椭圆管换热器对空调室内机声场影响的数值模拟

周 遊 张新强 汪双凤

(华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室 广州 510640)



椭圆管换热器对空调室内机声场影响的数值模拟

周 遊 张新强 汪双凤

(华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室 广州 510640)

椭圆管换热器由于良好的流动和换热特性，在换热设备中有广泛的应用。本文利用计算流体力学方法，对椭圆管翅片换热器应用于空调室内机的流场和声场进行数值模拟，并与圆管作对比。计算结果表明，换热管形状对贯流风机内部偏心涡的形成位置和大小没有影响；与采用相同截面积的圆管翅片换热器的室内机相比，相同条件下，采用椭圆管换热器对于室内机增加风量，改善制冷性能，降低噪声尤其是低频噪声方面有良好的效果。其中，长短轴之比为2的椭圆管可以降低室内机噪声4 dB。

空调室内机；椭圆管；降噪；数值模拟

管翅式换热器作为一种紧凑式换热器，是空调和制冷行业中应用最广泛的换热器[1]。随着制冷行业的发展，如何提高换热器的换热系数，改善换热器外部空气流动状况，一直以来都是制冷行业研究的重点课题。

另外，随着空调外观、性能等方面的提升，人们不断追求更加安静舒适的环境，空调噪声问题受到业内人士的普遍重视[2]，降低空调运行噪声也成为提高空调竞争力的策略之一。

针对空调室内机内部结构，胡俊伟等[3-4]针对贯流风机，提出使用不等距叶轮降低室内机噪声，比较不同形状换热器对空调室内机噪声的影响，设计了一种弧形换热器，可以有效减小气流噪声并增大风量；刘丙磊等[5]提出增加导风板的方案降低室内机噪声。

室内机空气的流动状况对结构的变化非常敏感，任何结构参数的改变都会影响流场分布，导致声场发生变化[6]。另外在改善空调声学特性的同时，必须保证良好的流动和换热特性，因此有必要对空调室内机风道系统的流场和声场进行综合研究。

室内机的声场分布与压力场和速度场有直接的关系，空调蒸发器作为室内机的重要组成部分，其结构的优化对室内机的流场及声学特性有重要影响。椭圆管由于自身形状接近流线形，气体流动时与壁面接触良好，对改善室内机流动换热和声学特性有重要作用[7-8]。与目前在空调中常用的圆管翅式换热器相比，椭圆管有以下几个特性：

1)气体绕流椭圆管外时，管后形成的尾流区域比圆管后的尾流区小很多，气动性能更好，可有效减小空气侧的流动阻力，降低能耗。

2)与相同截面积的圆管相比，入口质量流量相同时，椭圆管内制冷剂的相变传热系数高于圆管。

3)椭圆管翅片换热器采用短轴方向作为迎风面时，数目相同的管束，椭圆管更容易紧凑布置，占据空间更小。

虽然椭圆管相比圆管有很多优势，但制冷行业中椭圆管的应用并不普遍。原因主要是椭圆管的胀接和弯曲工艺与圆管相比更加复杂，且生产制造成本较高，尤其是椭圆管的内螺纹加工尤为困难。这些都对椭圆管翅片换热器在空调中的实验研究和应用带来一定的难度。

目前，工业产品开发设计的趋势是数字化，采用CFD软件对空调室内机风道的流场进行模拟的方法已得到广泛的应用，并取得良好的效果[9]。本文采用Fluent软件对空调室内机风道系统流场进行模拟，使用FW-H模型分析室内机噪声。本文以目前市场上常见的某品牌一款1.5匹家用挂壁式空调为对象建立模型，以在空调中应用最广泛的7 mm直径铜管为对比对象，椭圆管的尺寸如表1所示。

表1 椭圆管尺寸

1 数学模型

1.1 网格的划分

图1 室内机计算域截面示意图Fig.1 Schematic cross section of indoor unit computational domain

由于室内机风道系统内部结构比较复杂，在建模过程中，将简化排水托盘、进风口灰尘滤网和出风口的风向调节装置等[10]。为尽可能准确模拟室内机风道的实际流动状况，需要对室内机进出口区域进行延伸，进出口外部计算域选取为10倍贯流风机外径。由于空调室内机横向结构相同，所以本文的三维模型选取50 cm的横向区域作为研究对象。图1所示为三维室内机模型计算域的截面示意图(换热管为圆管)。整个计算的流体域可以分为7个区域：进风口扩展区域、进风口区域、管翅式换热器区域、贯流风机叶片区域、贯流风机中心区域、出风口区域，出风口扩展区域。由于贯流风机叶片所在流体域是旋转的，因此采用滑移网格法进行处理。风道内部网格采用非结构化网格，外部延伸区域采用结构化网格。1.2 求解器及边界条件的设定

采用LES(large eddy simulation)大涡模型，不可压缩Reynolds时均Navier-Stokes方程和标准壁面函数对空调室内机的三维非稳态流场进行求解；计算方法为Segregated隐式算法，湍流动能、湍流耗散项、动量方程都采用二阶迎风离散格式；压力速度耦合采用SIMPLE算法。时间步长设为4×10-3s，模拟风机转动5周的过程[11]。设定入口边界条件为压力入口，出口边界条件为压力出口，压力大小都为标准大气压；管翅式换热器区域为多孔介质。

1.3 模型的验证

为了验证本文CFD模型的准确性，首先对7 mm圆管翅片换热器在贯流风机转速分别为800 r/min、900 r/min和1000 r/min的条件下进行计算。邓明义等[12]用实验的方法测量了7.2 mm圆管换热器的空调室内机出风口风量。如图2所示，两种结果对比可知，计算结果与文献中实验结果基本一致，误差在15%以内。这些误差主要由于室内机数学模型与空调实验样机结构存在一定的差异(如进气格栅，出口导流板，内部电子元件等结构的简化)，造成风道流动阻力比实际值小，因此本文的计算模型相对准确。

2 流场计算

2.1 风道流量

如图3所示，同种结构的室内机出风口风量随贯流风机转速增大而增加，这符合贯流风机的基本规律[13]。相同转速下，随着椭圆管长短轴之比的增加，出风口风量增加。换热管数量相同的情况下，相同截面积的换热管，随着长短轴之比增大，短轴的长度减小。在模型中，短轴作为迎风面，换热管之间的间距增大，空气在换热管之间的流动阻力减小，风道系统内空气流量增大。

图4 压力云图Fig.4 Contour of total pressure

图2 转速与风量计算值和实验值对比曲线Fig.2 Contrast of the numerical simulation values with the experiments

图3 风量随贯流风机转速的变化曲线Fig.3 Changes of flow rate with rotational speed

2.2 压力分布

游斌等[14]通过数值模拟研究贯流风机内部偏心涡的演化规律发现，改变贯流风机的转速，偏心涡的涡核位置几乎不发生改变，改变的只是空气初次进入贯流风机的位置。

本文主要研究换热器形状对于室内机流场的影响。图4所示为三种结构的室内机在转速为1100 r/min时的压力云图，由图可知，贯流风机内部形成一个影响整个流场的偏心涡，偏心涡的方向与贯流风机的转向一致。这是由于空气两次流经叶片，从贯流风机上部叶片进入，从下部叶片流出，造成空气在风机内部形成流动漩涡。但是对比文中三种结构，换热管形状对于空调室内机偏心涡的形成位置和大小几乎没有影响。换热管形状的改变主要影响了空气在换热管间的湍流状况，椭圆管之间的压力波动更小。而空气流过管翅式换热器之后，二次流过贯流风机，流向出风口，室内机压力分布的出口部分变化也不大，出风口蜗舌处压力最大。

3 噪声分析

气动声学是研究流体自身以及流体域固体边界相互作用发生机理的一门科学。空调室内机噪声包括机械噪声和气动噪声。根据风扇声源辐射频率特性的不同，气动噪声又可以分为宽频噪声和离散噪声(或旋转噪声)[15-16]，其中宽频噪声是由叶片表面附面层以及尾缘漩涡脱落、空气湍流干扰等因素引起，离散噪声是由叶片与来流周期性相互作用等因素引起，通常与叶片通过频率及其谐波有关。

由于空气流经密集的翅片管换热器后立即进入贯流风机叶轮，两次流过贯流风机叶轮，使得风机内部存在非定常偏心涡，气体的涡流扰动是引起空调室内机气流噪声的重要原因之一。空气进入贯流风机的方向受到换热器结构的约束，因此空气流过换热器后的尾迹，即贯流风机气流的进入状态对于空气在贯流风机内部的流动状况有重要影响。

室内机噪声与贯流风机的转速有直接关联，转速越大，旋转噪声越强烈。对室内机噪声进行计算时，三种模型都在最大转速1100 r/min时进行研究。

噪声的数值模拟将声音的产生和传播两个过程分开。首先通过LES大涡模型计算得到压力脉动数据，即声源信号，然后通过FW-H方法计算声音的传播过程。由于噪声的计算需要在监测点处获得更加精确的压力脉动数据，因此时间步长减小为4×10-4s。本文出风口处的声音监测点坐标为(0.25 m，-0.25 m，0.025 m)。

计算得到监测点的压力随时间脉动曲线，然后通过Cruel方程和快速傅里叶变化得到旋转噪声的频谱。

计算得到监测点处声压随时间的变化曲线，将获得的时域谱进行FFT分析，又可得到各种声压的频谱，由此可以计算各个频率对声压的贡献情况。由于每一个频率都对应一定的声压值，造成频谱分析的复杂性。但文中并不需要对每一个频率成分进行分析，为了分析的方便性，通常把宽广的声音频率变化范围划分为若干较小的段落，叫频带或频程。声压级频带图就是把在该频带内，不同频率对应的声压取几何平均值。通过对声压频带图的分析，可在室内机结构设计时指导声学方。

图5所示为声压频带图，空调室内机噪声以低频噪声(低于200 Hz)为主，且波形图与其它文章中相一致[17-18]。与高频噪音相比，低频噪音随着距离越远或遭遇障碍物时，衰减较慢。韩文等[19]采用多通道分析仪测量室内机在超高转速1290 r/min时，50 s内的平均声压级为45 dB，与本文转速为1200 r/min换热管为圆管的结果基本一致。因此本文计算得到的波形图和计算值基本准确。

图5 不同频带下的声压级变化曲线Fig.5 Changes of sound pressure level with frequency

整理声压级在不同频带下的计算数据得到圆管和椭圆管的最大、最小声压级和低频率内的声压级，如表2所示。可知采用椭圆管可降低空调室内机最大声压级3～4 dB，降低最小声压级4.5 dB。对比长短轴之比为1.5和2.0的两个椭圆管，最大声压级后者比前者小1 dB；频率为100 ～200 Hz时，前者的声压级为48.5 dB，后者为46 dB；频率为200 ～350 Hz时，前者为42.5 dB，后者为40 dB，后者在低频率噪声(0～350 Hz)内声压级可以减小2.5 dB。因此，长短轴之比为2的椭圆管可以降低噪声4 dB，并且在降低低频噪声有更好的效果。

表2 不同频率下的声压级

4 结论

管翅式换热器的结构对空调室内机风道系统的流动换热和声场有重要的影响。本文使用计算流体力学的Fluent软件，对挂壁式空调室内机风道系统进行模拟，模拟的结果能基本反映室内机的真实流动状况。通过分析椭圆管对室内机空气侧各种参数的影响，得到以下结论：

1)与圆管相比，计算频率为0～1400 Hz时，采用椭圆管可以降低最大声压级3～4 dB，降低最小声压级4.5 dB，且在降低低频噪声方面有更好的效果；两种椭圆管中，长短轴之比为2的椭圆管降噪效果更好，可降低4 dB左右。

2)不同结构换热器对于贯流风机内部的非定常偏心涡的大小和形成位置影响不大，出风口蜗舌处压力最大，换热器结构的改变主要影响空气在换热器内部的紊流状况和初次流入贯流风机的状态。

3)同一种换热器，随着贯流风机转速的增大，空调室内机风道系统的空气流量增加，室内机可实现更好的制冷效果。蒸发器的圆管替换为椭圆管可显著增加出风量，长短轴之比为2的椭圆管效果最好。

因此，与圆管相比，椭圆管对于增加空调室内机风量，降低噪声方面有良好效果。本文的研究对椭圆管在空调和制冷设备中的应用有一定的指导意义。

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About the corresponding author

Wang Shuangfeng, female, professor, Ph.D. adviser, Key Laboratory of Heat Transfer Enhancement and Energy Conservation of Education Ministry, South China University of Technology, +86 20-22236929, E-mail: sfwang@scut.edu.cn. Research fields: clean energy utilization and energy conservation and emissions reduction technology; aviation, electronics and optoelectronics (LED) in the field of heat dissipation technology; micro flow, heat transfer and basic research; phase change energy storage material and technology, etc.

Numerical Simulation of the Influence of Elliptical Tube Heat Exchanger in Indoor Unit of Air Conditioner on its Acoustic Field

Zhou You Zhang Xinqiang Wang Shuangfeng

(Key Laboratory of Heat Transfer Enhancement and Energy Conservation of Education Ministry, South China University of Technology, Guangzhou, 510640, China)

Elliptical tube heat exchanger has been widely used in heat exchange equipment due to its good flow and heat transfer characteristics. In this paper we use computational fluid dynamics method to simulate the flow field and sound field generated by the indoor unit of air conditioner with elliptical finned tube heat exchanger , and make comparison with circular tube heat exchanger. The results show that for the inside the cross-flow, the structure of tubes in heat exchangers has no effect on the location and size of the eccentric vortex; compared with the circular tube finned heat exchanger with the same cross-sectional area, the air conditioners using elliptical tubes work better on increasing the air volume, improving cooling effect and reducing noise especially low-frequency noise under the same conditions. Above all, the conditioner using elliptical tubes in which the ratio of the long axis and short axis is 2.0 can reduce noise 4 dB.

air-conditioner indoor unit; elliptical tube; noise reduction; numerical simulation

0253- 4339(2016) 02- 0087- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.087

2015年7月8日

TB657.2； TQ051.5； TP391.9

A

简介

汪双凤，女，教授，博士生导师，华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，(020)22236929，E-mail: sfwang@scut.edu.cn。研究方向：清洁能源利用及节能减排技术，航空、电子及光电领域(LED)散热技术，微纳传热与流动基础，相变储能材料与技术等。