黃偉青

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

分體掛壁空調(diào)內(nèi)機(jī)貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)音質(zhì)研究

黃偉青

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

運(yùn)用CFD軟件Fluent6.0對分別配置光面蝸舌和齒狀蝸舌的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行二維流場的數(shù)值模擬，并同時(shí)對配置了這兩種蝸舌的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪聲和其他性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。通過對兩者數(shù)值模擬與實(shí)際測量測數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行初步的分析，以探尋貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)降噪、音質(zhì)優(yōu)化的指導(dǎo)性設(shè)計(jì)思路。

貫流風(fēng)葉；蝸舌；渦流噪聲；數(shù)值模擬

1 引言

隨著家用分體掛壁式空調(diào)的應(yīng)用普及，行業(yè)內(nèi)競爭日益白熱化，空調(diào)品質(zhì)的好壞已經(jīng)不僅僅取決于單純的制冷、制熱能力。噪音的大小、音質(zhì)的優(yōu)劣已經(jīng)逐漸成為用戶選擇空調(diào)時(shí)必然會考慮的問題。

家用空調(diào)室內(nèi)機(jī)的噪聲反映在噪聲頻譜上主要是機(jī)械噪聲、電機(jī)的電磁噪聲、氣動噪聲和制冷劑噪聲的相互疊加，這些噪聲無法完全區(qū)分。一般認(rèn)為，頻率在50～500Hz頻段的噪音以電磁噪聲為主；頻率在500～4000Hz頻段的噪音以氣動噪聲為主；頻率在4000Hz以上頻段的噪音以機(jī)械噪聲為主。

本文選用機(jī)型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)際測得噪聲的頻譜圖顯示，幅值較大的噪聲部分集中落在頻率為400～1500Hz區(qū)間。理論上可以認(rèn)為該機(jī)型噪音主要由氣動噪聲引起。貫流風(fēng)機(jī)的氣動噪聲是由氣流運(yùn)動過程中壓力脈動引起的，和貫流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式以及湍流狀態(tài)有直接關(guān)系。

風(fēng)扇氣動噪聲主要可以分為兩個(gè)部分，其一是寬頻帶低幅值的湍流噪聲；其二是窄頻帶高幅值的旋轉(zhuǎn)噪聲。本文主要結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析和試驗(yàn)測試研究的方法對空調(diào)風(fēng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的旋渦流動現(xiàn)象進(jìn)行研究并尋找實(shí)現(xiàn)貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)降噪、改善音質(zhì)的結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化方向。

2 貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的配置與數(shù)值模擬

十九世紀(jì)五十年代，德國人B. Eck就提出了貫流風(fēng)機(jī)這一術(shù)語，他認(rèn)為研究貫流風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動，關(guān)鍵是了解內(nèi)部的偏心渦流動，由于內(nèi)部

存在不可避免的渦流，使已經(jīng)排出的流體倒流回葉輪的進(jìn)口，這種回流會造成很大的能量損失，貫流風(fēng)機(jī)的效率很大程度上取決于這種回流流量在總流量中所占的比例，所以了解偏心渦的中心位置和強(qiáng)弱是解決問題的關(guān)鍵[1]。后續(xù)有工程師為了更好地了解貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部旋渦的演化機(jī)理，采用了非定常三維Navier-Stokes方程、k-ε兩方程模型分析了貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部旋渦產(chǎn)生、發(fā)展、耗散、消失的演化過程，結(jié)果顯示偏心渦先于貫流而產(chǎn)生，是由于偏心渦的存在導(dǎo)致了貫流的產(chǎn)生，并非貫流形成了偏心渦[2]。這進(jìn)一步印證了確認(rèn)偏心渦的狀態(tài)是解決貫流風(fēng)機(jī)噪音問題的關(guān)鍵。

圖1 光面蝸舌結(jié)構(gòu)示意

圖2 齒狀蝸舌結(jié)構(gòu)示意

圖3 兩蝸舌迎風(fēng)面橫向曲線對比圖

2.1 貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的配置

本文選用貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)為能力段在12K的定頻分體掛壁式空調(diào)內(nèi)機(jī)。計(jì)算所用貫流風(fēng)葉直徑為Φ98mm，葉片數(shù)量為32片，葉片為圓弧型直葉片，沿圓周方向等間距分布。對比計(jì)算的貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)唯一的差異就是蝸舌零件。兩種蝸舌的差異除了體現(xiàn)在舌部迎風(fēng)面是光面還是齒狀面外，還有舌部迎風(fēng)面橫向型線以及與貫流風(fēng)葉間隙的差異。如圖1、圖2為兩種蝸舌結(jié)構(gòu)示意圖。

光面蝸舌迎風(fēng)面縱向上為平直實(shí)體；齒狀蝸舌迎風(fēng)面則沿縱向均勻分布138個(gè)齒，相鄰兩齒間距2.5mm、齒面寬度2mm，凹凸齒面最大高度差8.1mm，凹凸齒面橫向均設(shè)計(jì)為特定的型線。兩種蝸舌迎風(fēng)面橫向曲線對比如圖3所示。

2.2 數(shù)值模擬

因貫流風(fēng)機(jī)的氣流速度一般不超過20m/s，可壓縮性很弱，一般按不可壓流動處理；并且由于貫流風(fēng)機(jī)的流動近乎是二維的，因此數(shù)值計(jì)算可被簡化為對二維、不可壓縮流場的描述，同時(shí)這樣也縮短了計(jì)算時(shí)間[3]。同時(shí)，為減少端壁邊界對流動的影響，本文取軸向中截面上的計(jì)算結(jié)果來分析負(fù)載對貫流風(fēng)機(jī)偏心渦分布特性的影響。

本文采用AutoCAD繪出計(jì)算模型的圖紙，并在Gambit中完善其計(jì)算域并進(jìn)行網(wǎng)格及邊界條件指定，得到Fluent可用的網(wǎng)格文件，繼而通過選擇合適的計(jì)算方法對貫流風(fēng)機(jī)的模型進(jìn)行非定常的數(shù)值模擬計(jì)算。所選殼體配置與計(jì)算區(qū)域示意圖如圖4所示。

圖4 貫流風(fēng)葉的殼體配置與計(jì)算區(qū)域

圖5 光面蝸舌分析流線圖

3 數(shù)值模擬分析結(jié)果

采用上述的計(jì)算模型及方法，在模型的計(jì)算結(jié)果達(dá)到穩(wěn)定后，得到兩種蝸舌風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的流線圖如圖5、圖6所示。

對比光面蝸舌和齒狀蝸舌系統(tǒng)內(nèi)部跡線圖可以看出：

圖6 齒狀蝸舌分析流線圖

（1）在同樣的殼體配置上僅更換不同的蝸舌，蝸殼內(nèi)的風(fēng)場型線發(fā)生了較大的變化。光面蝸舌配置中，風(fēng)葉進(jìn)風(fēng)側(cè)氣流速度矢量方向變化

劇烈，流經(jīng)這一區(qū)域的流體對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的沖擊力。而齒狀蝸舌風(fēng)葉進(jìn)風(fēng)側(cè)氣流速度矢量方向變化不大，氣體流動平滑順暢，流體速度較前者大大降低，從而可預(yù)期產(chǎn)生的噪聲比前者小。

圖7 光面蝸舌噪聲頻譜圖

圖8 齒狀蝸舌噪聲頻譜圖

（2）光面蝸舌內(nèi)部流場偏心渦的渦核靠近出風(fēng)口，且距離蝸舌迎風(fēng)面較遠(yuǎn)，此時(shí)出風(fēng)口壓力不足，蝸殼出口通道內(nèi)有較大的回流區(qū)，出風(fēng)口氣流出現(xiàn)卷吸，低壓空氣在風(fēng)葉渦流附近回流風(fēng)葉，氣流流動紊亂。齒狀蝸舌時(shí)偏心渦渦核貼近風(fēng)葉內(nèi)圓周，且更靠近蝸舌的迎風(fēng)面。此時(shí)風(fēng)機(jī)出口側(cè)的回流區(qū)域小，氣流跡線明顯平滑順暢，出風(fēng)口氣流連續(xù)穩(wěn)定，可以使噪聲比前者有所降低噪音減小，風(fēng)量更均勻。

（3）光面蝸舌系統(tǒng)中回流過程中導(dǎo)致的壓力波動，最終表現(xiàn)為內(nèi)機(jī)噪音增加，風(fēng)量減少且出風(fēng)口的風(fēng)不能連續(xù)，易出現(xiàn)出風(fēng)不均的現(xiàn)象。且此類情況在風(fēng)葉兩側(cè)端壁區(qū)域，由于受端壁邊界的影響，渦心位置距離蝸舌位置更遠(yuǎn)，導(dǎo)致回流區(qū)增加，更多的風(fēng)被回流回風(fēng)葉內(nèi)，在風(fēng)葉兩側(cè)更加容易產(chǎn)生出風(fēng)不均。

4 試驗(yàn)方法及結(jié)果

按GB/T 7725-2004附錄B規(guī)定的試驗(yàn)方法和制冷量對應(yīng)工況進(jìn)行噪聲試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用測試室為兩間室的半消聲室，空調(diào)器的導(dǎo)風(fēng)板位置按開機(jī)默認(rèn)位置進(jìn)行噪聲測試。

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

兩種蝸舌在同一風(fēng)機(jī)配置中，經(jīng)同一試驗(yàn)臺以及相同工況下對比測試，實(shí)測數(shù)據(jù)見表1。噪聲頻譜對比如圖7、圖8所示。

4.2 結(jié)果分析比較

試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，兩種蝸舌風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的性能基本一致。但是采用齒狀蝸舌蝸殼的風(fēng)機(jī)的噪聲級比光面蝸舌蝸殼風(fēng)機(jī)噪聲級降低0.9dB(A)，降幅2%；風(fēng)量降低12m3/h，降幅1.77%。

噪音測試過程中，通過調(diào)整進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)量來模擬過濾網(wǎng)臟堵時(shí)該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部氣流的變化，待測試工況穩(wěn)定且室內(nèi)蒸發(fā)器布滿凝露水后，分別測試各個(gè)風(fēng)檔的氣流聲。各狀態(tài)穩(wěn)定后，體驗(yàn)各風(fēng)檔音質(zhì)效果，對比發(fā)現(xiàn)，配置光面蝸舌時(shí)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的不連續(xù)氣流聲，出風(fēng)量也忽大忽小。而配置齒狀蝸舌的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)則無此聲音，且出風(fēng)均勻、平穩(wěn)。

從頻譜圖對比可以看出，圖7、圖8在干涉頻率附近噪聲有明顯的尖峰，可以看出光面蝸舌對風(fēng)機(jī)噪聲的較大影響。通過采用齒狀舌后，圖8看出，在干涉頻率附近，頻率峰值被離散降低了。

5 結(jié)論

（1）綜上結(jié)果表明數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

（2）數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn)研究對比說明：通過調(diào)整蝸舌結(jié)構(gòu)來改善風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)氣體流動狀況，使風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)出風(fēng)量比值存在于一個(gè)合理的取值范圍，能實(shí)現(xiàn)保證風(fēng)機(jī)性能的前提下降噪和優(yōu)化音質(zhì)的良好效果。

表1 測試結(jié)果數(shù)據(jù)表

[1] Eck B.FAN.Bri.Pat.,1973

[2] 游斌、吳克啟.貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部旋渦非定常演化的數(shù)值模擬. 工程熱物理學(xué)報(bào)2004,3(2)：238-240

[3] 張瑜. 貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)流及氣動噪聲分析: [學(xué)位論文類型] .武漢：華中科技大學(xué)，2007

[4] 李棟, 顧建明. 階梯蝸舌蝸殼降噪的分析和實(shí)現(xiàn).上海:上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所.

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The sound quality investigation of cross flow fan used by the wallmounted air-conditioning

HUANG Weiqing
(GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

Numerical simulation of Two_dimensional flow field is carried out on the cross flow fan which was assembled with smooth volute tongue and dentate volute tongue with Fluent 6.0 CFD Software. Measurement of noise and other performance parameters for two kinds of cross flow fan is made at the same time. Through the analysis on the numerical simulation and actual measurement data of both results, to search for the design ideas of flow fan noise reduction, sound quality optimization.

Cross-flow fan; Volute tongue; Vortex noise; Numerical simulation