家用空调的噪声控制数值分析与结构改进设

2019-07-25罗文君

商品与质量 2019年6期

罗文君

珠海格力电器股份有限公司广东珠海 519000

1 家用空调噪声源分析

家庭空调配置通常是一个室外单元和多个室内单元。室外机组的主要工作部件有风机、压缩机、板材壳体、油分离器、气液分离器等制冷剂系统部件。室内机组的主要工作部件为节流阀和电子膨胀阀。这些部件可能会产生不同类型的噪声，家庭空调噪声的来源如图1所示。

图1 家用空调噪声源

室内外噪声源的噪声和板料壳体的振动噪声主要是低频噪声。电机电磁噪声、压缩机和制冷剂系统部件产生的噪声通常以中频噪声和高频噪声为主。由于声波的波长长，衍射能力强，低频噪声很难被完全阻挡，容易被用户感知。此外，由于用户对室内单元噪声的体验时间较长，因此对室内单元的噪声控制尤为重要。其中最常见的噪声问题是电机电磁噪声和液体流动声，需要重点研究。

2 家用空调的噪声控制及结构改进设计措施

2.1 空调器配管系统振动嗓声分析

作为连接压缩机的流动管道，压缩机运行时，管道内制冷剂的温度和压力不断变化。空调管路通过固定点与压缩机连接，可将振动直接传递到机匣，引起整机振动。因此，有必要对管道进行优化设计，达到减振降噪的目的。管道振动的原因有：(1)机械振动。空调管路通过固定点与压缩机连接，压缩机产生的振动可直接传递到管路中，引起管路振动。(2)气流脉动。在管道内的制冷剂的流动，当流经一个变量截面弯管、控制阀、瞬时变化的温度，速度，和压力造成，并生成一个激动人心的力量，改变随着时间的推移，造成管道系统的振动。(3)共振。当激励频率接近或乘以管道结构固有频率时，引起管道振动；当管道内制冷剂气柱的固有频率接近或激励力的频率加倍时，就会引起气柱。振动作用于管道上，表现为管道的强烈振动。管道损伤的常见形式是裂缝或裂缝的发生。造成这种现象的原因是管路的振动、压缩机振动的传递以及管路中制冷剂的激励。当管路结构设计不合理时，压缩机激振力的基频值或倍增值接近整个管路系统的固有频率值，落入谐振区域，引起管路系统谐振。

室外机组制冷压缩机是系统噪声的主要来源，因此在制冷压缩机的排气管内增设阻力消声器是降低噪声的重要手段。膨胀消声器由膨胀室和管接头组成，通过截面的收缩和膨胀引起声波反射或干涉的原理来实现声波反射的原理。不同的消声器结构参数具有不同的消声频率。因此，为了获得更好的消声效果，可以根据滚动转子压缩机的噪声频率选择不同的结构参数。

2.2 空调器室内机气动嗓声分析

湍流是在自然界和工程实践中普遍存在的，流体流动的一种普遍状态。当流量非常大时，层被破坏，流线变得不顺，形成更小的漩涡流，与相邻的流层滑动相混合，并且流体不规则地移动并且与流管轴线垂直移动。在方向上的亚速，此时流体的阻力增大，能量减小，并且流体的能量损耗增大。随着计算机技术的不断进步，流体力学被广泛应用。数值模拟方法已经成为解决流体和声学问题的主要研究方法，并为燃气噪声预测和结构优化提供了重要的理论依据。

在传统的计算流体力学中，湍流是基于NS方程来描述的。根据NS方程，湍流处理尺度不同。湍流的数值模拟方法可分为雷诺时间平均法、大规模模拟、直接数值模拟三大类。

（1）雷诺时均方法。雷诺时间-平均方程的模拟理论作为流场平均变控制方程，称为湍流模式理论。钴模型、k-ω模型SpaIart-AHmaras模型和RSM模型在软件PLUENT属于湍流模型理论。对于NS方程，假设脉动量和时均量共同构成湍流流场变量，得到雷诺时均NS方程；如果湍流雷诺应力与湍流粘性系数成正比(雷诺应力与应变之间的比例系数的计算)。由于控制方程是统计平均的，该方法在计算过程中不需要计算每个尺度的湍流脉动，只需要计算平均脉动。因此，雷诺时间平均法有效地降低了空间和时间的分辨率，减少了计算量，提高了计算效率。然而，雷诺方程只能计算湍流的平均信息，与实际需要相差甚远，缺乏通用性。

（2）大涡模拟。大涡模拟是湍流涡流的空间平均。将大涡与小涡按一定的滤波函数分离，计算小涡的大涡并闭合。大涡模拟通过准确求解一定尺度以上所有湍流尺度的运动，可以计算出许多RANS方法无法计算的非定常和非平衡过程中出现的准有序结构和大尺度效应，解决了直接的数值模拟计算问题。大涡模拟因其复杂的开销问题而得到了广泛的应用。在进行大涡模拟时，对网格要求较高。

（3）直接数值模拟。直接数值模拟是求解湍流尺度网格中三维瞬态控制方程最基本的模拟方法。从理论上讲，直接数值模拟可以获得湍流流场的准确、全面的信息，但在现实中，由于直接仿真需要解决的结构和变异漩涡在所有空间尺度和时间尺度漩涡，网格的数量(约为9/4的雷诺数)和时间步长(超过105集成步骤)要求，这个小空间的计算机很难计算和大时间步长。由于计算机计算能力的局限性，直接数值模拟方法只能用于研究低雷诺数流体机理，难以应用于实际工程研究。