空调室内机风道结构影响风量噪声仿真及实验研究

2022-06-25马世超樊明敬郝本华陈新航

家电科技 2022年3期

马世超樊明敬郝本华陈新航

1.武汉海尔电器股份有限公司湖北武汉 430000；2.青岛海尔空调器有限总公司山东青岛 266103；3.合肥海尔空调器有限公司安徽合肥 230601

0 引言

分体式空调是日常生活中常见的一种电器，由室外机与室内机两部分组成，风量是影响分体式空调噪声的重要参数。室外机降噪技术已被广泛研究，J. Hu和G. Ding[1]研究了出风口格栅形状对分体式室外机机组噪声的影响，指出圆形出风口格栅具有良好的降噪效果，不同直径的格栅对改善空气动力学性能有重要影响。龙斌华[2]研究了新型室外风道系统对风量与换热影响，指出离心风道系统优于轴流风道系统。但是对于室内机噪声与风量的研究却很少，事实上研究室内机的噪声与风量的关系十分必要，噪声与风量的大小可以直接影响用户的舒适性体验。空调室内机的噪声主要由三部分组成：（1）结构件热胀冷缩音；（2）贯流风扇转动引起的噪声；（3）制冷剂流动引起的噪声。研究表明，噪声与风量成正比，贯流风扇转动在风道中引起的噪声是室内机的主要噪声源。

为了降低贯流风扇在风道中产生的噪声，国内外的学者对其做了诸多研究。H.M.Koo[3]研究了分体式空调贯流风扇产生的噪声并改进其结构，以降低空调器的噪声。叶剑[4]等研究了涡舌间隙与后涡舌间隙对整机风量的影响，优化了风道的结构并降低整机噪声。现有研究主要是关于控制贯流风扇与涡舌距离对室内机噪声与风量的影响。

上述研究多数是针对相对独立的贯流风扇进行的，然而空调室内机的结构比贯流风扇的结构要复杂得多。因为除了贯流风扇之外，空调室内机还有蒸发器、进风栅、电加热、风道等附属结构。这些结构会影响室内机的内部与外部流场，从而影响室内机的噪声与风量。

本文为了研究蒸发器尺寸、电加热位置与前涡舌宽度对风量与噪声的影响，首先使用数值模拟的方法分析附属结构对室内机内流场产生的影响，从中找出影响室内机噪声与风量的机理；然后对室内机进行风量与噪声测试，对数值分析结果进行验证；最终，为后期室内机风道系统结构的开发与设计提供依据。

1 空调室内机结构特点

空调室内机风道系统主要由贯流风扇、前涡舌、后涡舌、电加热、蒸发器等结构组成。本文模拟的室内机为分体式落地空调器室内机，其结构如图1所示。

图1 风道系统结构示意图

2 数值研究

空调器室内机风道系统结构比较复杂，导致风道内流场相对复杂，因此使用实验的方法测试室内机风道系统的流场比较困难。为了能详细地捕捉室内机风道系统内部复杂的流动状态，使用数值模拟软件star-ccm+是一种很好的分析计算方法[5]。star-ccm+是CDadapco集团研发推广的新一代CFD软件，采用连续介质力学数值技术（computational continuum mechanics algorithms），结合了现代软件工程，拥有极高的性能和高可靠性，被当作流体分析工程师有效分析的工具。

2.1 网格划分和边界界定

使用star-ccm+对某款空调器室内机风道系统进行仿真模拟，建立了风道系统的模型。其几何模型的建立与网格的划分使用Hypermesh进行，由于其几何形状比较复杂，因此在保证准确性的基础上和提升计算速度的考虑下，采用非结构化三角形和四边形网格相结合的方式完成网格的划分。建立仿真模型时，网格尺寸越小，仿真结果则越精确，但是由于实际计算能力的限制，需要将其控制在一个合理的范围，因此采用逐步加密的方法进行确定。当网格数量大于21万时，流场状态基本不随网格数量增加而变化，于是将风道系统网格数量确定为255954个，如图2所示。

图2 风道系统网格图

由于贯流风机的转速较低且叶轮直径比较小，因此将空气设为不可压缩的流体，即在仿真中设置密度为固定值。因为蒸发器与电加热结构复杂，特征尺寸小，不能按照实际实体来建模计算，所以使用多孔介质的模型。将进出口设置为压力进出口边界条件，边界为壁面边界，设定转速为1000 r/min和560 r/min两种条件，仿真计算采用K-Epsilon湍流模型进行。

2.2 仿真结果分析

2.2.1 蒸发器尺寸对风量的影响

空调室内机蒸发器采用的是管翅式，翅片材料为经过特殊处理的铝片，且翅片上有增加换热的结构。蒸发器的尺寸与结构能够改变进气口的气流状态，同时也会影响室内机的性能。依据贯流风扇流场的特性，本室内机风道系统的高风区域在最左侧，低风区域在最右侧。在尽可能不降低空调器性能的前提下，通过改变单排蒸发器的尺寸，分析蒸发器的尺寸对空调器的风量产生的影响。本文所模拟的尺寸为蒸发器单排减短0 mm、30 mm、40 mm、50 mm和60 mm，仿真结果如图3所示。从图3中可以得知，随着减短尺寸的增大，风量为先增大后减小的趋势。在40 mm处时，风量处于最大值，在50 mm与60 mm处时，蒸发器在其折角处出现局部低速区，使其风量相较40 mm时低。

图3 蒸发器尺寸对风量的影响

2.2.2 电加热位置对风量的影响

电加热位于贯流风扇与蒸发器中间区域内，有辅助空调进行制热的作用。本文改变电加热与贯流风扇的距离，通过移动0 mm、10 mm和20 mm改变两者的距离来分析电加热位置对风量的影响，仿真结果如图4与表1所示。从图4中可以得出，随着电加热靠近贯流风扇，空调器风量损耗增大但电加热通风量基本不变。

图4 电加热位置对风量的影响

表1 电加热位置影响风量模拟结果对比

2.2.3 前涡舌宽度对风量的影响

对于空调器室内机中各结构对其性能的影响程度而言，涡舌是对风道性能影响最大的结构件。有学者研究表明，室内机风量随涡舌间隙的减小而增大，噪声则随着间隙减小而增强。本文将涡舌的另一个尺寸作为研究对象，改变前涡舌的宽度分析其对风道系统风量的影响，将涡舌宽度改变0 mm、10 mm、15 mm和20 mm进行仿真分析，结果如图5所示。结果表明，在高风速（1000 r/min）时，随着涡舌宽度的不断减小，其风量不断增大，但风量变化较小；在低风速（560 r/min）时，随着涡舌宽度的不断减小，其风量先增大后减小，减小量15 mm为其转折点。

图5 风道系统结构示意图

3 实验分析

3.1 实验装置

噪声实验室为精密级半消音室采用AC声学联合分析，其能够对空调产品进行声压级、声功率、异音的评价和产品结构的模态分析以及对振动源进行探查。噪声测试精度可达CLASS1（精密级），实验室本底噪声为13 dB(A)，测试装置可满足ISO 3745、BSEN 12102:2008、GB/T 7725-2004、GB/T 4214.1-2000等10余项标准要求，实验室结构布局如图6所示。

图6 实验布局示意图

风量测试使用空气焓差实验室，其原理是使用空气焓差法进行测量房间空调的循环风量。该系统及实验方法依据GB/T 7725-96《房间空气调节器》进行。

测试方法为，通过改变蒸发器尺寸、电加热位置和前涡舌宽度为单一因素的变化，改变室内机贯流风机转速，测试空调室内机风道系统风量与噪声的变化。

3.2 实验结果分析

图7与图8为蒸发器尺寸变化对风量与噪声的影响，如图所示的曲线变化与仿真结果的变化趋势是一致的，随蒸发器尺寸变化，风量与噪声均呈现先增大后减小的趋势，在蒸发器尺寸减40 mm处为最大值。蒸发器尺寸的减短相当于气流穿过蒸发器的阻力变小，减短区域又在高风区域，从而使风量与噪声增加。但是，蒸发器减短尺寸过大时，斜向进入的气流会在减短处转换方向并重新进入风道内部，此现象会使其出现局部低速区从而导致风量与噪声的衰减。

图7 蒸发器尺寸对风量的影响

图8 蒸发器尺寸对噪声的影响

图9和图10为电加热位置的变化对风量与噪声的影响，如图所示的曲线变化与仿真趋势是一致的，其风量随着移动距离的增大而减小，在移动20 mm时风量最小，其噪声随着移动距离的增大而增大。电加热位置不断靠近贯流风扇，虽然电加热的通风量未受到影响，但是缩减了贯流风扇从中低部风区进入的气流，从而使风量不断下降。电加热尾部的脱落涡由于来不及得到充分的发展便被贯流风扇直接吸入了内部，导致噪声增强。

图9 电加热位置对风量的影响

图10 电加热位置对噪声的影响

图11和图12为前涡舌宽度的改变对风量与噪声的影响，如图所示的曲线变化与仿真的变化趋势一致，在宽度减15 mm时为转折点。随着前涡舌宽度的减小，气流自换热器进入叶轮的通道宽度增加，高速进入的气流增加，因此风量增加。但当宽度减小到一定值时，由于高速气流的冲击，增加的流量使偏心涡的位置与大小都发生了改变，从而使风量衰减。