空调室外机轴流风机性能预测及实验研究

刘中杰，刘利娜，陈焕新

（1-国家节能环保制冷设备工程技术研究中心，广东珠海 519070；2-华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074）

空调室外机轴流风机性能预测及实验研究

刘中杰*1，刘利娜1，陈焕新2

（1-国家节能环保制冷设备工程技术研究中心，广东珠海 519070；2-华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074）

利用CFD对空调轴流风机周围空气流动状态进行仿真求解，获得轴流风机在空调室外机风道系统中的一些性能预测。以不同出口静压绘制出风机特性曲线，得到风机产生的风量和全压。结合空调室外机负载和电机参数，最终得到风机的效率。取风叶不同半径基元级位置得到其对空气做功的大小以及流动状态。获取风叶在室外机中的效率，并考虑导流圈上压力脉动的大小，对风叶表现出的性能和噪声水平做出正确的预估。研究结果为风叶的优化设计和结构选型提供依据。

空调；轴流风机；CFD；效率；压力脉动

0 引言

空调室外轴流风机主要作用是提供冷凝器的散热循环风量，因此冷凝器是室外机的关键部件，而风机是影响冷凝器换热能力的重要部件。

CFD技术已经逐步应用于空调零部件设计中，华中科技大学王军等[1-2]主要从CFD的结果对轴流风叶结构设计提出改进意见；上海交通大学田杰等和姜彩铃等[3-4]主要从CFD仿真和PIV试验相结合的方法对风机的气动噪声进行研究；西北工业大学王占学等[5]主要从试验的方法对比不同风叶结构引起的流场和噪声差异；清华大学王洪磊等[6]通过对空调室外机的模拟仿真，认为风扇罩对降低涡流噪声影响显著，从而通过优化其结构达到降噪的目的。日本空调企业在2000年左右已经成功的将CFD技术应用于室外机轴流风扇的开发，JANG C M等[7]对于室外机CFD流场仿真和噪声预测已经成功应用于工程设计中。对于低速轴流风扇的研究大多数着眼于对其噪声的预估，其中PÉROT F等[8]采用了先进的LBM（Lattice Boltzmann Method）算法对流场进行精密仿真，得到精确的压力脉动和涡量分布等噪声分析的噪声源数据，从而获取较为准确的噪声预估结果。

对于空调室外机的CFD仿真，管翅式冷凝器无法真实建模，所以参考文献[1,2]中直接忽略了冷凝器的影响，单从风机方面分析；而参考文献[6]采用了CFD软件中多孔介质模块，将冷凝器对空气的压降考虑到流场计算中。本文通过结合理论和实际应用，利用方法一通过仿真获取风机特性曲线，对比不同结构对风叶性能的影响；利用方法二主要从室外机整体的表现去把握风机系统的设计，主要是针对工作点状态下的流场信息，得到的结果可以为冷凝器散热优化设计或者室外机噪声预估提供边界条件。参考文献[9]主要对方法一做了一个初步的探索，本文对计算模型进行了调整，对风机在室外机有无负载的状态下进行仿真，得到流场分布情况。

1 实验装置和数值模型

1.1 实验装置

本文分析载体为某款上市1.5 HP室外机，其中分析的轴流风叶外径均为445 mm，轮毂比为0.25，叶片个数为3片，沿圆周均匀分布；主要负载为管翅式冷凝器，采用双排、Φ9.52铜管、平片结构；风叶后部带注塑出风格栅，主要防止异物进入风机造成事故，对于风机系统也是风阻和噪声的影响部件；此外，电机支架和电机对于风道中气流流动也存在一定阻碍。实验风量测试的主要设备参照了ANSI于2007年8月17日颁布的美国国家标准，如图1所示。其中风速通过喷嘴前后压差计算得到，风机出口静压（或全压）通过图1中PL7位置测试得到。

图1 风量测试装置

实验噪声测试参照GB/T 7725-2004房间空气调节器[10]，本文按照某空调企业噪声测试标准在半消声室里进行测试，室外机和采集麦克风放置位置要求如图2所示。

图2 噪声测试位置

1.2 物理模型

结合实验测试的状况，对参考文献[9]的物理模型，进行必要调整，修改后CFD模型如图3所示。其中不同范围的进口延伸对结果有影响，室外机进口直接连通大气，进口延伸区域选择了半圆球，包含了在室外机周围大气；室外机测试时连接了测试用转换风口，截面发生了变化，此部分造成的一定损失需考虑；轴流风叶放在实际的室外机壳体里，包含了电机支架和电机，考虑到其产生的阻力，尽可能与实际测试状态一致；考虑到室外机冷凝器部分使用多孔介质模型，单独建立几何划分网格。

对仿真结果有较大影响的因素除了几何模型外，主要是对模型网格的划分。从工程应用角度出发，除了冷凝器计算域外其余计算域均采用四面体网格，冷凝器计算域采用六面体网格主要为了保证用多孔介质模型时的计算准确性，其多孔介质阻力参数通过换热器阻力测试得到p-v曲线拟合计算得到。对于风叶表面及附近压力梯度较大区域采用尺寸函数方式加密网格，其余区域采用稀疏网格，从而保证整体网格数目在150万左右。经研究对比，这样的网格分布和数目既能保证一定的计算精度，又达到了快速收敛的目的。

图3 CFD计算域模型

1.3 数学模型

将网格划分得到离散模型导入到商业有限体积CFD软件中，进行数值求解不可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程。其中湍流粘性模型采用了k-ε两方程模型，壁面附近流动利用壁面函数进行求解；考虑到流动的非稳定性及噪声计算的需求，采用了非定常计算，对于时间项采用二阶离散格式；考虑到动静干涉的影响，旋转区域计算采用了sliding mesh模型，计算过程中风叶以及其周围旋转域网格按指定转速转动；对于对流项和扩散项采用二阶迎风格式，压力-速度的耦合采用PISO算法求解；计算收敛准则为连续性残差ε＜10-5。连续性方程和动量方程写成张量形式分别是：

式(2)中S是源项，表征Coriolis力和离心力；

湍流动能K和耗散率ε从公式(3)和公式(4)的输运方程得到：

式(3)、(4)中μt是湍流粘性系数（Pa·s），由K和ε从公式(5)可求得：

式(5)中的C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09是常数值；湍流K-ε方程采用标准壁面函数时，近壁面的平均速度满足公式(6)：

式(6)中kv=0.42，是von Karman常数；E=9.81，为经验常数；Kp为P点的湍流动能K；yp是从P点到壁面的距离；μ为P点流体的动力粘度（Pa·s）。

进口边界给定0 Pa全压进口；出口边界给定0 Pa压力出口，求解风叶旋转引起的空气循环流量大小。

2 流动分析

2.1 风机特性曲线

根据通风机原理，空气经过一定转速下风机的做功，产生了一定的风量和全压。通过绘制全压与流量之间的关系曲线，从而可得到通风机的特性曲线。对于不同结构的通风机通过对比它们的风机特性曲线，可得知风机性能优劣。

风机特性曲线可通过实验或仿真手段获取，本文将实验和仿真得到的风机特性曲线做了对比，如图4所示。对比可见在22 Pa以下时，CFD曲线与实验曲线十分接近；在22 Pa以上风机进入不稳定工作范围，流量大幅度降低，仿真很难保证准确计算出其状态下的压降。

图4 CFD与实验的特性曲线对比

2.2 截取流场信息

根据CFD计算的结果，可以分析风叶表面静压分布，流道中速度分布、全压分布和冷凝器表面速度分布等，从而了解风叶主要做功区域和风叶设计缺陷，知道流道中主要的空气流通区域和主要的损失区域，以及冷凝器主要换热区域等。图5(a)表示截取风叶叶片表面靠近叶顶的基元级的位置，图5(b)表示沿前缘至尾缘曲线静压分布，曲线围成的区域面积表示此基元级做功的大小，上曲线表示压力面静压值变化趋势，下曲线表示吸力面静压值变化趋势，从曲线的变化可了解气流沿叶片的流动情况。

图5 叶片基元级的静压分布

2.3 风叶做功与效率计算

通过CFD在获取风叶的特性曲线同时，可以得到每个状态下的风叶转矩需求大小。通过公式(7)可计算得到风机的轴功率，然后通过公式(8)将有效功除以消耗功则得到风机全压效率。

式中：

ω——角速度，rad/s；

T——CFD计算得到的风叶转矩大小，N·m。

式中：

qv——流量，m3/s；

ptF——CFD计算得到的风机全压升，Pa。

将一款轴流风叶在某室外机壳体里进行CFD的计算结果进行统计，可得到表1。

表1 某款风叶做功和效率CFD结果

2.4 压力脉动分析

在仿真风机运转过程中，对主要噪声源壁面记录其压力随时间的波动情况。对记录的数据进行FFT转换，得到压力脉动在频域下的特征分布情况，进而评价有关风机噪声的大致水平。图6为计算某风叶旋转一圈时间内，室外机导流圈上取三个小面的压力的变化情况，将监控得到的时间-压力曲线数据进行FFT转换后，可获取频率下的峰值分布情况，其中明显的峰值基本上都是旋转基频及倍频。

图6 压力随频率的分布曲线

3 不同风叶对比

3.1 风机工作点

根据通风机原理，不同设计结构的风叶通过CFD在获取风叶的特性曲线，同时通过试验测试的方法也可获取风叶的特性曲线以及网管阻力曲线。将两者放入图7中进行对比，从中可以找到风叶1#和风叶2#在特定的网管中的工作点，即特性曲线和网管阻力的交点，通过CFD方法可以预估出各风叶的风量大小。同时，可判断风叶的工作状态是否稳定，是否可能会出现喘振。

图7 不同风叶工作点对比

3.2 风机噪声评估

不同设计结构的风叶在仿真过程中，利用压力脉动分析方法，监控相同位置的压力波动情况可以获得图8的对比结果。风叶1#的压力脉动幅度明显大于风叶2#，从而可以初步评估得到风叶1#的噪声略差于风叶2#。

图8 不同风叶压力监控对比

4 结论

1) 分析可获得风机的特性曲线，但并非全部流量范围内仿真值都能够保证与实测值一致，对于流量低于失速点状态下的情况，仿真得到的全压值通常高于实测值。

2) 截取基元级的压力分布可通过曲线所围面积得知其做功大小，同时可以得知基元级上压力变化趋势，从而得知叶片表面流动是否存在分离的信息。

3) 通过计算得到风机的效率高低，从而帮助选取高效风机。

4) 虽然不能通过CFD计算得到风机的噪声大小，但通过监控壁面压力的分析，可以得到其产生主要的频率成分，从而判定其对总噪声的贡献。

因此，综合比较之后，可以为风叶的性能和噪声作出预测，为风叶设计、优化和选型提供依据。

[1]王军, 邱鑫, 王兴双. 空调室外轴流风机结构匹配性能试验研究[J]. 风机技术, 2010(2): 16-18.

[2]王军, 金培耕, 吴光辉, 等. 空调用轴流风扇系统内流特性分析与应用[J]. 工程热物理学报, 2002, 23(3): 305-308.

[3]田杰, 欧阳华, 吴亚东, 等. 空调器室外机轴流风机内部流动的PIV研究[J]. 实验流体力学, 2009, 23(1): 9-16.

[4]姜彩铃, 陈江平, 陈芝久, 等. 空调室外机流场特性研究[J]. 中国机械工程, 2005, 16(12): 29-32.

[5]王占学, 乔渭阳, 唐狄毅, 等. 两种空调器室外机组风扇的流场和噪声实验研究[J]. 西北工业大学学报, 2003, 21(3): 17-19.

[6]王洪磊, 向东, 段广洪, 等. 分体式空调室外机风道系统的流场分析[J]. 流体机械, 2009, 37(6): 65-69.

[7]JANG C M, FURUKAWA M, INOUE M. Frequency characteristics of fluctuating pressure on rotor blade in a propeller fan[J]. JSME International Journal Series B, 2003, 46: 163-172.

[8]PÉROT F, MOREAU S, HENNER M, et al. Direct Aeroacoustic Prediction of a Low-Speed Axial Fan[J]. AIAA paper, 2010, 3887: 2010.

[9]刘中杰, 刘利娜, 龙斌华, 等. 基于CFD的空调用轴流风叶设计选型[C]//国家节能环保制冷设备工程技术研究中心2010年国际制冷技术交流会论文集. 2010: 569-572.

[10]GB/T 7725-2004, 房间空气调节器[S].

Performance Prediction and Experimental Research on Axial Fan of Outdoor Unit of Air-conditioner

LIU Zhong-jie*1, LIU Li-na1, CHEN Huan-xin2
(1- National Engineering Research Center of Green Refrigeration Equipment, Zhuhai, Guangdong 519070, China; 2- School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China)

Through CFD simulation on the air flow around the axial fan of outdoor unit of air-conditioner, the performance prediction of the axial fan in the flow field system of outdoor unit was obtained. The fan performance curve was drawn for different outlet static pressures, and the total air volume and total pressure of the fan were obtained. Combined with the load of outdoor unit of air-conditioner and the parameters of the motor, the fan efficiency was gained. Besides, the power consumption and the flow patterns were predicted by different radial section of fan blade on an elementary stage numerically. The performance and noise level of fan blade were predicted effectively by obtaining the efficiency of the fan in the outdoor unit and the fluctuating pressure at the guide casing. The research results provide a basis for the optimum design and structure type selection of the fan blade.

Air-conditioner; Axial fan; CFD; Efficiency; Fluctuating pressure

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.207

*刘中杰（1981-），男，工程师，学士。研究方向：空调风机风道设计研究。联系地址：珠海格力电器制冷技术研究院2所，邮编：519070。联系电话：0756-8669108。E-mail：jimee_lzj@163.com。