賴?guó)P麟 梁 暉 張華強(qiáng) 彭惠生

（1.廣東西屋康達(dá)空調(diào)有限公司，廣東 佛山 528000；2.清華大學(xué)，北京 100084）

0 引言

隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出，保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的呼聲越來(lái)越高，中央空調(diào)就是日常生活中的耗電大戶。由于中央空調(diào)的整體能耗較常用分體式空調(diào)低，越來(lái)越多的家庭住宅也開始安裝中央空調(diào)。風(fēng)機(jī)盤管作為中央空調(diào)系統(tǒng)在民用住宅中常用的末端設(shè)備[1-3]，在國(guó)內(nèi)空調(diào)市場(chǎng)被廣泛使用，但是長(zhǎng)期以來(lái)卻沒有得到很大的改進(jìn)[4]。風(fēng)機(jī)盤管具有體型小、布置安裝方便、控制靈活、噪聲小等諸多優(yōu)點(diǎn)[5]。但是國(guó)內(nèi)的風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的風(fēng)場(chǎng)均勻性問(wèn)題卻一直未能很好地得到解決[6]。改善機(jī)組內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性，既能降低能耗，又能提高盤管的換熱效率，從而提高風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的整體性能。研究表明[7]，提高盤管迎面風(fēng)速的均勻性能可以提高系統(tǒng)的效率。通過(guò)對(duì)單風(fēng)機(jī)盤管結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[8]發(fā)現(xiàn)，漸擴(kuò)風(fēng)道結(jié)構(gòu)、添加導(dǎo)流板均能在一定程度上提高來(lái)流場(chǎng)的均勻性，而對(duì)于使用較普遍的雙風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)場(chǎng)研究幾乎沒有。本文將通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)雙風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，并且觀察盤管不同傾斜角度下的流場(chǎng)均勻性變化，從而指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低盤管機(jī)組能耗，提升盤管機(jī)組整體性能。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 模型構(gòu)建

本文所選的研究對(duì)象是如圖1所示的雙風(fēng)機(jī)離心式風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組。由于實(shí)際模型當(dāng)中很多結(jié)構(gòu)均是為了安裝方便而設(shè)計(jì)，尤其是機(jī)組外部結(jié)構(gòu)，對(duì)于內(nèi)部流場(chǎng)是沒有影響的，因此在構(gòu)建計(jì)算域時(shí)，考慮把風(fēng)機(jī)送風(fēng)出口作為計(jì)算域的入口；機(jī)箱內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)流道結(jié)構(gòu)保留，與實(shí)際模型一致；實(shí)際盤管是由成百上千片的換熱鋁翅片組成的，這部分結(jié)構(gòu)如果不做簡(jiǎn)化，計(jì)算成本會(huì)很高，綜合考慮將盤管簡(jiǎn)化為細(xì)長(zhǎng)條的狹縫，這樣既能盡可能地保留實(shí)際盤管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，又能滿足實(shí)際計(jì)算能力。最終簡(jiǎn)化得到的實(shí)際風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的計(jì)算模型如圖2所示。

圖1 雙風(fēng)機(jī)離心式風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組實(shí)物圖

圖2 三維計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

此次研究選取的盤管傾斜角度有0°、30°、40°和45°四種工況，如圖3所示。各個(gè)工況下的流場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果詳見下文。

圖3 模擬工況

1.2 求解方法

從風(fēng)機(jī)進(jìn)入的空氣在機(jī)組內(nèi)的流動(dòng)屬于三維湍流流動(dòng)，在計(jì)算時(shí)需作如下假設(shè)：（1）空氣特性參數(shù)均為常數(shù)；（2）空氣流動(dòng)為不可壓低速穩(wěn)態(tài)流；（3）整個(gè)風(fēng)場(chǎng)無(wú)換熱，為恒溫場(chǎng)。風(fēng)機(jī)入口設(shè)為質(zhì)量流量入口，設(shè)定為0.244 kg/s；出口設(shè)置為自由流邊界，其余均默認(rèn)為絕熱固體邊界條件。根據(jù)計(jì)算模型和風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)特點(diǎn)，在計(jì)算時(shí)采用了湍流計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的K-epsilon兩方程模型，該模型具有穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和相對(duì)較高的計(jì)算精度等特點(diǎn)。該模型的適用于本次計(jì)算的數(shù)學(xué)控制方程的張量式如下所示：

連續(xù)性方程：

2 結(jié)果與分析

為方便展示盤管機(jī)組內(nèi)部流場(chǎng)分布，截取了z=0 mm（俯視圖，中間截面）、y=200 mm（側(cè)視圖，右側(cè)風(fēng)機(jī)入口中間截面）、x=0 mm（主視圖，中間截面）三個(gè)方向的截面，繪制了各個(gè)工況下的截面的速度云圖和流線圖。

圖4所示為z=0 mm截面4個(gè)模擬工況下的速度云圖和流線圖。從圖4（a）可以看出，由于雙風(fēng)機(jī)入口結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，兩個(gè)送風(fēng)口之間是安裝電機(jī)的位置，導(dǎo)致中間沒有空氣直接輸入，需要兩側(cè)的空氣擴(kuò)散填充，從而形成了中間的低速回流區(qū)。入口兩側(cè)也有低速回流區(qū)，主要是送風(fēng)入口屬于突擴(kuò)流道，氣流從較小的流道進(jìn)入時(shí)很容易在兩側(cè)形成回流。正是由于這種結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致盤管迎面風(fēng)速均勻性較差，表現(xiàn)出兩側(cè)流速高，中間流速低的不均勻現(xiàn)象。但是隨著盤管傾斜角度的不斷增大，可以看到中間低速區(qū)的平均速度大小是不斷增大的。從圖4（b）也可以發(fā)現(xiàn)，入口位置無(wú)論是中間的回流還是兩側(cè)的回流，均會(huì)隨著盤管傾斜角度的增大而減弱，但當(dāng)傾斜角為45°時(shí)，出口位置中間和兩側(cè)出現(xiàn)了較明顯的回流現(xiàn)象，這會(huì)影響機(jī)組出口流場(chǎng)的均勻性。再觀察盤管位置的流場(chǎng)分布可以看到，正是由于送風(fēng)口流場(chǎng)的不均勻性，導(dǎo)致在中間位置的翅片間空氣流速較低，而兩側(cè)的翅片間風(fēng)速較高，使得中間位置的翅片利用率較低，在實(shí)際使用時(shí)換熱效果較差，而這種換熱不均勻的現(xiàn)象也會(huì)影響換熱翅片的使用壽命，降低盤管的整體性能。另外，隨著盤管傾斜角度的增加，中間位置的翅片間流速是逐漸增大的，流場(chǎng)的均勻性是逐漸得到改善的?？傮w來(lái)看，隨著盤管傾斜角度的增加，整個(gè)橫向流場(chǎng)的高速區(qū)范圍越來(lái)越大，低速區(qū)范圍越來(lái)越小，但是角度太大時(shí)出風(fēng)口會(huì)出現(xiàn)回流降低均勻度，角度太小時(shí)整體橫向流場(chǎng)的不均勻性較大，平均速度也較低。

圖4 z=0 mm截面速度云圖和流線圖

圖5所示為y=200 mm截面的4種模擬工況下的速度云圖和流線圖。與入口橫向結(jié)構(gòu)不同，縱向結(jié)構(gòu)上表面是一個(gè)突擴(kuò)流道，而下表面是漸擴(kuò)流道，這就導(dǎo)致了上下流場(chǎng)的不均勻性。從圖中可以看到，當(dāng)盤管傾斜角度為0°時(shí)，由于上下結(jié)構(gòu)具有較好的對(duì)稱性，從而流場(chǎng)也表現(xiàn)出較好的均勻性；隨著盤管傾斜角度的不斷增大，上下結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性增大，縱向流場(chǎng)無(wú)論是入口位置、盤管位置還是出口位置均表現(xiàn)出較大的不均勻性。特別是當(dāng)盤管角度達(dá)到40°和45°時(shí)（圖5（b）），由于下表面的凹腔結(jié)構(gòu)，逐漸出現(xiàn)低速回流現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了機(jī)組出口流場(chǎng)的均勻性；另外，上表面出口位置也會(huì)出現(xiàn)小范圍的低速區(qū)。隨著盤管傾斜角度的增大，機(jī)組內(nèi)部流場(chǎng)縱向的不均勻性會(huì)逐漸增大。

圖5 y=200 mm截面速度云圖和流線圖

圖6 所示為x=0 mm截面的速度云圖。該位置是盤管所在的截面，可以直觀地觀察到盤管位置的流場(chǎng)分布。從結(jié)果可以看到，當(dāng)盤管傾斜角度為0°時(shí)，除了中間部分的流場(chǎng)，整個(gè)盤管迎面風(fēng)場(chǎng)的均勻性較好；30°時(shí)整個(gè)流場(chǎng)也依然呈現(xiàn)出較高的均勻性，并且中間低速區(qū)范圍減?。划?dāng)角度達(dá)到40°和45°時(shí)，上下位置流場(chǎng)不均勻性較嚴(yán)重。與側(cè)視（y=200 mm截面）結(jié)果類似，盤管傾斜角度的變化會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組內(nèi)部縱向流場(chǎng)的均勻性，為保證縱向流場(chǎng)的均勻性，盤管傾斜角度不宜過(guò)大。

圖6 x=0 mm截面速度云圖

為進(jìn)一步對(duì)比盤管不同傾斜角度下的流場(chǎng)的均勻性，對(duì)機(jī)組出口截面的橫向速度和縱向速度的均值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7（a）很明顯地可以看到，橫向流場(chǎng)確實(shí)表現(xiàn)出中間流速低、兩側(cè)流速高的不均勻現(xiàn)象。這是由于雙風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組送風(fēng)入口結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮改善這部分缺陷，可以在風(fēng)機(jī)送風(fēng)口位置加導(dǎo)流板或者對(duì)送風(fēng)口進(jìn)行改造。當(dāng)盤管傾斜角度為0°時(shí)，出口截面整體流速較低，并且中間低速區(qū)的范圍也較大；隨著盤管傾斜角度的增大，出口截面的整體流速在增大，中間低速區(qū)的范圍則不斷減小，但是從40°～45°的區(qū)域變化不是很明顯，特別是45°時(shí)中間低速區(qū)的最小速度較其他3種工況更低，最大最小速度間相差甚大，流場(chǎng)均勻性較差。而盤管傾斜角度為30°和40°時(shí)，兩者的最小速度相差不大，低速區(qū)的范圍40°的相對(duì)較小，但是最大速度兩者相差很明顯，從均勻性角度來(lái)說(shuō)，30°的流場(chǎng)均勻性較40°的好。另外對(duì)比出口截面縱向流場(chǎng)的分布圖7（b），當(dāng)盤管傾斜角度為0°時(shí)，縱向流場(chǎng)均勻性較高，但因?yàn)槿肟谖恢蒙舷卤砻娼Y(jié)構(gòu)不對(duì)稱，導(dǎo)致此時(shí)速度分布也并不完全對(duì)稱；而隨著角度的增加，在出口上半部分（0.04～0.08 m）開始出現(xiàn)不同程度的低速區(qū)；其中45°工況由于下表面也出現(xiàn)了回流，導(dǎo)致在-0.08～-0.055 m位置也出現(xiàn)了低速區(qū)，流場(chǎng)的縱向不均勻程度更高；30°較40°的低速區(qū)范圍更小，整體的均勻性更高。

圖7 出口截面平均速度橫向（a）和縱向（b）分布對(duì)比

綜上，在分析對(duì)比了4種不同盤管傾斜角度后發(fā)現(xiàn)，角度為30°時(shí)為較理想的結(jié)構(gòu)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了雙風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的結(jié)構(gòu)缺陷，尤其是在兩個(gè)風(fēng)機(jī)送風(fēng)口間安裝電機(jī)存在的空白區(qū)，使得入口位置流場(chǎng)出現(xiàn)中間流速低、兩側(cè)流速高的不均勻現(xiàn)象，在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮改善這部分缺陷。另外，就是入口位置上下表面的不對(duì)稱性，下表面為漸擴(kuò)流道，沒有回流現(xiàn)象，而上表面為突擴(kuò)流道，有較強(qiáng)的回流，因此考慮將上表面設(shè)計(jì)成與下表面對(duì)稱的漸擴(kuò)流道，對(duì)流場(chǎng)重新計(jì)算，得到的出口截面橫向和縱向平均速度與改造前的對(duì)比可見圖8。從結(jié)果可以看到，將

圖8 結(jié)構(gòu)修改后出口截面平均速度橫向（a）和縱向（b）分布對(duì)比備注：藍(lán)線為改造前速度，紅線為改造后速度。

3 結(jié)語(yǔ)

本文選取了廣泛使用的雙風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組作為研究對(duì)象，利用計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法，探究了盤管傾斜角度為0°、30°、40°和45°的風(fēng)場(chǎng)均勻度。在對(duì)比完不同方向的流場(chǎng)分布結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)盤管傾斜角度為30°時(shí)，整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的均勻度較高，整體流速也不低，可在后續(xù)盤管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中參考。另外也發(fā)現(xiàn)了雙風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組的結(jié)構(gòu)缺陷，尤其是風(fēng)機(jī)兩個(gè)送風(fēng)口間安裝電機(jī)的位置，導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)入口中間流速較低、盤管中間位置的換熱翅片利用效率很低，造成了資源的浪費(fèi)，建議在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中考慮在入口位置添加導(dǎo)流板或是重新設(shè)計(jì)送風(fēng)口。最后將入口位置上表面的突擴(kuò)流道改造為與下表面對(duì)稱的漸擴(kuò)流道，結(jié)果表明能夠改善流場(chǎng)的均勻性，尤其是縱向流場(chǎng)。

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