導流圈干涉處理對空調室外機流場的影響

郭寶坤，李躍飛，馬麗華，劉鑫，謝軍龍*

（1-華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430074；2-廣東美的暖通空調設備有限公司，廣東佛山 528311）

導流圈干涉處理對空調室外機流場的影響

郭寶坤1，李躍飛2，馬麗華2，劉鑫1，謝軍龍*1

（1-華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430074；2-廣東美的暖通空調設備有限公司，廣東佛山 528311）

處理室外機導流圈與其他部件的裝配干涉時，普遍采用切割導流圈的方法。本文對一款空調室外機導流圈的不同位置進行不同大小的切割，并利用CFD技術分析切割產生的缺口對室外機風量及流場帶來的影響。結果表明，室外機側進口附近的導流圈缺口對風量的影響最大，尤其缺口的邊界接近導流圈喉部時，會引起風量下降4%左右；對其流場分析后發現，切割后該位置對應的低壓區域的范圍減小，葉尖渦影響區域增大，同時壓力脈動幅值減小。

空調；導流圈；干涉處理；數值仿真

0 引言

空調室外機風機風道的主要部分是典型的半開式軸流風機系統。軸流風扇作為風道系統的重要做功部件，對冷凝器的換熱效果起著關鍵的作用[1]；而導流圈結構對風扇的流量特性和噪聲特性有重要影響，二者的合理匹配能起到改善流場、增大流量以及降低系統噪聲的效果[2]。

隨著CFD技術的不斷完善及其計算精度的進一步提高，數值仿真模擬在風機風道優化設計中發揮著重要作用。CFD軟件可以方便地對風機的雙工況甚至多工況特性進行分析，解決風機優化設計中的許多困難[5]。通過仿真模擬的可視化技術，針對性地提出優化方案，可以大大節約研發成本[6]。楊維平[7]等運用CFD技術研究確定了冷卻風扇與導風罩相關結構的最佳參數。文獻[8]通過數值模擬分析了空調室外機風扇與導風罩之間流場的壓力脈動特性。由于結構限制，空調室外機采用的導流圈基本為半開式。丁國良等[10]利用CFD仿真分析了半開式導流罩寬度、導弧對室外機噪聲的影響。王雙興[11]通過數值仿真模擬得出某空調導流罩的合適的寬度范圍。WU等[12]對室外機導流圈參數進行研究，并對其各項參數對流量的影響程度進行對比。趙亮等[13]也對室外機導風圈的參數進行了系統的研究。

此外，王巍雄等[14]采用實驗方法研究了導流圈在風扇前緣、尾緣和中間3種軸向位置下，散熱風扇的氣動性能。JANG等[15]使用LDV測量了空調軸流風扇葉頂間隙的流動情況，設計了一種能減小葉頂間隙處回流的導風圈。

可以看出，有關導流圈對室外機流場的影響的研究都集中于導流圈的結構形式、參數設置、導流圈與風輪相對位置等方面，但是鮮有文獻提及導流圈因裝配干涉被切割后對室外機風量及流場帶來的影響。為對這一課題進行研究，本文對一款室外機模型的導流圈進行切割，分析切割后，室外機風量及流場發生的變化。

1 室外機及其導流圈

本文所分析的模型是某款6匹雙風輪室外機如圖1所示，不考慮其壓縮機區域只考慮其風機風道系統，包括機殼、導流圈、軸流風葉、電機及電機支架。此模型中所采用的軸流風葉外徑為508 mm，輪轂比為0.3，葉片數為3片，分析主體對象是上下并聯的導流圈。由于導流圈與換熱器和中隔板等部件發生裝配干涉，導流圈的進口彎邊在相應地方被切去一部分，如圖2所示。

圖1 室外模型圖

圖2 原機導流圈

2 計算方法及試驗驗證

由于室外機內部結構比較復雜，因此對計算模型采用四面體非結構網格劃分，其中旋轉區域單獨進行網格劃分，并對葉片表面和葉頂間隙的網格進行局部加密，旋轉區域與內流場其他區域通過interface交換數據。考慮到電機及其支架對氣流具有阻塞作用，對電機及其支架附近的網格也進行適當加密。此外，在室外機的出口加上延伸段以保證室外機出口邊界的流動均勻性。整個模型的網格數為3,854,191，其中旋轉區域網格數為2,456,617。

該室外機內部流場的CFD仿真分為定常計算和非定常計算兩部分。定常計算部分采用Realizable k-ε湍流模型。Realizable k-ε模型是標準k-ε模型的改進型，增強了其在旋轉流動、二次流以及流動分離的預測能力[6]。壓力-速度耦合方式采用SIMPLE算法，近壁面函數采用scalable壁面函數，旋轉區域采用多重旋轉坐標系，非定常計算時旋轉區域采用滑移網格法以求解風葉與導流圈的相互作用。模型的進出口都采用壓力邊界條件。計算殘差低于10-4，且流量波動小于5‰時，認為計算收斂。

為了驗證該計算方法的準確性，對裝配有原機導流圈的室外機進行風量測試實驗，實驗狀態和模擬狀態均不考慮換熱器部件。實驗結果與模擬結果對比如表1所示，從風量上來看，模擬結果和實驗結果基本一致，二者誤差在5%以下，說明邊界設置是合理的，該計算方法可信。

表1 試驗風量與模擬風量對比

3 導流圈干涉處理對室外機流場的影響

為了研究導流圈被切割的位置和大小對室外機風量及內部流動特性的影響，仿照干涉處理的形式對完整的導流圈進行切割，切割位置如圖3所示。導流圈上的位置A靠近換熱器，位置B靠近室外機中隔板，位置C處于兩個導流圈之間，都是易發生裝配干涉的地方。考慮到裝配過程中兩個導流圈同時與換熱器或者中隔板發生裝配干涉，每個方案都同時對兩個導流圈進行相同程度的切割。定義導流圈切割面距導流圈劣弧最外沿的水平距離為切割量d。每個位置均有3個切割量，分別為10 mm、20 mm、30 mm。

圖3 導流圈切割方式示意圖

該室外機設計工況下，上風輪轉速為740 r/min,下風輪轉速為720 r/min。在該設計工況下，研究導風圈缺口對室外機風量的影響，結果如圖4所示。方案A、B、C分別對應位置A、B和C處的切割。方案M未對導流圈進行切割，而方案N是在位置A、B、C同時切割。

圖4 轉速為740/720 r/min各個方案的體積流量對比

從圖4可以看出，在導流圈位置A切割后，隨著導流圈被切割程度增大，室外機的風量是遞減的。切割量為30 mm時，與方案M相比，風量相差4.1%。而在位置B和C，3種切割量下室外機風量都沒有大的變化。對比方案N與方案A，二者在流量變化方面是一致的，可見3個位置中，位置A處的缺口對風量的影響最大。

實際工程中，導流圈發生的裝配干涉的位置不止一處，方案N更接近實際情況。下面著重對方案M與方案N（d=30 mm）這兩種情況進行對比分析。圖5和圖6是S軸向切面（見圖3）的壓力分布云圖。由于室外有兩個進口，進口邊界是不對稱的，所以靠近室外機側進口的風扇低壓區（線框所示）較大，同一旋轉區域其他低壓區的范圍較小。方案N中，葉片吸力面的低壓區擴展到導流圈外，部分側進口氣流可以直接通過導流圈的缺口進入旋轉區域的低壓區。

圖5 方案M軸向壓力云圖

圖6 方案N（d=30 mm）軸向壓力云圖

圖7和圖8為上風輪位置A處導流圈附近的流線分布。方案M中葉尖渦受到導流圈壁面的限制，呈狹長狀。方案N中，由于流道較為開放，葉尖渦的發展更充分，為橢圓狀。從二者的對比可見，完整的導流圈有助于限制葉尖渦的發展并減弱葉尖渦對流道的阻礙作用。

為了研究風扇旋轉過程中導風圈與風扇的相互作用，對模型進行非穩態計算，并在導風圈和葉頂之間設置了8個壓力監測點，監控其壓力脈動，通過對其壓力脈動的分析，可以得到其產生主要的頻率成分。各個監測點的位置如圖9所示。

圖7 方案M導流圈位置A附近的流線

圖8 方案N導流圈位置A附近流線

圖9監測點位置示意圖

圖10和圖11是在該室外機設計工況下，方案M和方案N相應位置監測點的脈動壓力對比。可以看出上風輪各監測點的壓力呈周期性變化。方案M在監測點P1處的壓力脈動幅值大于方案N相應監測點的脈動幅值，而且當葉片吸力面經過這4個監測點時，帶有缺口的導流圈的方案N的相應監測點的壓力較方案M中的高，減弱了其卷吸周圍氣體的能力。對監測點的壓力脈動時域數據進行快速傅里葉變換可以得到頻域的脈動信號如圖11（b），可以看出其脈動峰值主要出現在葉頻及其倍頻處。

圖10 上風輪監測點壓力脈動

圖11 監測點壓力脈動對比圖

4 結論

空調室外機的導流圈常常因裝配干涉問題而被切割。本文利用數值仿真技術對切割后導流圈的缺口位置和缺口大小進行研究，分析其對室外機風量及流場帶來的影響。

靠近室外機中部及中隔板的導流圈缺口對室外機風量的影響較小。而室外機側進口附近的缺口對風量的影響最大，且風量會隨著缺口的增大而減小；缺口邊界接近導流圈的喉部時，會引起室外機風量下降4%左右。對室外機側進口附近流場的分析表明，導流圈被切割后，缺口附近相應的低壓區域會減小；葉尖渦的控制區域擴大使得流道的通流面積減小；同時相應監測點的脈動幅值會減小。

設計人員在確定空調室外機導流圈的位置時可考慮使其盡量靠近中隔板位置，避免導流圈與換熱器干涉處理的缺口過大而造成室外機風量的較大損失。

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Effects of Interference Treatment of Inlet Shrouds on Air Flow Field of Outdoor Units of Air Conditioner

GUO Bao-kun1, LI Yue-fei2, MA Li-hua2, LIU Xin1, XIE Jun-long*1
(1-School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China; 2-Guangdong Midea HVAC Equipment Co., Ltd, Foshan, Guangdong 528311, China)

Cutting inlet shrouds is often used to deal with the assembly interference between the inlet shrouds and other components. In this paper, different sizes and locations of cutting have been carried out on the inlet shrouds of an outdoor unit of air conditioner, and CFD simulation is used to analyze the effects of the notches on the air flow rate and fluid field of the outdoor unit. The results show that the notch near the side entrance has a maximum impact on the air flow rate. In particular, the cutting edge is close enough to the throat of the shroud, which causes the air flow rate to drop by about 4%. A detailed analysis about this phenomenon showes that, near the place mentioned above, the corresponding low pressure district reduces, and the region influenced by the tip vortex increases; the amplitude of pressure fluctuation decreases.

Air conditioner; Inlet shrouds; Interference treatment; Numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.207

*謝軍龍（1970-），男，副教授，博士。研究方向：風機流動機理和相關聲學問題。聯系地址：湖北省武漢市華中科技大學動力樓，郵編：430074。聯系電話：13071280501。E-mail：hustxjl@163.com。