看到在這七個(gè)凹槽處有小的渦流;

3)有孔模型的湍流動(dòng)能相差兩個(gè)數(shù)量級(jí),在同一個(gè)平面中,也就是說(shuō)有孔模型的湍流強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無(wú)孔模型。

在洗衣機(jī)外筒上開孔,從對(duì)流場(chǎng)的影響來(lái)看實(shí)則是改變了整個(gè)洗衣機(jī)內(nèi)部的氣流通道,對(duì)洗衣機(jī)內(nèi)筒和外筒底部之間流場(chǎng)分布影響很大,特別是會(huì)提高內(nèi)筒和外筒底部之間的湍流動(dòng)能,因?yàn)橥牧鲃?dòng)能對(duì)渦流噪聲的影響較為直接[5,6],這就導(dǎo)致有孔模型比無(wú)孔模型的渦流噪聲要大很多,也就是在滾筒洗衣機(jī)上添加烘干裝置的時(shí)候,會(huì)增加洗衣機(jī)的氣流噪聲,從而降低洗衣機(jī)的性能。

4 改進(jìn)建議

為了減小外筒上開孔對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響,本文對(duì)孔的位置進(jìn)行調(diào)整,將孔開在靠近底部的滾筒上(圖10),分析洗衣機(jī)內(nèi)筒和外筒底部之間的湍流動(dòng)能分布變化(圖11)。

圖10 側(cè)面開孔的外筒

圖11 外筒側(cè)面開孔模型的湍流動(dòng)能圖

對(duì)比圖9和圖11,發(fā)現(xiàn)改變孔的位置,將孔開在滾筒側(cè)面能夠使湍流動(dòng)能最大值由1 516 m2/s減小到1 148 m2/s2,也就是說(shuō)將孔開在外筒的側(cè)面比開在外筒端蓋上所產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度要小,所以將孔開在外筒側(cè)面會(huì)相對(duì)減小外筒上開孔所產(chǎn)生的氣流噪聲。

[1]徐超.滾筒洗衣機(jī)噪聲控制研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2007.

[2]俞舒天,高長(zhǎng)水.滾筒洗衣機(jī)噪聲分析[J].科技風(fēng),2011,(19):29-30.

[3]R Abril López.Structural Analysis Of A Washing Machine Through Its Loading Cases:Redesign Of The Tripod And The Front Cover[D].Sweden:University of Sk?vde, 2011.

[4]吳德飛.攪拌槽內(nèi)三維流場(chǎng)的CFX5數(shù)值模擬[J].石油化工設(shè)備,2003.

[5]Curle N.The Influence of Solid Boundaries Upon Aerodynamic Sound.Proc.Roy.Soc.A231,1955:505-514.

[6]夏恒,姚志遠(yuǎn).氣流繞流產(chǎn)生的麥東亞立場(chǎng)向輻射聲場(chǎng)演變規(guī)律的探索[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,16(1):72-76.