空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)對其性能的影響分析

摘要：本文采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法建立空調(diào)室內(nèi)機(jī)流道的數(shù)值計(jì)算模型，定義了用于描述室內(nèi)機(jī)貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口氣流方向的參數(shù)偏心度Φ。分析了室內(nèi)機(jī)不同類型的前面板和換熱器對貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口流場狀態(tài)速度分布，偏心度分布的影響，以及其與室內(nèi)機(jī)性能的關(guān)系。為合理布置室內(nèi)機(jī)前面板、換熱器等結(jié)構(gòu)，優(yōu)化貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口氣流狀態(tài)，提高貫流風(fēng)機(jī)流量，降低貫流風(fēng)機(jī)噪聲提供參考。
關(guān)鍵詞：貫流風(fēng)機(jī)；流道優(yōu)化；CFD；偏心度
中圖分類號：TB657.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
Analysis of the Influence of Inlet Flow State of Cross-flow Fan for Air-conditioners or Its Performance
Abstract: Numerical model of the flow channel in indoor unit of an air-conditioner is set up by the method of CFD, and a parameter of eccentricity Φ,which is used to describe the inlet flow direction, is defined in this paper. In order to optimize the inlet flow state, improve the flow and reduce the noise of the cross-flow fan through rationally arranging front plate and heat exchanger of the air-conditioner, the impact on velocity distribution of inlet and eccentricity flow state of the cross-flow fan which is caused by different kinds of front plate and heat exchanger is analyzed, and the relationship between inlet flow state of the cross-flow fan and the performance of the air-conditioner is discussed.
Key words: cross-flow fan, flow channel optimization, CFD, eccentricity
0 引言
　　隨著人們生活水平的提高和國家節(jié)能減排的要求，人們對空調(diào)器性能的要求越來越高，對于空調(diào)器室內(nèi)端室內(nèi)機(jī)的性能則是要求其具有更大的流量和更小的噪聲。針對這些要求，室內(nèi)機(jī)流道的氣動和聲學(xué)特性值得深入研究，不少相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)很重視流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。
　　圖1簡要示出了一壁掛式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的流道結(jié)構(gòu)，主要由進(jìn)風(fēng)格柵（1）、前面板（2）、換熱器（3）以及貫流風(fēng)機(jī)（4）等部件構(gòu)成。其中最重要的部件是貫流風(fēng)機(jī)，圖2為其內(nèi)部流動的示意圖，其內(nèi)流動特征比較復(fù)雜。但是因?yàn)槠渥陨硐鄬τ陔x心式和軸流式風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，貫流風(fēng)機(jī)被廣泛運(yùn)用于家用電器中，如風(fēng)幕機(jī)、空調(diào)室內(nèi)機(jī)等，因此國內(nèi)外很多專家和學(xué)者已針對貫流風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、能量損失機(jī)理以及降低風(fēng)機(jī)噪聲等問題開展了許多相關(guān)研究。Toffolo等人通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法探討了滿足貫流風(fēng)機(jī)各種目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法^[1] ，貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)能量的損失機(jī)理^[2] ，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)與其性能的相互關(guān)系^[3] ；游斌^[4-5] 、張師帥^[6-7]等人也對貫流風(fēng)機(jī)流動特征，結(jié)構(gòu)參數(shù)與其性能的影響關(guān)系做了大量的研究。前人的這些研究對貫流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了指導(dǎo)，但是這些結(jié)論主要是針對貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)良好的條件下所提出來，而在貫流風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)用中，譬如在空調(diào)室內(nèi)機(jī)流道內(nèi)，在貫流風(fēng)機(jī)的前面設(shè)有前面板、換熱器等結(jié)構(gòu)，此時(shí)選擇好的貫流風(fēng)機(jī)并不一定能使室內(nèi)機(jī)的性能也隨之改善，因?yàn)樨灹黠L(fēng)機(jī)上游的結(jié)構(gòu)會使貫流風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣狀態(tài)發(fā)生變化，從而對其性能產(chǎn)生影響。如鄧明義等人^[8]通過實(shí)驗(yàn)的方法，在一臺空調(diào)室內(nèi)機(jī)內(nèi)通過改變換熱器的折數(shù)和翅片倒片（即改變了貫流風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣狀態(tài)）使得室內(nèi)機(jī)的性能在原有基礎(chǔ)上流量增大而噪聲減小；郝輝等人也通過CFD方法初步探討了熱交換器不同的布置方式對貫流風(fēng)機(jī)噪聲的影響^[9] 。這些研究結(jié)果表明貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)對其性能的影響值得我們?nèi)ド钊胙芯俊１疚臄M在前人的研究基礎(chǔ)上采用CFD的方法，引進(jìn)一個(gè)表征貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣氣流方向的參數(shù)偏心度Φ來描述室內(nèi)機(jī)流道中貫流風(fēng)機(jī)前各個(gè)結(jié)構(gòu)對貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)的影響，分析換熱器、前面板與貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣流場的關(guān)系，以及其對室內(nèi)機(jī)性能的影響，為室內(nèi)機(jī)流道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

　　室內(nèi)機(jī)流場內(nèi)存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的貫流風(fēng)機(jī)葉輪，本文采用滑移網(wǎng)格技術(shù)來解決這個(gè)問題。該方法把葉輪所在的區(qū)域設(shè)為運(yùn)動區(qū)域，在運(yùn)動區(qū)域與外界網(wǎng)格之間則通過滑移網(wǎng)格連接，從而在計(jì)算中實(shí)現(xiàn)葉輪的旋轉(zhuǎn)，換熱器區(qū)域結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本文將其簡化為由多孔介質(zhì)和管束組成的區(qū)域來模擬其對流動的影響。
2 偏心度的定義
　　圖2為貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動的流線示意圖，可分為兩個(gè)區(qū)域：一是靠近蝸殼附近，兩次跨過葉輪葉片的貫流區(qū)域，二是靠近蝸舌附近偏心渦所在的回流。貫流風(fēng)機(jī)的有效流動是跨過葉片的貫流，圖3為貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口的貫流流線示意圖。文獻(xiàn)[8-9]的實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算結(jié)果表明，貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口的氣流流動方向影響貫流風(fēng)機(jī)的性能，比較理想的狀態(tài)是指向軸心區(qū)域，流動損失最小，貫流風(fēng)機(jī)的性能最優(yōu)，又貫流風(fēng)機(jī)的葉輪為圓筒形結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣口為圓弧形。所以為方便描述進(jìn)氣口氣流的分布，本文引進(jìn)偏心度Φ來描述進(jìn)氣口各點(diǎn)氣流速度方向偏離進(jìn)氣口各點(diǎn)指向葉輪軸心方向的程度。在圖3中，v為進(jìn)氣口氣流速度，v_x、v_y為其x、y方向速度分量，α_v為速度相對于x軸正方向的角度，α_o為進(jìn)氣口該點(diǎn)指向軸心方向相對于x軸正方向的角度，兩者夾角即為偏心度Φ=α_v-α_o。進(jìn)氣口處各點(diǎn)氣流方向存在A、B這兩種情況：A表示氣流方向偏向于該點(diǎn)指向軸心方向右邊，在偏心度數(shù)值上體現(xiàn)為Φ小于0，而B表示氣流方向偏向于該點(diǎn)指向軸心方向左邊，在偏心度數(shù)值上體現(xiàn)為Φ大于0。

4　 結(jié)論
　　采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法建立了空調(diào)室內(nèi)機(jī)流道的數(shù)值計(jì)算模型，定義了一個(gè)描述貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口氣流方向的參數(shù)偏心度Φ，分析了室內(nèi)機(jī)流道結(jié)構(gòu)前面板和換熱器對貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口前面設(shè)置了前面板和換熱器后，貫流風(fēng)機(jī)及進(jìn)氣口的速度分布會發(fā)生很大變化，主流區(qū)域從靠近蝸舌的區(qū)域移動到靠近蝸殼的區(qū)域，偏心度也更加劇烈變化，表明這些結(jié)構(gòu)導(dǎo)致貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口的氣流狀態(tài)惡化，貫流風(fēng)機(jī)的性能降低。同時(shí)，還比較了不同前面板和不同形狀換熱器對室內(nèi)機(jī)貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)的影響情況，百葉窗式前面板相對于平面板前面板具有更加好的氣動性能，圓弧形換熱器則優(yōu)于三折換熱器。計(jì)算與分析結(jié)果有助于合理布置貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)，優(yōu)化進(jìn)氣口氣流狀態(tài)，提高貫流風(fēng)機(jī)流量，降低貫流風(fēng)機(jī)噪聲，從而最終優(yōu)化空調(diào)室內(nèi)機(jī)流道。

　　　　　　　　　　　　　　　　　參 考 文 獻(xiàn)

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