吳波

廣東美的制冷有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

隨著改革開放的不斷深入和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國已經(jīng)成為全球最大的小家電生產(chǎn)國，全球超過一半的小家電都來自中國[1]，其中IH電磁加熱電飯煲作為廚房小家電中最為重要的產(chǎn)品之一，其能夠?qū)崿F(xiàn)大火力加熱，大幅減少煮飯時間等優(yōu)點深受普通消費者的青睞。但是IH電飯煲大功率加熱使其電子元器件發(fā)熱量上升，對電飯煲的冷卻散熱要求也越來越高?，F(xiàn)有市面上IH電磁加熱電飯煲的冷卻散熱模塊主要是由小型軸流風(fēng)扇及鋁擠散熱片組成，大功率加熱會使電子元器件IGBT和橋堆溫升惡化，所需要的冷卻風(fēng)量逐步提升，隨之風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速及噪聲也越來越高，因此關(guān)注IH電飯煲噪聲產(chǎn)生的機理，降低和控制氣動噪聲對提升電飯煲產(chǎn)品競爭力及降低產(chǎn)品噪聲投訴率有重要意義。

IH電飯煲的噪聲主要有三大來源：（1）氣動噪聲（包括旋轉(zhuǎn)噪聲、湍流噪聲）；（2）電磁噪聲（電磁加熱噪聲）；（3）米水氣泡沸騰噪聲（氣泡破裂聲）。其中在電飯煲內(nèi)的水未沸騰前，其主要的噪聲為氣動噪聲和電磁噪聲，其中氣動噪聲為總噪聲的主要貢獻源。IH電飯煲的氣動噪聲主要是由旋轉(zhuǎn)噪聲及湍流噪聲組成，旋轉(zhuǎn)噪聲主要是由風(fēng)扇周期性拍打周圍空氣所產(chǎn)生的，湍流噪聲主要是風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的寬頻噪聲。

很多學(xué)者采用數(shù)值模擬和實驗研究結(jié)合的方法來分析家電產(chǎn)品的噪聲問題。游斌等通過對軸流風(fēng)輪葉片尾緣進行凹陷設(shè)計，降低葉片旋轉(zhuǎn)頻率峰值噪聲[2]；尹曉英等利用數(shù)值模擬獲得原模型風(fēng)機的流場特性和氣動噪聲特性，對原風(fēng)機進行優(yōu)化設(shè)計，提升風(fēng)機的氣動性能，降低其氣動噪聲[3]；錢紅玉等研究了不同葉片形狀和葉頂間隙對小型軸流風(fēng)扇氣動性能和內(nèi)部流程的影響情況[4]。上述學(xué)者通過數(shù)值模擬結(jié)合實驗驗證對風(fēng)葉降噪設(shè)計、風(fēng)機優(yōu)化設(shè)計及不同葉型等手段來改善產(chǎn)品的氣動噪聲，本文從IH電飯煲的冷卻散熱模塊著手分析，以降噪為首要研究目標(biāo)，對電飯煲進氣格柵、軸流風(fēng)機結(jié)構(gòu)、進氣面與風(fēng)扇的距離等影響因素進行分析，在保證電飯煲關(guān)鍵電子元器件的散熱性能不惡化的前提下，利用CFD流場及聲場耦合仿真模擬并結(jié)合實驗驗證，來探索一套軸流風(fēng)扇降噪設(shè)計的研究方法。

1 仿真模型及設(shè)置介紹

1.1 仿真模型介紹

本文所涉及的電飯煲冷卻系統(tǒng)如圖1所示，由于電飯煲工作過程中的主要噪聲來源于冷卻系統(tǒng)中軸流風(fēng)機高速轉(zhuǎn)動所帶來的噪聲，因此研究的主要對象為電飯煲的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件，其主要包括軸流風(fēng)機、電飯煲底座及風(fēng)扇支架，其中冷卻系統(tǒng)主要為電飯煲電路板上發(fā)熱元器件進行散熱。

圖1 電飯煲冷卻系統(tǒng)部件示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型及算法

電飯煲內(nèi)部流體流動受物理守恒定律支配，基礎(chǔ)的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律[5]。通過求解電飯煲內(nèi)部流體流動控制方程，可以獲得電飯煲內(nèi)部流場分布，對流道不合理設(shè)計處進行優(yōu)化改進。

流體的質(zhì)量控制方程：

流體的動量守恒方程：

流體的能量守恒方程：

Fluent軟件是當(dāng)今世界CFD仿真領(lǐng)域最為全面的軟件包之一，具有廣泛的物理模型，以及能夠快速準(zhǔn)確地得到CFD分析結(jié)果。采用Fluent對所研究的問題進行仿真計算，采用的是雷諾時均湍流數(shù)值模擬方法（Reynolds averaged navier-stokes, RANS），該方法對非穩(wěn)態(tài)的質(zhì)量、動量和能量輸運方程進行時間平均，得到一組關(guān)于時均物理量的控制方程，對不可壓縮流體的控制方程進行雷諾時均運算，可得：

Fluent計算軟件是基于有限體積法進行數(shù)值離散求解，其中湍流模型采用的是RNG k-ε湍流模型，求解方法采用的是SIMPLEC算法，相比于SIMPLE算法加快了收斂速度，針對旋轉(zhuǎn)機械流動問題，本文采用的是Fluent中提供的多重參考系（MRF）模型[6]，氣動噪聲計算采用的是寬頻噪聲模型（Broadband）[7]。

1.3 有限元模型建立

針對電飯煲冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的幾何處理及網(wǎng)格生產(chǎn)過程中進氣格柵和軸流風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)細節(jié)都保存完整，如圖2所示，其對應(yīng)的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 電飯煲原始進氣格柵結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電飯煲原始進氣格柵網(wǎng)格示意圖

1.4 數(shù)值計算模型驗證

搭建的風(fēng)量風(fēng)壓測試平臺如圖4所示，該平臺用于小型軸流及離心風(fēng)機風(fēng)量風(fēng)壓測試，通過將實驗測試結(jié)果與最終仿真計算結(jié)果進行比較，確保數(shù)值仿真計算得出的仿真值能夠用于后期產(chǎn)品的開發(fā)及產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計。實驗測量與仿真計算結(jié)果對比如表1所示。

圖4 風(fēng)機風(fēng)量風(fēng)壓測試平臺

表1 實驗測量與仿真計算結(jié)果對比分析

2 冷卻系統(tǒng)噪聲預(yù)測及優(yōu)化

2.1 流體仿真計算與噪聲預(yù)測分析

電飯煲噪聲改善的關(guān)鍵部件是軸流風(fēng)扇和進氣格柵的匹配，對冷卻模塊的優(yōu)化設(shè)計可以改善電飯煲整機溫升，在保證整機溫升性能不惡化的情況下，適當(dāng)?shù)慕档洼S流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，可以獲得較大的噪聲改善。目前行業(yè)內(nèi)冷卻模塊的設(shè)計主要是依靠結(jié)構(gòu)工程師的經(jīng)驗設(shè)計，該類經(jīng)驗設(shè)計并未考慮到流體在電飯煲內(nèi)部流動行為以及進氣格柵結(jié)構(gòu)進氣效率等問題，當(dāng)遇到溫升超標(biāo)問題只能通過提高風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來進行整機溫升測試，而提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致整機風(fēng)噪大幅度提高，引起消費者投訴。通過CFD仿真技術(shù)對電飯煲冷卻模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，獲取電飯煲冷卻模塊的流體流場分布，了解冷卻模塊的流動狀況，并對現(xiàn)有流場下流動不合理的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高電飯煲冷卻模塊的空氣的進氣效率，在相同轉(zhuǎn)速下電飯煲整機溫升獲得較大的降低，從而實現(xiàn)在與原始產(chǎn)品相同的溫升條件下，通過降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來達到大幅度降噪的目的。

首先對電飯煲原始結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊進行流場分析，原始結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊在Z=0截面處的流場及速度矢量分布如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)軸流風(fēng)扇進氣區(qū)域存在較大的渦流，大的漩渦直接影響冷卻模塊進氣效率及流動穩(wěn)定性，所帶來的影響是造成葉輪旋轉(zhuǎn)過程中風(fēng)噪偏高，原始結(jié)構(gòu)下的Z=0和X=0截面處的噪聲分布如圖6所示，從圖中可以看出，冷卻模塊的噪聲源主要來自旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)噪聲以及進氣格柵處氣流周期性漲縮作用下產(chǎn)生的噪聲。

圖5 Z=0截面處冷卻模塊的速度及速度矢量分布圖（原始結(jié)構(gòu)）

圖6 Z=0和X=0截面處冷卻模塊的噪聲分布圖（原始結(jié)構(gòu)）

針對原始冷卻模塊結(jié)構(gòu)的有框風(fēng)扇、方形進氣格柵進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提出了如圖7所示的無框軸流風(fēng)扇裝配方式以及傾斜圓形進氣格柵結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊在Z=0截面處的流場及速度矢量分布如圖8所示，相比于原始結(jié)構(gòu)冷卻模塊，最大風(fēng)速由原來的5.3 m/s提高至8.3 m/s，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的Z=0和X=0截面處的噪聲分布如圖9所示，冷卻模塊的噪聲源最大值由原始結(jié)構(gòu)下的50.7 dB(A)降低至優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的49 dB(A)，在傾斜圓形進氣格柵結(jié)構(gòu)下，進氣格柵處的冷卻空氣來流發(fā)展更為充分，冷卻模塊的進氣效率得到較大的提升。

圖7 電飯煲優(yōu)化進氣格柵及無框風(fēng)扇冷卻模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 Z=0截面處冷卻模塊的速度及速度矢量分布圖（優(yōu)化結(jié)構(gòu)）

圖9 Z=0和X=0截面處冷卻模塊的噪聲分布圖（優(yōu)化結(jié)構(gòu)）

2.2 冷卻模塊噪聲驗證與分析

依據(jù)上述流體仿真計算的流場分布及噪聲分布云圖，冷卻模塊的優(yōu)化方案能夠在相同轉(zhuǎn)速下提高冷卻空氣的進氣效率并且噪聲能夠獲得一定的改善，通過在半消音噪聲實驗室中對原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊噪聲測試進行分析，研究優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的冷卻模塊的軸流風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)下頻率分布情況。

圖10為原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的噪聲頻譜對比圖，從圖中可以看出：優(yōu)化結(jié)構(gòu)在葉頻450 Hz及葉頻的2倍頻處的能量稍高于原始結(jié)構(gòu)，在葉頻3倍頻處的能量遠小于原始結(jié)構(gòu)。圖11為優(yōu)化結(jié)構(gòu)和原始結(jié)構(gòu)冷卻模塊手板的噪聲測試結(jié)果對比圖，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的冷卻模塊噪聲相比于原始結(jié)構(gòu)下降1.35 dB(A)，其中出風(fēng)量（由風(fēng)機風(fēng)量風(fēng)壓測試平臺測試所得）由原始結(jié)構(gòu)13.18 m3/h增加至17.93 m3/h，使得電飯煲整機的溫升獲得較大的改善。在滿足溫升余量充足的情況下可以為進一步降低整機噪聲而降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，從而達到更為明顯的降噪效果。本文將軸流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速由3000 r/min調(diào)整下降至2800 r/min，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的電飯煲關(guān)鍵元器件的溫升保持與原始結(jié)構(gòu)下溫升一致，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的整機噪聲下降2.62 dB(A)，說明本文所提出來的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)通過改善來流進氣效率，在保證溫升不惡化的情況下，降低軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)大幅度的降噪。

圖10 新方案對比基準(zhǔn)頻譜

圖10 原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的噪聲頻譜對比圖

圖11 原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的噪聲測試對比分析

3 結(jié)論

本文以計算流體力學(xué)（CFD）作為流體與噪聲分析工具，對電飯煲的冷卻模塊的內(nèi)部流場進行了仿真計算，針對底座進氣格柵不合理的設(shè)計進行了優(yōu)化，將方形進氣格柵結(jié)構(gòu)改為傾斜圓形進氣格柵，有框風(fēng)扇改為無框風(fēng)扇，經(jīng)過手板打樣實驗驗證，可顯著提升冷卻模塊的進氣效率，提升進風(fēng)量和出風(fēng)速度。

本文所設(shè)計的冷卻散熱模塊在軸流風(fēng)扇相同轉(zhuǎn)速下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的噪聲值改善1.35 dB(A)，此時的整機溫升有較大的改善；使優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的軸流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速適當(dāng)?shù)慕档?，在保證優(yōu)化結(jié)構(gòu)下整機溫升與原始結(jié)構(gòu)下的溫升保持一致時，風(fēng)扇的氣動噪聲有明顯下降，通過保證整機溫升不變的情況下降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速達到降噪改善的目的，提升產(chǎn)品的競爭力。

本文通過對冷卻散熱模塊的裝配方式以及進氣格柵的結(jié)構(gòu)改進，證明了CFD流體仿真計算可以應(yīng)用在小家電產(chǎn)品上進行噪聲改善設(shè)計，值得在產(chǎn)品設(shè)計前端進行設(shè)計先行，后期作為設(shè)計指導(dǎo)，縮短小家電產(chǎn)品的性能改進周期，提升產(chǎn)品競爭力，加快產(chǎn)品上市時間。