风管机风口部件导风板优化设计研究

焦华超

（珠海格力电器有限公司 珠海 519070）

引言

随着社会经济发展和人们生活水平的提高，对家用空调的舒适性及美观性的要求越来越高，尤其是近些年全国各地房地产价格持续攀升走高，在房市中“寸土寸金”的现象愈发凸显，因此，暗藏式的家庭中央空调迎来了黄金的快速发展期，正在逐步吞噬着传统挂机、柜机的市场份额，并成为空调市场的消费热点。风管机是家庭中央空调中最受欢迎的产品形式之一，广泛应用于住宅、酒店、公寓等多种场所。由于风管机对工程现场安装要求以及装修设计匹配度有一定要求，存在一些安装不规范的情况，会明显导致制热舒适性不佳的问题。为解决风管机制热舒适性的问题，针对性开发专用型的风口部件，对风口部件导风板各项参数进行优化设计和研究。

1 热舒适性问题分析

某地区售后反馈中央空调不制热，经调查分析，空调制热运行时出风口温度已经达到50 ℃，天花板处温度达到30 ℃以上，但人所在的地面1.8 m处温度只有15 ℃，热风没有吹下来。部分用户还装有灯槽，严重阻挡热风吹下来。传统工程风口空调制热时容易在吊顶面产生热聚集效应，据统计，制热温度设定（28～30）℃的用户为60 %，但56 %的室内实际温度低于20 ℃，冬季制热舒适性温度1.8 m处为（18～20）℃，如图1所示。

图1 制热舒适性数据调查

2 气流组织理论分析

在房间中，对人体热舒适性影响的室内机环境指标非常多，其中，影响较为突出的并且与气流组织密切相关的指标有两个：活动区的平均温度和风速。而空调器运行时影响上述两个指标的因素主要是送风温度、送风速度和送风角度。射流中心轨迹能很好的作为研究舒适性的工具[2]。以3.5 kW 冷量的风管内机为例，对以上几个影响因素进行研究。

平面射流段的轴心速度：

圆射流段的轴心速度：

式中：

B—矩形孔口的半高度，平行于Z轴m；

A—矩形孔口的宽度，平行于Y轴m；

α—送风角度，即射流中心线与竖直面之间的夹角；

c—经验系数，通常取0.082；

m—各种系数综合值；

Vm—射流轴线上的速度m/s；

β—空气速度在送风口面积中的不均匀系数，绝对均匀时取1；

θ—射流温差的修正系数。

3 导风板参数优化设计

3.1 导风板叶宽设计

空调器在送风过程中导风板叶片宽度由于附壁效应，对风向的控制起着关键作用。

附壁效应，是指射流贴附在固体的壁面上流动的现象。如图2所示，当射流从喷射口E-E流出并进入腔室之后，如果腔室的壁面AB和CD距离喷射口很近，并且端部距离喷射口的距离s1和s2不相等，假设s1＜s2，那么射流的两侧在相同时间内收到卷吸作用影响的介质质量不相同，右侧的质量会大于左侧。另外，因为射流通过边界上的湍流掺混的作用导致传递到两侧的能量基本上是相同的，因此，喷射口右侧的卷吸速度小，左侧的卷吸速度大，从而导致左侧压力低，射流会向左侧偏移。之后，左侧的卷吸速度更大，压力更低，那么，射流就继续向左侧偏移，最终完全贴附在避免上形成稳定的流动为止。只有当射流两侧存在的压力差满足Δp＝p1-p2时，射流才会出现附壁现象。如果改变Δp，就可以改变附壁的方向，称之为射流的切换。如果在腔室进口的两个变比上分别开孔，持续向低压侧补充流体，那么当控制压力pc增加时，就会产生切换射流。

图2 附壁效应

从以上理论分析中可以看出，导风板的叶宽对送风角度有着关键性的影响。

3.2 导风板叶形设计

射流轴心轨迹：

式中：

ym—射流的轴心偏离水平线的距离；

α—射流出口轴线和水平线之间的夹角；

d0—送风口的当量直径m。

因此，设计导风板考虑减少风阻，提高出风速度，来提高送风距离，使热风快速充斥整个房间。

3.3 导风板导风角度设计

根据射流轴心轨迹公式可知，不同的导风角度影响送风距离，适宜的导风角度可以减少风阻的同时使送风距离更远[3]。

4 导风板参数仿真与实验

风管机风口部件对于房间内气流组织起到重要作用，直接影响到用户舒适性体验，而导风板作为出风气流方向和角度的决定因素之一，其结构特征设计是需要同时考虑多个因素的复杂过程，各项参数对舒适性效果起关键作用。通常情况下，导风板的设计主要由下列因素决定，包括风口大小、叶型、叶片数量、导风角度、叶宽，以及凝露测试情况等等，如图3所示。

图3 导风板设计影响因素

4.1 导风板叶宽仿真与实验

导风板的叶宽会影响到不同角度的送风距离和最终的温度场分布，针对导风板不同叶宽进行仿真计算，在相同工况条件下，取相同位置（距离地面竖直方向2.5 m，距离风口水平方向0.5 m）的温度进行对比，其结果见图4所示。

图4 不同导风板叶宽导风效果图

同时，根据仿真叶片宽度做不同宽度的手板件进行对应工况下的实验验证，其结果如图5所示。

图5 不同导风板叶宽导风实验效果图

通过计算与实验结果对比，可以得知，射流附壁效应影响，导风板随宽度增加，导热效果越好，其中宽度27 mm为临界值。

4.2 导风板叶形仿真与实验

导风板的叶形会影响到气流方向和最终距离，对相同导风板调节出风速度，研究出风速度对送风距离的影响，其仿真结果如图6所示。

图6 不同出风速度的送风距离图

通过调节内机转速，达到仿真相同的工况下的实验结果如图7所示。

图7 不同出风速度的送风距离实验结果图

由仿真、实验可以看出：出风速度越大，可送达的距离越低，设计平直导风板减少风阻，提高出风速度。

4.3 导风板导风角度仿真与实验

不同的导风角度引导送风距离不同，送风距离的远近影响热风能否送到人体活动区域，对人体感应舒适性有着直观效果。

对相同工况下对不同导风角度进行仿真，其结果如图8所示。

图8 不同导风角度对送风距离影响图

根据仿真结果对同工况下不同导风角度进行实验验证，其结果如图9所示。

图9 不同导风角度对制热温度场分布的影响图

由仿真、实验可以看出：导风角度越小热风更易下降，但送风距离小，风口部件根据房间大小设置适宜的定格扫风相应推荐值角度来满足制热使用要求。

5 测试系统

实验工况如下：

室外-5 ℃，室内5 ℃，3.5 kw的机组在20.05 m2房间下测试，测试要求如图10。

图10 测试要求

6 结果分析

导风板的参数化设计是从对人体热舒适影响较为突出的室内环境指标中平均温度和风速着手。而影响以上两个指标的因素主要是送风速度、送风角度和送风温度。导风板设计出合适的导风角度和尺寸参数成为设计关键，通过理论计算、仿真和实验设计出了适合搭配机型的导风板。受射流附壁效应影响，导风板随宽度增加导热效果越好；出风速度越大，可送达的距离越低，通过减少风阻，提高出风速度；导风角度越小热风更易下降，但送风距离小，风口部件根据房间大小设置适宜的定格扫风相应推荐值角度来满足制热使用要求。从以上分析可以得出导风板设计参数参考值见图11。

图11 风管机出风口部件的导风板示意图

a可调范围40～90 °；

叶宽应满足40 mm≤b≤50 mm；

c=b±5 mm。

当а=45 °时：

d≥b/4；e≤3 mm；10 mm≤f≤20 mm；

g=室内机出风口的高度±10 %。

7 结论

风管机的出风口部件需要根据室内机的设计风量按照一定的比例进行设计，通常情况下要满足出风速度在4 m/s 以上。根据气流组织理论，出风口的导风叶片可以有效调节空调器的射流情况，从而调节室内的风场和温度场分布，使其达到均匀的状态。根据对出风口部件的导风叶片的叶宽、叶形和送风角度的研究，得出了平直式的宽导风叶片以及合适的送风角度，合理的设计方案可以有效的改善热风上浮、冷风下沉的问题，引导热空气沉降和冷空气上扬，提高室内的热舒适性。本文引用的气流组织理论分析的模型及计算仿真的方法，与实际的试验对比，一致性较高，可以很好的指导新产品的设计，提供良好的数据支撑，并且可以简化试验过程，提高效率。本文中的建模方法为风管机的舒适性方案研究以及风口部件的设计提供了一定的指导。