双贯流柜式空调风道开发分析

双贯流柜式空调风道开发分析

林健辉

广东美的制冷设备有限公司    广东省佛山市   528311

摘要：社会经济的发展使得人们对生活、工作环境舒适度的要求不断提高，空调作为室内环境温度调节设备，在运行声音方面也受到诸多要求。基于此，为降低空调运行期间的气流噪声，本文以双贯流柜式空调作为研究对象，通过风阻系数计算、CFD模拟等方法，探索风道开发优化路径，使此类空调运行静音、节能、舒适，满足人们高质量生活需求。

关键词：柜式空调；双贯流；风道开发

引言：离心风机和换热器分别以下置和上置的布局设计落实在柜式空调内部，在该风道结构下，气流需要在贯流叶轮的驱动下经过蒸发器，然后两次经过叶轮方可排出，换热效率较低，容易出现风速分布不均的现象。为改善空调气流不稳定、噪声等问题，需优化开发风道，提高其使用效果。

1.柜式空调风道常见问题

柜式空调内部结构的不合理对整体运作效率与质量造成影响，外加柜式空调的外观型式较为单一，所以对内部风道、换热器的布局设计、型式也造成了相应的影响[1]。在传统柜式空调运行过程中，贯流风机出口处于逐渐增大状态，扩张角范围大多在10°~25°之间。对于柜式空调内的贯流风机，若是采用相向的方法布置，同时将换热器布置在来流方向，经试运行发现，风道气流存在不稳定状态，具体体现为两侧出风口的风量不稳定，忽大忽小，同时伴随着气流噪声。调整空调运行状态，使其单侧叶轮独立运行，发现上述问题消失。由此可见，无论是气流噪声还是气流不稳定，根本原因在于双贯流风道之间存在相互影响作用[2]。

2.分析双贯流柜式空调风道开发优化路径

2.1风阻系数计算

在开发优化空调风道时，首要任务是明确风道的阻力特性，从而为后续的开发工作奠定良好基础。计算公式为：

                                                 （1）

公式（1）中，——空气密度，单位：kg/m3；

v——气体流量，单位：cfm；

S——横截面积，单位：m2；

Cd——风阻系数；

F——阻力，单位：N。

2.2 CFD数值模拟

以某台双贯流柜式空调为例，对其目前的风道性能进行测试，风量、噪声、功率指标数据如表1所示：

表1 测试结果

在现有数据下，借助CFD模拟风道，细化情况寻找优化开发方案。

2.2.1模拟分析

（1）数值方面的模拟分析

由于贯流风道轴向尺寸远大于径向尺寸，且各轴向截面位置呈现流通状态具有相似性，因此在模拟分析过程中，可简化未二维模拟法展开分析。为避免气流不稳因素影响数据模拟分析结果，在该次研究中进一步选择非稳态计算法展开模拟。结合实际情况来看，贯流风机内速度、压力变化较小，空气密度影响程度低，故在模拟分析时忽视空气密度这一因素，于数据模拟分析时设定“不可压缩”的空气流动条件。在此基础上，将空调换热因条件设定为“无热量交换”，在保障数据模拟分析可靠性的同时，降低模拟分析复杂程度，间接提高数据模拟精度。基于湍流运动“各向同性”假设，构建标准k-ε湍流模型，借助标准壁面函数模拟贯流风机风道壁面环境，进一步依靠分解隐式计算法完成动量方程、湍流耗散项、湍流动能的计算，并在SIMPLE算法帮助下实现速度与压力的耦合分析，以此则顺利完成数据方面的模拟分析，使数据模拟分析结果可指导风道开发方案，确保所确定的双贯流柜式空调风道可切实符合实际需求。

（2）基于复杂流道实施网格划分

由于双贯流柜式空调内部流道具有一定复杂性，在对叶轮区域进行模拟分析时，选用三角形网格处理，并配合使用四边形边界层，优化叶轮叶片周围模拟分析，适当延长空调风道进出口（四边形网格）。

（3）数值计算方法

对于此类空调柜，按照动静划分风道可分为两部分，一是旋转动域，包括叶轮，二是静止域，除了叶轮以外均为静止域。在本次模拟分析过程中，适当延长空调进风口和出风口，然后设计落实零静压边界条件。对于换热器方面的阻力模拟分析，在计算阻力系数的同时，通过多孔介质模拟分析。由此得到的边界条件设置方案为：空调进风口的压力数值为0；空调出风口的压力数值为0；叶轮叶片所在动域的转速为1100r/min；换热器的粘性阻力系数为1.5×107m-2，惯性阻力系数为314.7m-1。

（4）模拟分析结果

通过上述模拟分析发现，空调出风口气流分布在不同计算时间步下存在不一致的现象，且出风口质量、流量存在波动，具有周期性特点。经现场观察与模拟结果综合分析判断，影响原因可总结为：一是目前空调出风口扩张相对较大，在该情况下，叶轮静压不足；二是风道后面的蜗舌较短，进而为双贯流风道的相互影响提供条件。

2.2.2风道优化

经上述模拟分析与结果判断，在优化开发双贯流柜式空调风道时，可采取以下方案：

1）减小出风口、加长蜗舌。由于空调出风口扩张角度较大，进而导致空调风道气流不够稳定，因此对空调出风口加以调整，同时加长蜗舌，避免风道间相互影响现象的发生。在该方案下，风道气流稳定性、气流分布和出风口质量流量不会随着计算步的不同而变化。而且，通过试运行调整后的空调发现，噪声不再出现忽大忽小的情况，气流稳定性提高，但噪声仍然存在。运用CFD做进一步模拟分析发现，是因为空调风道出口和叶轮内部存在低速区域，这意味着，还需对空调出风口尺寸与风道曲线进行调整，消除低速区域。

2）优化出风口尺寸与风道曲线。在不影响空调风口气流稳定性的情况下，对出风口尺寸与风道曲线进行合理调整，调整方向为：减小出风口，加长左右进风侧左右两风道之间的隔板，加强干扰处理。经CFD模拟分析，优化后的空调风道气流稳定，不存在随计算时间变化而流场分布变化的现象，且低速区域得到有效处理。对优化后的风道性能进行检测，结果如表2所示：同等风量下，噪声整体降低约3~4dB（A）。

表2 检测结果（优化后）

结论：综上所述，经上述模拟分析，在开发优化双贯流空调风道时，针对噪声、气流不稳定等现象，可通过减小出风口、加长蜗舌以及优化出风口尺寸与风道曲线方法设计优化风道，在相同风量下，噪声整体大幅降低，有效提高运行声品质。

参考文献：

[1]王大健,王浩,张骞.风道风阻系数在空调箱开发阶段应用[J].汽车电器,2023(07):61-62+64.

[2]鲁秉仁,程二涛,倪一铭等.具有行李承载功能的客车空调风道的开发及仿真[J].客车技术与研究,2023,45(03):41-43+47.