导流圈干涉处理对空调室外机流场的影响

郭宝坤，李跃飞，马丽华，刘鑫，谢军龙*

（1-华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074；2-广东美的暖通空调设备有限公司，广东佛山 528311）

导流圈干涉处理对空调室外机流场的影响

郭宝坤1，李跃飞2，马丽华2，刘鑫1，谢军龙*1

（1-华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074；2-广东美的暖通空调设备有限公司，广东佛山 528311）

处理室外机导流圈与其他部件的装配干涉时，普遍采用切割导流圈的方法。本文对一款空调室外机导流圈的不同位置进行不同大小的切割，并利用CFD技术分析切割产生的缺口对室外机风量及流场带来的影响。结果表明，室外机侧进口附近的导流圈缺口对风量的影响最大，尤其缺口的边界接近导流圈喉部时，会引起风量下降4%左右；对其流场分析后发现，切割后该位置对应的低压区域的范围减小，叶尖涡影响区域增大，同时压力脉动幅值减小。

空调；导流圈；干涉处理；数值仿真

0 引言

空调室外机风机风道的主要部分是典型的半开式轴流风机系统。轴流风扇作为风道系统的重要做功部件，对冷凝器的换热效果起着关键的作用[1]；而导流圈结构对风扇的流量特性和噪声特性有重要影响，二者的合理匹配能起到改善流场、增大流量以及降低系统噪声的效果[2]。

随着CFD技术的不断完善及其计算精度的进一步提高，数值仿真模拟在风机风道优化设计中发挥着重要作用。CFD软件可以方便地对风机的双工况甚至多工况特性进行分析，解决风机优化设计中的许多困难[5]。通过仿真模拟的可视化技术，针对性地提出优化方案，可以大大节约研发成本[6]。杨维平[7]等运用CFD技术研究确定了冷却风扇与导风罩相关结构的最佳参数。文献[8]通过数值模拟分析了空调室外机风扇与导风罩之间流场的压力脉动特性。由于结构限制，空调室外机采用的导流圈基本为半开式。丁国良等[10]利用CFD仿真分析了半开式导流罩宽度、导弧对室外机噪声的影响。王双兴[11]通过数值仿真模拟得出某空调导流罩的合适的宽度范围。WU等[12]对室外机导流圈参数进行研究，并对其各项参数对流量的影响程度进行对比。赵亮等[13]也对室外机导风圈的参数进行了系统的研究。

此外，王巍雄等[14]采用实验方法研究了导流圈在风扇前缘、尾缘和中间3种轴向位置下，散热风扇的气动性能。JANG等[15]使用LDV测量了空调轴流风扇叶顶间隙的流动情况，设计了一种能减小叶顶间隙处回流的导风圈。

可以看出，有关导流圈对室外机流场的影响的研究都集中于导流圈的结构形式、参数设置、导流圈与风轮相对位置等方面，但是鲜有文献提及导流圈因装配干涉被切割后对室外机风量及流场带来的影响。为对这一课题进行研究，本文对一款室外机模型的导流圈进行切割，分析切割后，室外机风量及流场发生的变化。

1 室外机及其导流圈

本文所分析的模型是某款6匹双风轮室外机如图1所示，不考虑其压缩机区域只考虑其风机风道系统，包括机壳、导流圈、轴流风叶、电机及电机支架。此模型中所采用的轴流风叶外径为508 mm，轮毂比为0.3，叶片数为3片，分析主体对象是上下并联的导流圈。由于导流圈与换热器和中隔板等部件发生装配干涉，导流圈的进口弯边在相应地方被切去一部分，如图2所示。

图1 室外模型图

图2 原机导流圈

2 计算方法及试验验证

由于室外机内部结构比较复杂，因此对计算模型采用四面体非结构网格划分，其中旋转区域单独进行网格划分，并对叶片表面和叶顶间隙的网格进行局部加密，旋转区域与内流场其他区域通过interface交换数据。考虑到电机及其支架对气流具有阻塞作用，对电机及其支架附近的网格也进行适当加密。此外，在室外机的出口加上延伸段以保证室外机出口边界的流动均匀性。整个模型的网格数为3,854,191，其中旋转区域网格数为2,456,617。

该室外机内部流场的CFD仿真分为定常计算和非定常计算两部分。定常计算部分采用Realizable k-ε湍流模型。Realizable k-ε模型是标准k-ε模型的改进型，增强了其在旋转流动、二次流以及流动分离的预测能力[6]。压力-速度耦合方式采用SIMPLE算法，近壁面函数采用scalable壁面函数，旋转区域采用多重旋转坐标系，非定常计算时旋转区域采用滑移网格法以求解风叶与导流圈的相互作用。模型的进出口都采用压力边界条件。计算残差低于10-4，且流量波动小于5‰时，认为计算收敛。

为了验证该计算方法的准确性，对装配有原机导流圈的室外机进行风量测试实验，实验状态和模拟状态均不考虑换热器部件。实验结果与模拟结果对比如表1所示，从风量上来看，模拟结果和实验结果基本一致，二者误差在5%以下，说明边界设置是合理的，该计算方法可信。

表1 试验风量与模拟风量对比

3 导流圈干涉处理对室外机流场的影响

为了研究导流圈被切割的位置和大小对室外机风量及内部流动特性的影响，仿照干涉处理的形式对完整的导流圈进行切割，切割位置如图3所示。导流圈上的位置A靠近换热器，位置B靠近室外机中隔板，位置C处于两个导流圈之间，都是易发生装配干涉的地方。考虑到装配过程中两个导流圈同时与换热器或者中隔板发生装配干涉，每个方案都同时对两个导流圈进行相同程度的切割。定义导流圈切割面距导流圈劣弧最外沿的水平距离为切割量d。每个位置均有3个切割量，分别为10 mm、20 mm、30 mm。

图3 导流圈切割方式示意图

该室外机设计工况下，上风轮转速为740 r/min,下风轮转速为720 r/min。在该设计工况下，研究导风圈缺口对室外机风量的影响，结果如图4所示。方案A、B、C分别对应位置A、B和C处的切割。方案M未对导流圈进行切割，而方案N是在位置A、B、C同时切割。

图4 转速为740/720 r/min各个方案的体积流量对比

从图4可以看出，在导流圈位置A切割后，随着导流圈被切割程度增大，室外机的风量是递减的。切割量为30 mm时，与方案M相比，风量相差4.1%。而在位置B和C，3种切割量下室外机风量都没有大的变化。对比方案N与方案A，二者在流量变化方面是一致的，可见3个位置中，位置A处的缺口对风量的影响最大。

实际工程中，导流圈发生的装配干涉的位置不止一处，方案N更接近实际情况。下面着重对方案M与方案N（d=30 mm）这两种情况进行对比分析。图5和图6是S轴向切面（见图3）的压力分布云图。由于室外有两个进口，进口边界是不对称的，所以靠近室外机侧进口的风扇低压区（线框所示）较大，同一旋转区域其他低压区的范围较小。方案N中，叶片吸力面的低压区扩展到导流圈外，部分侧进口气流可以直接通过导流圈的缺口进入旋转区域的低压区。

图5 方案M轴向压力云图

图6 方案N（d=30 mm）轴向压力云图

图7和图8为上风轮位置A处导流圈附近的流线分布。方案M中叶尖涡受到导流圈壁面的限制，呈狭长状。方案N中，由于流道较为开放，叶尖涡的发展更充分，为椭圆状。从二者的对比可见，完整的导流圈有助于限制叶尖涡的发展并减弱叶尖涡对流道的阻碍作用。

为了研究风扇旋转过程中导风圈与风扇的相互作用，对模型进行非稳态计算，并在导风圈和叶顶之间设置了8个压力监测点，监控其压力脉动，通过对其压力脉动的分析，可以得到其产生主要的频率成分。各个监测点的位置如图9所示。

图7 方案M导流圈位置A附近的流线

图8 方案N导流圈位置A附近流线

图9监测点位置示意图

图10和图11是在该室外机设计工况下，方案M和方案N相应位置监测点的脉动压力对比。可以看出上风轮各监测点的压力呈周期性变化。方案M在监测点P1处的压力脉动幅值大于方案N相应监测点的脉动幅值，而且当叶片吸力面经过这4个监测点时，带有缺口的导流圈的方案N的相应监测点的压力较方案M中的高，减弱了其卷吸周围气体的能力。对监测点的压力脉动时域数据进行快速傅里叶变换可以得到频域的脉动信号如图11（b），可以看出其脉动峰值主要出现在叶频及其倍频处。

图10 上风轮监测点压力脉动

图11 监测点压力脉动对比图

4 结论

空调室外机的导流圈常常因装配干涉问题而被切割。本文利用数值仿真技术对切割后导流圈的缺口位置和缺口大小进行研究，分析其对室外机风量及流场带来的影响。

靠近室外机中部及中隔板的导流圈缺口对室外机风量的影响较小。而室外机侧进口附近的缺口对风量的影响最大，且风量会随着缺口的增大而减小；缺口边界接近导流圈的喉部时，会引起室外机风量下降4%左右。对室外机侧进口附近流场的分析表明，导流圈被切割后，缺口附近相应的低压区域会减小；叶尖涡的控制区域扩大使得流道的通流面积减小；同时相应监测点的脉动幅值会减小。

设计人员在确定空调室外机导流圈的位置时可考虑使其尽量靠近中隔板位置，避免导流圈与换热器干涉处理的缺口过大而造成室外机风量的较大损失。

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Effects of Interference Treatment of Inlet Shrouds on Air Flow Field of Outdoor Units of Air Conditioner

GUO Bao-kun1, LI Yue-fei2, MA Li-hua2, LIU Xin1, XIE Jun-long*1
(1-School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China; 2-Guangdong Midea HVAC Equipment Co., Ltd, Foshan, Guangdong 528311, China)

Cutting inlet shrouds is often used to deal with the assembly interference between the inlet shrouds and other components. In this paper, different sizes and locations of cutting have been carried out on the inlet shrouds of an outdoor unit of air conditioner, and CFD simulation is used to analyze the effects of the notches on the air flow rate and fluid field of the outdoor unit. The results show that the notch near the side entrance has a maximum impact on the air flow rate. In particular, the cutting edge is close enough to the throat of the shroud, which causes the air flow rate to drop by about 4%. A detailed analysis about this phenomenon showes that, near the place mentioned above, the corresponding low pressure district reduces, and the region influenced by the tip vortex increases; the amplitude of pressure fluctuation decreases.

Air conditioner; Inlet shrouds; Interference treatment; Numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.207

*谢军龙（1970-），男，副教授，博士。研究方向：风机流动机理和相关声学问题。联系地址：湖北省武汉市华中科技大学动力楼，邮编：430074。联系电话：13071280501。E-mail：hustxjl@163.com。