空调用贯流风机进气状态对其性能的影响分析-风机分会

空调用贯流风机进气状态对其性能的影响分析

发布时间： 2013-01-06

摘要：本文采用计算流体力学（CFD）的方法建立空调室内机流道的数值计算模型，定义了用于描述室内机贯流风机进气口气流方向的参数偏心度Φ。分析了室内机不同类型的前面板和换热器对贯流风机进气口流场状态速度分布，偏心度分布的影响，以及其与室内机性能的关系。为合理布置室内机前面板、换热器等结构，优化贯流风机进气口气流状态，提高贯流风机流量，降低贯流风机噪声提供参考。
关键词：贯流风机；流道优化；CFD；偏心度
中图分类号：TB657.2 文献标识码：B
Analysis of the Influence of Inlet Flow State of Cross-flow Fan for Air-conditioners or Its Performance
Abstract: Numerical model of the flow channel in indoor unit of an air-conditioner is set up by the method of CFD, and a parameter of eccentricity Φ,which is used to describe the inlet flow direction, is defined in this paper. In order to optimize the inlet flow state, improve the flow and reduce the noise of the cross-flow fan through rationally arranging front plate and heat exchanger of the air-conditioner, the impact on velocity distribution of inlet and eccentricity flow state of the cross-flow fan which is caused by different kinds of front plate and heat exchanger is analyzed, and the relationship between inlet flow state of the cross-flow fan and the performance of the air-conditioner is discussed.
Key words: cross-flow fan, flow channel optimization, CFD, eccentricity
0 引言
　　随着人们生活水平的提高和国家节能减排的要求，人们对空调器性能的要求越来越高，对于空调器室内端室内机的性能则是要求其具有更大的流量和更小的噪声。针对这些要求，室内机流道的气动和声学特性值得深入研究，不少相关研究机构和企业很重视流道的优化设计工作。
　　图1简要示出了一壁挂式空调室内机的流道结构，主要由进风格栅（1）、前面板（2）、换热器（3）以及贯流风机（4）等部件构成。其中最重要的部件是贯流风机，图2为其内部流动的示意图，其内流动特征比较复杂。但是因为其自身相对于离心式和轴流式风机的优点，贯流风机被广泛运用于家用电器中，如风幕机、空调室内机等，因此国内外很多专家和学者已针对贯流风机的优化设计、能量损失机理以及降低风机噪声等问题开展了许多相关研究。Toffolo等人通过实验和计算流体力学（CFD）的方法探讨了满足贯流风机各种目标的设计方法^[1]　，贯流风机内能量的损失机理^[2]　，以及结构参数与其性能的相互关系^[3]　；游斌^[4-5]　、张师帅^[6-7]等人也对贯流风机流动特征，结构参数与其性能的影响关系做了大量的研究。前人的这些研究对贯流风机的设计和运行提供了指导，但是这些结论主要是针对贯流风机进气状态良好的条件下所提出来，而在贯流风机的实际运用中，譬如在空调室内机流道内，在贯流风机的前面设有前面板、换热器等结构，此时选择好的贯流风机并不一定能使室内机的性能也随之改善，因为贯流风机上游的结构会使贯流风机的进气状态发生变化，从而对其性能产生影响。如邓明义等人^[8]通过实验的方法，在一台空调室内机内通过改变换热器的折数和翅片倒片（即改变了贯流风机的进气状态）使得室内机的性能在原有基础上流量增大而噪声减小；郝辉等人也通过CFD方法初步探讨了热交换器不同的布置方式对贯流风机噪声的影响^[9]　。这些研究结果表明贯流风机进气状态对其性能的影响值得我们去深入研究。本文拟在前人的研究基础上采用CFD的方法，引进一个表征贯流风机进气气流方向的参数偏心度Φ来描述室内机流道中贯流风机前各个结构对贯流风机进气状态的影响，分析换热器、前面板与贯流风机进气流场的关系，以及其对室内机性能的影响，为室内机流道优化设计提供指导。

1 计算模型及方法
　　室内机流道结构贯流风机和换热器因其沿叶轮轴向具有一致性，且沿轴线方向的流动对整个流场的影响较小，所以通常可以忽略三维影响，而把问题简化为二维来处理。本文的计算工况设定为室内机处于环境中的自由流动状态，即无节流条件，所以计算区域必须足够大以使得外部边界处的边界条件对室内机主流区域流场的影响较小，整个计算区域扩大为半径为10倍贯流风机叶轮外径的半圆区域，室内机将包含在该区域内，半圆弧处的边界条件为压力边界条件，压力值为环境压力值。又由于叶轮的旋转使得贯流风机内部流场呈现周期性变化，所以计算中将采用非定常计算模型。另外，本文只考虑室内机内部流场的流动特性，而假定在计算区域空气的温度不变，空气不可压缩，于是只需求解连续性控制方程和动量控制方程。所采用的数学控制方程表达式为：

　　室内机流场内存在旋转运动的贯流风机叶轮，本文采用滑移网格技术来解决这个问题。该方法把叶轮所在的区域设为运动区域，在运动区域与外界网格之间则通过滑移网格连接，从而在计算中实现叶轮的旋转，换热器区域结构比较复杂，本文将其简化为由多孔介质和管束组成的区域来模拟其对流动的影响。
2 偏心度的定义
　　图2为贯流风机内部流动的流线示意图，可分为两个区域：一是靠近蜗壳附近，两次跨过叶轮叶片的贯流区域，二是靠近蜗舌附近偏心涡所在的回流。贯流风机的有效流动是跨过叶片的贯流，图3为贯流风机进气口的贯流流线示意图。文献[8-9]的实验和模拟计算结果表明，贯流风机进气口的气流流动方向影响贯流风机的性能，比较理想的状态是指向轴心区域，流动损失最小，贯流风机的性能最优，又贯流风机的叶轮为圆筒形结构，进气口为圆弧形。所以为方便描述进气口气流的分布，本文引进偏心度Φ来描述进气口各点气流速度方向偏离进气口各点指向叶轮轴心方向的程度。在图3中，v为进气口气流速度，v_x、v_y为其x、y方向速度分量，α_v为速度相对于x轴正方向的角度，α_o为进气口该点指向轴心方向相对于x轴正方向的角度，两者夹角即为偏心度Φ=α_v-α_o。进气口处各点气流方向存在A、B这两种情况：A表示气流方向偏向于该点指向轴心方向右边，在偏心度数值上体现为Φ小于0，而B表示气流方向偏向于该点指向轴心方向左边，在偏心度数值上体现为Φ大于0。

3 贯流风机进气状态分析
　　室内机内引起贯流风机进气状态发生变化的结构主要是前面板和换热器，进气状态的变化进而会影响贯流风机的性能。本文主要监测贯流风机进气口气流状态的位置为进口处以叶轮轴心为圆心的一段圆弧面（见图4），角度从-20°～120°，该区域正是贯流风机进气口的主流区域。如图5所示，贯流风机室内机的前面板主要有两种形状，即平面板式和百叶窗式前面板。百叶窗式室内机气流可以通过前面板进入室内机内，而平面板式则不能，因而百叶窗式相比平面板式的流量更大，换热性能更好。但考虑美观和其它部件的配置，目前市场上的空调一般多采用平面板式室内机。图6给出了无面板、分别带有平面板前面板+换热器和百叶窗前面板+换热器等三种情况的室内机贯流风机进口处的气流状态分析，其中图6a为速度分布，图6b为偏心度分布。从图6a可得，室内机在加入前面板和换热器后，贯流风机进气口处的速度分布已发生很大变化。在没有这些结构时，气流的主要进气在-20°～60°的区域，而加入这些结构后，气流的主要进气则转移到60°～120°区域。该现象说明在室内机流道优化设计过程中，必须优化-20°～60°角度范围的换热器等流道结构，使贯流风机进气口状态最大程度地趋向于无面板运行状态。在图6b中，贯流风机无面板状态下，偏心度均处于-20°～20°区域，气流方向基本上都指向贯流风机的轴心附近，此时贯流风机的能量损失较小；而增加了前面板和换热器等结构后，在-20°～60°区域内的偏心度变化剧烈，表明这些结构增强了贯流风机进气口该区域气流的波动，从而导致能量损失增大，贯流风机的气动性能恶化。同时，从图6还可以看出，百叶窗式室内机贯流风机的进气状态略优于平面板式室内机的贯流风机，在室内机流道优化设计中应尽量采用百叶窗式面板，改善室内机性能。

　　室内机的换热器目前采用较多的是多折换热器和圆弧形的换热器，图7所示为三折形和圆弧形换热器。换热器的翅片比较薄，约为0.1mm，且翅片上一般还采用开窗等复杂结构来强化换热，流道中流动复杂，在数值计算中一般将换热器区域处理为多孔介质来模拟对流场的影响。本文计算中选用的换热器结构见图7，这两种换热器的翅片相同，管间的纵横距离相等，从而确保换热器的阻力性质相同，不同的是换热器的外形。图8为无换热器、三折换热器和圆弧形换热器等三种情况下贯流风机进口处的气流状态分布。图8a为三者的速度分布，由于换热器对流动的阻碍作用，采用两种形式换热器的室内机贯流风机进口速度均小于无换热器贯流风机的速度，不过采用圆弧形换热器时的速度分布比较均匀，此时的贯流风机进气状态优于采用三折换热器的贯流风机。从图8b还可知，采用圆弧形换热器的室内机贯流风机进气口气流偏心度相对于三折换热器变化更加光滑，变化趋势与单一贯流风机的趋势相同，气流流动更加稳定，贯流风机的噪声将会更低。由此可见，在室内机的流道结构优化设计中，采用圆弧形的换热器可望改善贯流风机进气状态，提高室内机性能。

4　结论
　　采用计算流体力学（CFD）的方法建立了空调室内机流道的数值计算模型，定义了一个描述贯流风机进气口气流方向的参数偏心度Φ，分析了室内机流道结构前面板和换热器对贯流风机进气状态的影响。计算结果表明，当贯流风机进气口前面设置了前面板和换热器后，贯流风机及进气口的速度分布会发生很大变化，主流区域从靠近蜗舌的区域移动到靠近蜗壳的区域，偏心度也更加剧烈变化，表明这些结构导致贯流风机进气口的气流状态恶化，贯流风机的性能降低。同时，还比较了不同前面板和不同形状换热器对室内机贯流风机进气状态的影响情况，百叶窗式前面板相对于平面板前面板具有更加好的气动性能，圆弧形换热器则优于三折换热器。计算与分析结果有助于合理布置贯流风机进气口结构，优化进气口气流状态，提高贯流风机流量，降低贯流风机噪声，从而最终优化空调室内机流道。

　　　　　　　　　　　　　　　　　参考文献

[1] A Toffolo, et al. Cross-flow fan design guidelines for multi-objective performance optimization. Proc. Instn Mech. Engrs Part A: J. Power and Energy, 2004, 218: 33-42.
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[3] A Toffolo. On the theoretical link between design parameters and performance in cross-flow fans: a numerical and experimental study. Computers & Fluids, 2005, 34: 18-29,66.
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