曹鋒

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519000

1 引言

由于全球面臨能源危機，提高能效已成為包括空調(diào)行業(yè)在內(nèi)的各行業(yè)提高產(chǎn)品競爭力的主要手段之一。風機作為空調(diào)的關鍵核心部件，其效率直接影響空調(diào)整機能效，因此提高風機效率已成為提高空調(diào)整機能效的關鍵手段。由于風機由風葉與電機組合而成，其效率亦由電機效率及風葉效率共同決定。目前關于風葉仿真優(yōu)化提高性能的研究頗多，文獻[1][2]通過CFD仿真手段改變軸流風葉的內(nèi)流特性進行風葉優(yōu)化；Huang&Gau[3]應用反設計方法對風葉的三維葉型進行優(yōu)化；黃愉太等[4]采用fluent對軸流風葉不同周向截面安裝角進行流場分析，得到在最佳周向截面安裝角時的優(yōu)化風葉，效率提高3.42%；王嘉冰等[5]采用CFD分析了軸流風葉葉頂流場中葉尖渦的產(chǎn)生和發(fā)展軌跡，為風扇效率的提高提供了指導。但是實際工程應用中仍然存在即使風葉效率得到提高，風機總效率依舊得不到顯著提高的現(xiàn)象，因此提前預測風葉與交流電機匹配時工作點的數(shù)據(jù)對于風葉設計及風葉選型就顯得比較重要，但是目前關于此類的研究卻非常少。缺少此類指導可能會導致風葉設計加工后匹配電機時出現(xiàn)偏離預期目標的問題，乃至需要返工設計，將在極大程度上延誤產(chǎn)品開發(fā)進度。

本文基于某室外機殼體采用CFD對三款風葉進行非定常求解計算并且采用實驗結果進行可靠性驗證，同時結合交流電機特性曲線及空調(diào)室外機風道阻力曲線對風機的工作點參數(shù)進行有效預測，有助于預先評估空調(diào)風機性能進而指導風葉設計及選型，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期及節(jié)約實驗資源。

2 數(shù)值模擬及可靠性驗證

2.1 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬的幾何模型與實際模型的一致性直接影響到計算結果的準確性，因此在對室外機風道進行建模時盡可能少的對模型進行簡化，以保證仿真模型與實驗模型的一致性。

整個計算域的模型以及室外機模型分別見圖1、圖2?？紤]到室外機風道幾何結構的復雜性，特將整個計算域劃分為四部分，分別是：冷凝器前、冷凝器后、旋轉體部分、冷凝器部分。由于需采用多孔介質(zhì)模型來處理由冷凝器產(chǎn)生的壓力損失，網(wǎng)格繪制時對冷凝器流體計算區(qū)域采用六面體網(wǎng)格處理，其余則采用四面體網(wǎng)格處理。

圖1 流體計算域

圖2 室外機風道（不含風葉）

為了提高計算精度，將計算分為兩階段穩(wěn)態(tài)計算、非穩(wěn)態(tài)計算。兩者皆采用三維Navier-Stokes方程，湍流模型選取k-εRealizable兩方程模型。計算方法均為SEGREGATED隱式方法。湍流動能、湍流耗散項、動量方程均采用二階迎風格式離散；壓力-速度耦合采用SIMPLE算法；近壁面處理采用非平衡壁面函數(shù)。進出口邊界分別設置為壓力進口、壓力出口邊界條件，采用滑移網(wǎng)格技術對風葉旋轉流域進行處理，非定常計算采用每個時間步長風葉旋轉3°進行迭代求解。

2.2 數(shù)值模擬可靠性驗證

CFD計算結果精度直接影響預測結果的準確性，采用風機外特性實驗室測得的實驗數(shù)據(jù)對CFD計算結果進行驗證。實驗中工作電壓為220 V，機外靜壓值為0 Pa，選用3種不同結構的軸流風葉進行相關研究，為便于描述分別將其命名為：風葉A、風葉B及風葉C，見圖3。風葉的計算結果與實驗結果對比見圖4。

圖3 風葉模型

圖4 風量仿真結果與實驗結果對比

為了便于評估仿真與實驗測試偏差，定義任一款風葉的研究數(shù)據(jù)總量數(shù)量為n，任一數(shù)據(jù)點序號為i，在不同的工作轉速N，任一款風葉風量的仿真結果Qs與實驗結果Qe的平均偏差，見式（1），依次為0.45%、0.63%及1.04%。

由力矩平衡方程可知：在風機運轉時，來流氣體施加在風葉上的力矩與風葉施加在電機軸上的力矩相等。因此采用電機力矩的測量值τE代表風葉的真實力矩來驗證計算力矩τS的準確性，對比結果見表1。計算結果與實驗結果的偏差Error計算方式見式（2）：

對比結果如表1所示，從表1可知：計算力矩τS與實驗測試力矩τE的最大偏差僅僅1.44%，小于工程允許誤差5%。因此基于CFD方法得到的風量-轉速特性曲線及扭矩-轉速特性曲線是可靠的。

表1 不同風葉扭矩計算結果與測試結果對比

3 交流風機工作點參數(shù)預測

交流風機的實際運行轉速隨著風葉負載的變化而變化，不同的風葉在同一室外機殼體中工作其工作轉速大多是不同的。系統(tǒng)設計人員通常按照系統(tǒng)換熱需求并且結合電機轉速提出轉速、風量需求，風機設計員根據(jù)設計轉速、設計流量進行葉型設計。然而測試結果顯示：風葉通常不能按照設計轉速在空調(diào)殼體里面工作。這主要由于風葉在設計工作轉速所對應的力矩與電機的力矩不等，導致風機不能按照設計轉速在空調(diào)室外機風道中工作，因此在葉型設計時應考慮風葉力矩。

鑒于上述表達，基于CFD數(shù)值解析結果來對交流風機在室外機中工作點的預測流程如圖5所示。

圖5 交流風機工作點預測流程圖

風葉的扭力-轉速曲線難以采用直接測量的方式獲得，但是其能夠采用仿真計算的方法較容易的獲得。針對研究的三款風葉的轉速-扭力特性曲線以及測得電機的特性曲線如圖6所示。

圖6 風葉扭矩、交流電機扭矩與轉速的對應關系

從圖6中可看出：三款風葉的轉速-扭力特性曲線會與電機的轉速-扭力曲線分別相交于三點，該點即為風機在空調(diào)室外機中的工作點。為便于求解采用最小二乘法分別對上述4條曲線進行數(shù)據(jù)擬合。由于風機的轉速與扭力存在平方的關系，因此采用二次多項式對其進行數(shù)據(jù)擬合如式（3）所示。在對電機轉速-扭矩特性曲線擬合時，采用6次多項式以便取得較高的數(shù)據(jù)精度，如式（4）所示。上述擬合結果見式（5）～式（8），平均偏差差分別為0.174%、0.171%、0.179%及1.69%。

分別將式（5）～式（7）與式（8）聯(lián)立求解，即可獲得三款風葉與交流電機匹配所對應的工作轉速N、工作扭矩τ。將轉速N分別代入風葉的轉速-風量特性曲線，N-Q曲線，即可獲得所對應的工作流量Q，再聯(lián)立風量-壓力特性曲線，Q-Pt曲線，見圖7，即可求解得到風葉工作壓力Pt，由式（9）可計算得到風葉的效率ηf。再配合電機的轉速-效率特性曲線，N-ηm曲線，見圖8，即可獲得電機工作效率ηm。最后由式（10）可得風機總效率ηt。三款風葉的計算結果以及實測結果如表2所示。

圖7 室外機風道風量與壓差的對應關系（實驗）

圖8 交流電機轉速與效率對應關系（實驗）

從表2可知，三款風葉基于上述方法的預測結果與實驗測試結果的一致性良好，偏差＜5%。三款風葉在同一室外機內(nèi)匹配同款交流電機時，工作轉速不同，在各自對應的轉速下風葉的風量、風葉的效率、電機的效率不同。結果顯示：在三款風葉中，風葉A風量最高，有利于系統(tǒng)換熱，風葉A的效率最高，達到69%，有利于整機提升能效。但是電機在風葉A工作轉速下的效率較低，僅為44%，導致風機總效率不高。也就是說，風葉A與電機的不匹配，導致風葉A的高效特點沒有得到充分發(fā)揮。風葉B與風葉C相比，雖然風葉B的效率相對較低，僅為56%，而風葉C的效率相對較高66%，但是其配套電機在其工作轉速所對應的效率較高，54.5%，相對風葉C配套電機工作效率高12個百分點，致使其風機總效率較風機C高2.72個百分點。由此可見，風葉與電機合理匹配對于提高風機效率及整機能效相當重要，只有風葉效率與其配套電機效率均達到最高，風機總效率才能達到最高，才能實現(xiàn)最大限度的節(jié)能。假定將電機在777 r/min所對應的效率由44.6%提高到54.5%，則風機A的總效率可由更改前的30.7%提高到37.4%，提升幅度達到6.7個百分點，這對交流風機來講是非常可觀的。因此調(diào)整風葉A的配套電機的高效點，使其由高轉速向低轉速變化，將會使風葉A的功率進一步大幅降低。

表2 三款風葉與某室外機風道匹配的測試結果及預測結果

4 結論

本文通過數(shù)值分析方法求解室外機風葉紊態(tài)流場，可準確獲得風葉外特性數(shù)據(jù)，并且聯(lián)合室外機阻力特性數(shù)據(jù)及交流電機轉速扭矩特性數(shù)據(jù)，可準確預測交流室外機風機的實際工作點數(shù)據(jù)，預測結果與實際結果偏差＜5%，在產(chǎn)品開發(fā)過程中可有效指導風葉設計及選型。