基于FLUENT的变频中央空调室外机散热风道的优化设计

蔺勇智

摘 要：本文以计算流体力学（CFD）为理论依据，基于FLUENT环境，对侧出风系列产品变频中央空调室外机电控盒散热风道系统的出风口结构进行仿真对比分析，本文共设计3套不同形式的出口风结构方案，主要针对电控盒左侧出风口与电控盒散热器之间的流场进行分析。结合分析结果，验证了3套方案的电控盒内变频模块的温升趋势与散热风道流场的分布状态相拟合。试验结果表明，模型建立正确，计算机模拟分析数据可靠，达到了产品开发的预期状态，缩短了产品开发周期及测试成本，对于新产品开发有一定的参考意义。

关键词：流场；热电偶；散热风道系统

中图分类号：TM925 文献标识码：A

0.引言

空调散热风道的优化设计一直是空调技术领域研究的重点课题，随着温室效应的影响越来越严重，白天温度越来越高，使空调逐渐成为人类不可或缺的可以改善生活质量的家用电器之一，空调长时间运行时，特别是在夏天，如果空调电控盒的散热风道设计不佳，会导致电子元器件温升过高，致使电子元器件烧坏或失效，因此空调室外机散热风道的优化设计是至关重要的，通风良好的散热风道不但可以有效降低空调室外机电控盒内腔体温度，同时还可以有效抵御暴风雷雨天气时雨水进入电控盒内部。工程师们以往都是借助于经验，通过往复试验数据来优化空调室外机散热风道，不但优化设计周期长，而且精度差，从而导致开发新产的进度迟缓。

本文针对变频中央空调室外机的散热风道进行了设计及改进，通过UG对空调室外机整机进行三维建模，特别是对室外机电控盒及散热风道进行了详细的三维建模设计，并以FLUENT软件对电控盒内出风口及电控散热器各散热片之间的流场进行流体仿真分析，再根据仿真模型制作风道手板样件，对比仿真3套方案的手板电控盒内部元器件的发热数据，验证仿真模型的正确性。

1.空调室外机三维模型及数值模型

根据空调室外机三维模型建立数值模型，如图1所示，设立边界条件，采用FLUENT软件对数值模型进行风场分析。本文主要针对电控模块及风机风道模块共同组成的空调散热风道系统优化进行仿真及分析。

2.基于FLUENT的散热风道仿真分析

风道内空气湍流动采用不可压缩流体的k-ε湍流模型描述。

将完成的网络模型导入到FLUENT中，其中上风轮的中心定义为坐标原点，坐标系y轴方向为机器前后方向，向后方向为正；电控盒散热器共有21个流道，从机器后向机器前编号依次为1，2，3……21，电控盒散热器流道编号标示于每个流道速度矢量图的右下角位置。速度矢量图的左侧标示均为速度值的大小（单位：m/s）。由于篇幅有限，本文只针对3种典型散热风道方案进行了对比仿真分析，方案3为产品最终选定的方案，详细模拟结果如图2所示。

从图2中3种方案的出风口内流场分布图可以看出，方案二电控盒散热器的多个流道中存在较大的涡流，方案一与方案三电控盒散热的风道流道内流场相似，但方案三明显优于方案一。

为了更加详细了解到坐标原点前后方各截面流场的分布情况，文中分别针对y=200mm时的速度场（在进风口宽度范围，不在出风口宽度范围）、y=170mm时的速度场（在进风口宽度范围，在出风口宽度范围）、y=140mm时的速度场（在进风口宽度范围，在出风口宽度范围）、y=120mm时的速度场（在进风口宽度范围，在出风口宽度范围）、y=80mm时的速度场（在进风口宽度范围，在出风口宽度范围）、y=40mm时的速度场（不在进风口宽度范围，在出风口宽度范围）、y=-10mm时的速度场（不在进风口宽度范围，在出风口宽度范围）进行了进风口流场分布分析，由于篇幅有限，文中只列举了其坐标原点沿y轴方向向前120mm的截面进风口处流场分布状态，其仿真结果如图3所示。

本文也针对电控盒中散热器不同流道速度场（流道编号从后至前依次为1，2……21，即各散热片之间的流道间隙）进行了仿真分析，其出风口散热片编号为1、10、21位置流场分布图如图4所示。

从上面的流场分布仿真结果中可以看出：

（1）在室外机腔体中电控盒及系统侧，进风基本绕过罐体等障碍物向上，流向出风口处。但由于进风口位置与方向布置、出风口位置布置以及障碍物的遮挡，在室外机腔体内电控盒侧，其中部分区域有大小不等的漩涡形成，如室外机腔体内系统侧的左下侧、电控盒内的右侧以及电控盒的后侧等，在一定程度上造成了风量、能量的损失。（2）在无罐体遮挡、且进风口与出风口无错开的截面上，如y=80mm处，气流速度明显大于有罐头遮挡或进风口与出风口错开的截面速度。（3）方案二中，尽管出风口为前后敞开，但由于风轮的作用，从后侧换热器过来的气流与从电控盒侧过来的气流混合后一同向机器的前侧流入。（4）方案二中，电控盒散热器多个流道中存在较大的涡流，方案一与方案三电控盒散热器相同编号的流道内流场相似，但方案三相同编号流道中的速度值明显大于方案一。（5）经计算，方案一进风口的流量为13.82m3/h，方案二进风口的流量为13.75m3/h，两种方案进风流量可近似相等，方案三进风口的流量为16.18m3/h。

3.计算结果与数据分析

为检验仿真结果的可靠性与实用性，对样机电控盒的进风口与出风口附近的关键电子元器件运行时的发热温度进行监控。变频空调电控盒中的变频模块往往发热量最容易超标，因此在本文中将变频模块固定螺丝作为主要监测点，其次对于进风口、出风口的散热片编号为1、10、21位置也做了监测点，其中监测点通过热电偶及测试软件传输到计算机，采集并记录相关发热数据，实验设备及测试方法示意如图5所示。

試验工况：最大频率制冷，室内侧干球温度32.08℃，室内侧湿球温度22.98℃，室外侧干球温度47.00℃，频率65Hz，测试数据见表1。由于篇幅限制，其他测试工况数据省略，但发热数据的趋势与表1是基本保持一致的。测试数据显示结果与仿真结果基本一致，方案3测试数据比方案1、方案2降低2℃左右。因此从温度测试结果验证了基于FLUENT的变频中央空调室外机散热风道优化设计的仿真趋势是可行而且是准确的。

结论

通过对基于FLUENT的变频中央空调室外机散热风道优化设计的研究与验证，从软件仿真对比结果可以发现，通过此仿真优化的方法，可以有效地解决在产品开发阶段所面临的方案优化问题，可以节省手板制作的成本，而且节省了实验室的测试资源，有效缩短了项目的开发周期，为传统产品开发提供了更加便捷的设计技巧及方案。

参考文献

[1]张轶，沈辉，夏芸，等.基于CFD的矿车空调风道风速仿真分析与试验研究[J].内燃机与动力装置，2012（2）：25-27，33.