空调室内机导流板角度对流场影响的大涡模拟

舒朝晖，段亚雄，张 强，陈旭升，万 勇

（华中科技大学，湖北武汉 430074）

1 前言

家用分体空调室内机由于结构紧凑，占用空间小，出风均匀，噪声低等优点，被广泛应用。风道系统中使用的贯流风机有别于其他类型的风机，气流两次沿径向进出叶轮，在叶轮内侧靠近蜗舌处存在一个控制流场的偏心涡。偏心涡的大小和强度对贯流风机流场分布具有重要的影响［1～4］，进而影响整个风道流场。与离心风机和轴流风机不同，贯流风机由于内部复杂的流动特性以至于对流体的流动特性还没有被人们完全理解，到目前为止还没有通用的理论来指导贯流风机的设计。国内外大量有关分体空调室内机流场的研究主要集中在换热器布置方式［5～7］、贯流风机结构参数改变等对流场的影响方面［8～12］，专门针对出风导流板的研究比较少。出风导流板角度不同，将导致气流大小、方向发生改变，进而影响房间的流场分布，影响空气的掺混，对热舒适性有较大的影响。本文建立分体空调室内机全流场二维模型，利用计算流体力学（CFD）软件 FLUENT 15.0，采用大涡模拟（LES）方法，滑移网格（SM）技术，针对出风导流板处于3种不同位置，叶轮处于高、中，低三档不同转速工况下的流场进行数值模拟研究，分析不同工况下流场的变化，为实际应用提供参考。

2 分体空调室内机风道结构

本文模型中整个风道系统主要由换热器（普通三折式换热器）、贯流风机（叶轮、蜗舌、蜗壳）和出风导流板等组成。出风导流板选用普通两折圆弧形导流板，只考虑上下扫风。将导流板固定在三个位置，相对于闭合状态分别顺时针转动β=10°，30°，50°，导流板位置如图1所示。

图1 导流板位置

3 数学模型

将整个风道系统置于一个半圆形域中，半圆半径等于10倍叶轮外直径，整体计算域及导流板和叶轮网格划分如图2所示，计算域采用结构网格和非结构网格离散，旋转区域采用三角形非结构网格，其他静止区域采用四边形网格划分。采用FLUENT中默认的空气参数，设置压力进口，静压为零；设置压力出口，总压为零。将换热器处理为多孔介质模型，旋转域与静止域采用interface连接。为了缩短非稳态计算流场达到准稳态的时间，用稳态的结果作为非稳态初场。稳态计算采用RNG k－ε模型，速度－压力耦合采用SIMPLE算法，旋转坐标系（MRF）处理动静干涉；非稳态计算采用大涡模拟（LES），速度－压力耦合采用PISO算法，滑移网格（SM）处理动静干涉，设置时间步长Δt为2×10－4s。叶轮转速为高转速Ω=1205 r/min，中转速Ω=1060 r/min，低转速Ω=806 r/min。监测出口流量和蜗舌处压力波动，当监测参数出现周期性变化时，认为计算达到准稳态。一般叶轮转动10圈左右时，达到准稳态。本次计算在达到准稳态之后，统一取计算到1.2 s的流场作为比较。

图2 整体计算域及网格划分

4 结果分析

4.1 速度场分析

图3为各工况的速度分布云图，从图中可以看出，无论出风导流板角度多大，当叶轮转速增加时，出流速度增大，送风距离延长；β=30°时，相对于β=10°的工况，气流方向的改变不明显，而当β=50°时，相对于其它2种角度的导流板，出流空气方向明显向下偏移。当导流板方向与出流空气方向不一致时，如当β=10°，将严重阻碍气体的流动，从而影响出风均匀性，同时由于导流板对空气的阻碍作用，出口气流在经过导流板后扰动增加，气流不稳定性增强。

图3 各工况速度分布云图

4.2 压力场和流线分布分析

图4为各工况静压分布云图和流线图。沿着空气流动的方向，静压逐渐降低，偏心涡的涡心压力最低，流体在第二次流出叶轮后，静压开始回升。压力分布云图显示不同转速下，偏心涡的位置并没有发生明显变化；当转速增大时，偏心涡的涡心压力降低。流线遇到导流板后发生折转，进而气流的方向发生改变。

沿着蜗壳排出的流体属于低速自由射流，从各工况的速度云图和流线图可知，在远离射流速度轴心区，周围的空气由于引射作用，不断与出流空气掺混，进行动量和能量的交换。室内流场中的漩涡正是出流流体卷吸周围静止空气的反映。随着距离的延长，轴心速度逐渐衰减，掺混作用逐渐减弱。导流板基本上处于射流速度轴心区，不同角度的导流板会不同程度地将速度轴心区分散，从而可以在较短的距离内完成掺混，掺混速度加快，从而可以使温度均匀性得到提高。

4.3 涡量分布分析

图5为高转速（Ω=1205 r/min）下不同角度导流板涡量分布云图。从图中可知，流场中存在着各种尺度的涡结构，大量的涡分布于叶轮进口、蜗壳、蜗舌以及导流板端部，一些能量比较低的大尺度涡由于切向速度较大而沿着蜗壳排出。涡的产生、演化和耗散等变化是导致流场压力波动和产生气动噪声的原因之一。当出流空气流动方向与导流板方向基本一致时，端部涡脱落较少，而当气流方向与导流板方向不一致时，将在端部产生严重的涡脱落，且端部的涡脱落呈现出不同的形态。图5中的A点涡脱落出现在导流板的下方，而B点涡脱落不明显，C点涡脱落出现在导流板的上方，这可能与贯流风机出口气流速度本身不均匀以及来流与导流板攻角不同有关。涡脱落的产生将消耗一部分流体的动能，使出流空气流速降低，同时也会导致室内机噪声增大。

图4 各工况静压分布云图和流线图

图5 高转速下导流板不同角度涡量分布云图

5 结论

（1）利用二维非稳态大涡模拟方法，能够很好地模拟分体空调室内机风道的流场，流场中存在着各种尺度的涡结构，偏心涡位置基本上不随叶轮转速而发生变化；

（2）不同导风板角度影响出流流体速度的大小和方向，流线遇到导流板后发生折转，当气流方向与导流板方向不一致时，将阻碍流体的运动，在端部产生涡脱落，出流流体不稳定性增强，从而使出风不均匀性增加。合理设置导流板角度将减少导流板端部涡脱落，提高整机性能和效率；

（3）导流板的存在，增加了出流速度扰动，同时将射流速度轴心区分散，空气掺混速度加快，因而室内温度均匀性可以得到提高。

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