基于CFD技术的电饭煲噪声及散热优化应用研究

吴波

广东美的制冷有限公司 广东佛山 528311

0 引言

随着改革开放的不断深入和社会经济的快速发展，中国已经成为全球最大的小家电生产国，全球超过一半的小家电都来自中国[1]，其中IH电磁加热电饭煲作为厨房小家电中最为重要的产品之一，其能够实现大火力加热，大幅减少煮饭时间等优点深受普通消费者的青睐。但是IH电饭煲大功率加热使其电子元器件发热量上升，对电饭煲的冷却散热要求也越来越高。现有市面上IH电磁加热电饭煲的冷却散热模块主要是由小型轴流风扇及铝挤散热片组成，大功率加热会使电子元器件IGBT和桥堆温升恶化，所需要的冷却风量逐步提升，随之风扇的转速及噪声也越来越高，因此关注IH电饭煲噪声产生的机理，降低和控制气动噪声对提升电饭煲产品竞争力及降低产品噪声投诉率有重要意义。

IH电饭煲的噪声主要有三大来源：（1）气动噪声（包括旋转噪声、湍流噪声）；（2）电磁噪声（电磁加热噪声）；（3）米水气泡沸腾噪声（气泡破裂声）。其中在电饭煲内的水未沸腾前，其主要的噪声为气动噪声和电磁噪声，其中气动噪声为总噪声的主要贡献源。IH电饭煲的气动噪声主要是由旋转噪声及湍流噪声组成，旋转噪声主要是由风扇周期性拍打周围空气所产生的，湍流噪声主要是风叶旋转过程中产生的宽频噪声。

很多学者采用数值模拟和实验研究结合的方法来分析家电产品的噪声问题。游斌等通过对轴流风轮叶片尾缘进行凹陷设计，降低叶片旋转频率峰值噪声[2]；尹晓英等利用数值模拟获得原模型风机的流场特性和气动噪声特性，对原风机进行优化设计，提升风机的气动性能，降低其气动噪声[3]；钱红玉等研究了不同叶片形状和叶顶间隙对小型轴流风扇气动性能和内部流程的影响情况[4]。上述学者通过数值模拟结合实验验证对风叶降噪设计、风机优化设计及不同叶型等手段来改善产品的气动噪声，本文从IH电饭煲的冷却散热模块着手分析，以降噪为首要研究目标，对电饭煲进气格栅、轴流风机结构、进气面与风扇的距离等影响因素进行分析，在保证电饭煲关键电子元器件的散热性能不恶化的前提下，利用CFD流场及声场耦合仿真模拟并结合实验验证，来探索一套轴流风扇降噪设计的研究方法。

1 仿真模型及设置介绍

1.1 仿真模型介绍

本文所涉及的电饭煲冷却系统如图1所示，由于电饭煲工作过程中的主要噪声来源于冷却系统中轴流风机高速转动所带来的噪声，因此研究的主要对象为电饭煲的冷却系统结构部件，其主要包括轴流风机、电饭煲底座及风扇支架，其中冷却系统主要为电饭煲电路板上发热元器件进行散热。

图1 电饭煲冷却系统部件示意图

1.2 数学模型及算法

电饭煲内部流体流动受物理守恒定律支配，基础的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律[5]。通过求解电饭煲内部流体流动控制方程，可以获得电饭煲内部流场分布，对流道不合理设计处进行优化改进。

流体的质量控制方程：

流体的动量守恒方程：

流体的能量守恒方程：

Fluent软件是当今世界CFD仿真领域最为全面的软件包之一，具有广泛的物理模型，以及能够快速准确地得到CFD分析结果。采用Fluent对所研究的问题进行仿真计算，采用的是雷诺时均湍流数值模拟方法（Reynolds averaged navier-stokes, RANS），该方法对非稳态的质量、动量和能量输运方程进行时间平均，得到一组关于时均物理量的控制方程，对不可压缩流体的控制方程进行雷诺时均运算，可得：

Fluent计算软件是基于有限体积法进行数值离散求解，其中湍流模型采用的是RNG k-ε湍流模型，求解方法采用的是SIMPLEC算法，相比于SIMPLE算法加快了收敛速度，针对旋转机械流动问题，本文采用的是Fluent中提供的多重参考系（MRF）模型[6]，气动噪声计算采用的是宽频噪声模型（Broadband）[7]。

1.3 有限元模型建立

针对电饭煲冷却系统结构的几何处理及网格生产过程中进气格栅和轴流风扇的结构细节都保存完整，如图2所示，其对应的网格划分如图3所示。

图2 电饭煲原始进气格栅结构示意图

图3 电饭煲原始进气格栅网格示意图

1.4 数值计算模型验证

搭建的风量风压测试平台如图4所示，该平台用于小型轴流及离心风机风量风压测试，通过将实验测试结果与最终仿真计算结果进行比较，确保数值仿真计算得出的仿真值能够用于后期产品的开发及产品优化设计。实验测量与仿真计算结果对比如表1所示。

图4 风机风量风压测试平台

表1 实验测量与仿真计算结果对比分析

2 冷却系统噪声预测及优化

2.1 流体仿真计算与噪声预测分析

电饭煲噪声改善的关键部件是轴流风扇和进气格栅的匹配，对冷却模块的优化设计可以改善电饭煲整机温升，在保证整机温升性能不恶化的情况下，适当的降低轴流风扇的转速，可以获得较大的噪声改善。目前行业内冷却模块的设计主要是依靠结构工程师的经验设计，该类经验设计并未考虑到流体在电饭煲内部流动行为以及进气格栅结构进气效率等问题，当遇到温升超标问题只能通过提高风扇的转速来进行整机温升测试，而提高风扇转速会导致整机风噪大幅度提高，引起消费者投诉。通过CFD仿真技术对电饭煲冷却模块结构的优化设计，获取电饭煲冷却模块的流体流场分布，了解冷却模块的流动状况，并对现有流场下流动不合理的结构进行优化，提高电饭煲冷却模块的空气的进气效率，在相同转速下电饭煲整机温升获得较大的降低，从而实现在与原始产品相同的温升条件下，通过降低风扇转速来达到大幅度降噪的目的。

首先对电饭煲原始结构下的冷却模块进行流场分析，原始结构下的冷却模块在Z=0截面处的流场及速度矢量分布如图5所示，可以发现轴流风扇进气区域存在较大的涡流，大的漩涡直接影响冷却模块进气效率及流动稳定性，所带来的影响是造成叶轮旋转过程中风噪偏高，原始结构下的Z=0和X=0截面处的噪声分布如图6所示，从图中可以看出，冷却模块的噪声源主要来自旋转叶片的旋转噪声以及进气格栅处气流周期性涨缩作用下产生的噪声。

图5 Z=0截面处冷却模块的速度及速度矢量分布图（原始结构）

图6 Z=0和X=0截面处冷却模块的噪声分布图（原始结构）

针对原始冷却模块结构的有框风扇、方形进气格栅进行结构优化设计，提出了如图7所示的无框轴流风扇装配方式以及倾斜圆形进气格栅结构，优化结构下的冷却模块在Z=0截面处的流场及速度矢量分布如图8所示，相比于原始结构冷却模块，最大风速由原来的5.3 m/s提高至8.3 m/s，优化结构下的Z=0和X=0截面处的噪声分布如图9所示，冷却模块的噪声源最大值由原始结构下的50.7 dB(A)降低至优化结构下的49 dB(A)，在倾斜圆形进气格栅结构下，进气格栅处的冷却空气来流发展更为充分，冷却模块的进气效率得到较大的提升。

图7 电饭煲优化进气格栅及无框风扇冷却模块结构示意图

图8 Z=0截面处冷却模块的速度及速度矢量分布图（优化结构）

图9 Z=0和X=0截面处冷却模块的噪声分布图（优化结构）

2.2 冷却模块噪声验证与分析

依据上述流体仿真计算的流场分布及噪声分布云图，冷却模块的优化方案能够在相同转速下提高冷却空气的进气效率并且噪声能够获得一定的改善，通过在半消音噪声实验室中对原始结构和优化结构下的冷却模块噪声测试进行分析，研究优化结构下的冷却模块的轴流风扇高速旋转下频率分布情况。

图10为原始结构和优化结构的噪声频谱对比图，从图中可以看出：优化结构在叶频450 Hz及叶频的2倍频处的能量稍高于原始结构，在叶频3倍频处的能量远小于原始结构。图11为优化结构和原始结构冷却模块手板的噪声测试结果对比图，优化结构的冷却模块噪声相比于原始结构下降1.35 dB(A)，其中出风量（由风机风量风压测试平台测试所得）由原始结构13.18 m3/h增加至17.93 m3/h，使得电饭煲整机的温升获得较大的改善。在满足温升余量充足的情况下可以为进一步降低整机噪声而降低风扇转速，从而达到更为明显的降噪效果。本文将轴流风扇的转速由3000 r/min调整下降至2800 r/min，优化结构下的电饭煲关键元器件的温升保持与原始结构下温升一致，优化结构下的整机噪声下降2.62 dB(A)，说明本文所提出来的优化设计结构通过改善来流进气效率，在保证温升不恶化的情况下，降低轴流风扇转速可以实现大幅度的降噪。

图10 新方案对比基准频谱

图10 原始结构和优化结构的噪声频谱对比图

图11 原始结构和优化结构的噪声测试对比分析

3 结论

本文以计算流体力学（CFD）作为流体与噪声分析工具，对电饭煲的冷却模块的内部流场进行了仿真计算，针对底座进气格栅不合理的设计进行了优化，将方形进气格栅结构改为倾斜圆形进气格栅，有框风扇改为无框风扇，经过手板打样实验验证，可显著提升冷却模块的进气效率，提升进风量和出风速度。

本文所设计的冷却散热模块在轴流风扇相同转速下，优化结构下的噪声值改善1.35 dB(A)，此时的整机温升有较大的改善；使优化结构下的轴流风扇的转速适当的降低，在保证优化结构下整机温升与原始结构下的温升保持一致时，风扇的气动噪声有明显下降，通过保证整机温升不变的情况下降低风扇的转速达到降噪改善的目的，提升产品的竞争力。

本文通过对冷却散热模块的装配方式以及进气格栅的结构改进，证明了CFD流体仿真计算可以应用在小家电产品上进行噪声改善设计，值得在产品设计前端进行设计先行，后期作为设计指导，缩短小家电产品的性能改进周期，提升产品竞争力，加快产品上市时间。