风机盘管机组风道优化设计的数值研究

赖凤麟 梁 晖 张华强 彭惠生

（1.广东西屋康达空调有限公司，广东 佛山 528000；2.清华大学，北京 100084）

0 引言

随着环境问题的日益突出，保护环境、节约资源的呼声越来越高，中央空调就是日常生活中的耗电大户。由于中央空调的整体能耗较常用分体式空调低，越来越多的家庭住宅也开始安装中央空调。风机盘管作为中央空调系统在民用住宅中常用的末端设备[1-3]，在国内空调市场被广泛使用，但是长期以来却没有得到很大的改进[4]。风机盘管具有体型小、布置安装方便、控制灵活、噪声小等诸多优点[5]。但是国内的风机盘管机组的风场均匀性问题却一直未能很好地得到解决[6]。改善机组内部流场的均匀性，既能降低能耗，又能提高盘管的换热效率，从而提高风机盘管机组的整体性能。研究表明[7]，提高盘管迎面风速的均匀性能可以提高系统的效率。通过对单风机盘管结构的数值模拟[8]发现，渐扩风道结构、添加导流板均能在一定程度上提高来流场的均匀性，而对于使用较普遍的双风机盘管的风场研究几乎没有。本文将通过数值模拟的方法，对双风机盘管机组内部流场进行计算，并且观察盘管不同倾斜角度下的流场均匀性变化，从而指导结构设计，降低盘管机组能耗，提升盘管机组整体性能。

1 数值计算方法

1.1 模型构建

本文所选的研究对象是如图1所示的双风机离心式风机盘管机组。由于实际模型当中很多结构均是为了安装方便而设计，尤其是机组外部结构，对于内部流场是没有影响的，因此在构建计算域时，考虑把风机送风出口作为计算域的入口；机箱内部风场流道结构保留，与实际模型一致；实际盘管是由成百上千片的换热铝翅片组成的，这部分结构如果不做简化，计算成本会很高，综合考虑将盘管简化为细长条的狭缝，这样既能尽可能地保留实际盘管的结构特点，又能满足实际计算能力。最终简化得到的实际风机盘管机组的计算模型如图2所示。

图1 双风机离心式风机盘管机组实物图

图2 三维计算模型简图

此次研究选取的盘管倾斜角度有0°、30°、40°和45°四种工况，如图3所示。各个工况下的流场分布计算结果详见下文。

图3 模拟工况

1.2 求解方法

从风机进入的空气在机组内的流动属于三维湍流流动，在计算时需作如下假设：（1）空气特性参数均为常数；（2）空气流动为不可压低速稳态流；（3）整个风场无换热，为恒温场。风机入口设为质量流量入口，设定为0.244 kg/s；出口设置为自由流边界，其余均默认为绝热固体边界条件。根据计算模型和风场流动特点，在计算时采用了湍流计算中应用最广泛的K-epsilon两方程模型，该模型具有稳定性、经济性和相对较高的计算精度等特点。该模型的适用于本次计算的数学控制方程的张量式如下所示：

连续性方程：

2 结果与分析

为方便展示盘管机组内部流场分布，截取了z=0 mm（俯视图，中间截面）、y=200 mm（侧视图，右侧风机入口中间截面）、x=0 mm（主视图，中间截面）三个方向的截面，绘制了各个工况下的截面的速度云图和流线图。

图4所示为z=0 mm截面4个模拟工况下的速度云图和流线图。从图4（a）可以看出，由于双风机入口结构的特点，两个送风口之间是安装电机的位置，导致中间没有空气直接输入，需要两侧的空气扩散填充，从而形成了中间的低速回流区。入口两侧也有低速回流区，主要是送风入口属于突扩流道，气流从较小的流道进入时很容易在两侧形成回流。正是由于这种结构，导致盘管迎面风速均匀性较差，表现出两侧流速高，中间流速低的不均匀现象。但是随着盘管倾斜角度的不断增大，可以看到中间低速区的平均速度大小是不断增大的。从图4（b）也可以发现，入口位置无论是中间的回流还是两侧的回流，均会随着盘管倾斜角度的增大而减弱，但当倾斜角为45°时，出口位置中间和两侧出现了较明显的回流现象，这会影响机组出口流场的均匀性。再观察盘管位置的流场分布可以看到，正是由于送风口流场的不均匀性，导致在中间位置的翅片间空气流速较低，而两侧的翅片间风速较高，使得中间位置的翅片利用率较低，在实际使用时换热效果较差，而这种换热不均匀的现象也会影响换热翅片的使用寿命，降低盘管的整体性能。另外，随着盘管倾斜角度的增加，中间位置的翅片间流速是逐渐增大的，流场的均匀性是逐渐得到改善的。总体来看，随着盘管倾斜角度的增加，整个横向流场的高速区范围越来越大，低速区范围越来越小，但是角度太大时出风口会出现回流降低均匀度，角度太小时整体横向流场的不均匀性较大，平均速度也较低。

图4 z=0 mm截面速度云图和流线图

图5所示为y=200 mm截面的4种模拟工况下的速度云图和流线图。与入口横向结构不同，纵向结构上表面是一个突扩流道，而下表面是渐扩流道，这就导致了上下流场的不均匀性。从图中可以看到，当盘管倾斜角度为0°时，由于上下结构具有较好的对称性，从而流场也表现出较好的均匀性；随着盘管倾斜角度的不断增大，上下结构的不对称性增大，纵向流场无论是入口位置、盘管位置还是出口位置均表现出较大的不均匀性。特别是当盘管角度达到40°和45°时（图5（b）），由于下表面的凹腔结构，逐渐出现低速回流现象，严重影响了机组出口流场的均匀性；另外，上表面出口位置也会出现小范围的低速区。随着盘管倾斜角度的增大，机组内部流场纵向的不均匀性会逐渐增大。

图5 y=200 mm截面速度云图和流线图

图6 所示为x=0 mm截面的速度云图。该位置是盘管所在的截面，可以直观地观察到盘管位置的流场分布。从结果可以看到，当盘管倾斜角度为0°时，除了中间部分的流场，整个盘管迎面风场的均匀性较好；30°时整个流场也依然呈现出较高的均匀性，并且中间低速区范围减小；当角度达到40°和45°时，上下位置流场不均匀性较严重。与侧视（y=200 mm截面）结果类似，盘管倾斜角度的变化会严重影响机组内部纵向流场的均匀性，为保证纵向流场的均匀性，盘管倾斜角度不宜过大。

图6 x=0 mm截面速度云图

为进一步对比盘管不同倾斜角度下的流场的均匀性，对机组出口截面的横向速度和纵向速度的均值进行对比分析，结果如图7所示。从图7（a）很明显地可以看到，横向流场确实表现出中间流速低、两侧流速高的不均匀现象。这是由于双风机盘管机组送风入口结构导致的，在后续结构设计中需要重点考虑改善这部分缺陷，可以在风机送风口位置加导流板或者对送风口进行改造。当盘管倾斜角度为0°时，出口截面整体流速较低，并且中间低速区的范围也较大；随着盘管倾斜角度的增大，出口截面的整体流速在增大，中间低速区的范围则不断减小，但是从40°～45°的区域变化不是很明显，特别是45°时中间低速区的最小速度较其他3种工况更低，最大最小速度间相差甚大，流场均匀性较差。而盘管倾斜角度为30°和40°时，两者的最小速度相差不大，低速区的范围40°的相对较小，但是最大速度两者相差很明显，从均匀性角度来说，30°的流场均匀性较40°的好。另外对比出口截面纵向流场的分布图7（b），当盘管倾斜角度为0°时，纵向流场均匀性较高，但因为入口位置上下表面结构不对称，导致此时速度分布也并不完全对称；而随着角度的增加，在出口上半部分（0.04～0.08 m）开始出现不同程度的低速区；其中45°工况由于下表面也出现了回流，导致在-0.08～-0.055 m位置也出现了低速区，流场的纵向不均匀程度更高；30°较40°的低速区范围更小，整体的均匀性更高。

图7 出口截面平均速度横向（a）和纵向（b）分布对比

综上，在分析对比了4种不同盘管倾斜角度后发现，角度为30°时为较理想的结构。同时也发现了双风机盘管机组的结构缺陷，尤其是在两个风机送风口间安装电机存在的空白区，使得入口位置流场出现中间流速低、两侧流速高的不均匀现象，在后续结构设计中需要重点考虑改善这部分缺陷。另外，就是入口位置上下表面的不对称性，下表面为渐扩流道，没有回流现象，而上表面为突扩流道，有较强的回流，因此考虑将上表面设计成与下表面对称的渐扩流道，对流场重新计算，得到的出口截面横向和纵向平均速度与改造前的对比可见图8。从结果可以看到，将

图8 结构修改后出口截面平均速度横向（a）和纵向（b）分布对比备注：蓝线为改造前速度，红线为改造后速度。

3 结语

本文选取了广泛使用的双风机盘管机组作为研究对象，利用计算流体力学的数值计算方法，探究了盘管倾斜角度为0°、30°、40°和45°的风场均匀度。在对比完不同方向的流场分布结果后发现，当盘管倾斜角度为30°时，整个风场的均匀度较高，整体流速也不低，可在后续盘管结构设计中参考。另外也发现了双风机盘管机组的结构缺陷，尤其是风机两个送风口间安装电机的位置，导致风场入口中间流速较低、盘管中间位置的换热翅片利用效率很低，造成了资源的浪费，建议在后续结构设计当中考虑在入口位置添加导流板或是重新设计送风口。最后将入口位置上表面的突扩流道改造为与下表面对称的渐扩流道，结果表明能够改善流场的均匀性，尤其是纵向流场。

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