基于FLUENT的變頻中央空調室外機散熱風道的優化設計

藺勇智

摘 要：本文以計算流體力學（CFD）為理論依據，基于FLUENT環境，對側出風系列產品變頻中央空調室外機電控盒散熱風道系統的出風口結構進行仿真對比分析，本文共設計3套不同形式的出口風結構方案，主要針對電控盒左側出風口與電控盒散熱器之間的流場進行分析。結合分析結果，驗證了3套方案的電控盒內變頻模塊的溫升趨勢與散熱風道流場的分布狀態相擬合。試驗結果表明，模型建立正確，計算機模擬分析數據可靠，達到了產品開發的預期狀態，縮短了產品開發周期及測試成本，對于新產品開發有一定的參考意義。

關鍵詞：流場；熱電偶；散熱風道系統

中圖分類號：TM925 文獻標識碼：A

0.引言

空調散熱風道的優化設計一直是空調技術領域研究的重點課題，隨著溫室效應的影響越來越嚴重，白天溫度越來越高，使空調逐漸成為人類不可或缺的可以改善生活質量的家用電器之一，空調長時間運行時，特別是在夏天，如果空調電控盒的散熱風道設計不佳，會導致電子元器件溫升過高，致使電子元器件燒壞或失效，因此空調室外機散熱風道的優化設計是至關重要的，通風良好的散熱風道不但可以有效降低空調室外機電控盒內腔體溫度，同時還可以有效抵御暴風雷雨天氣時雨水進入電控盒內部。工程師們以往都是借助于經驗，通過往復試驗數據來優化空調室外機散熱風道，不但優化設計周期長，而且精度差，從而導致開發新產的進度遲緩。

本文針對變頻中央空調室外機的散熱風道進行了設計及改進，通過UG對空調室外機整機進行三維建模，特別是對室外機電控盒及散熱風道進行了詳細的三維建模設計，并以FLUENT軟件對電控盒內出風口及電控散熱器各散熱片之間的流場進行流體仿真分析，再根據仿真模型制作風道手板樣件，對比仿真3套方案的手板電控盒內部元器件的發熱數據，驗證仿真模型的正確性。

1.空調室外機三維模型及數值模型

根據空調室外機三維模型建立數值模型，如圖1所示，設立邊界條件，采用FLUENT軟件對數值模型進行風場分析。本文主要針對電控模塊及風機風道模塊共同組成的空調散熱風道系統優化進行仿真及分析。

2.基于FLUENT的散熱風道仿真分析

風道內空氣湍流動采用不可壓縮流體的k-ε湍流模型描述。

將完成的網絡模型導入到FLUENT中，其中上風輪的中心定義為坐標原點，坐標系y軸方向為機器前后方向，向后方向為正；電控盒散熱器共有21個流道，從機器后向機器前編號依次為1，2，3……21，電控盒散熱器流道編號標示于每個流道速度矢量圖的右下角位置。速度矢量圖的左側標示均為速度值的大?。▎挝唬簃/s）。由于篇幅有限，本文只針對3種典型散熱風道方案進行了對比仿真分析，方案3為產品最終選定的方案，詳細模擬結果如圖2所示。

從圖2中3種方案的出風口內流場分布圖可以看出，方案二電控盒散熱器的多個流道中存在較大的渦流，方案一與方案三電控盒散熱的風道流道內流場相似，但方案三明顯優于方案一。

為了更加詳細了解到坐標原點前后方各截面流場的分布情況，文中分別針對y=200mm時的速度場（在進風口寬度范圍，不在出風口寬度范圍）、y=170mm時的速度場（在進風口寬度范圍，在出風口寬度范圍）、y=140mm時的速度場（在進風口寬度范圍，在出風口寬度范圍）、y=120mm時的速度場（在進風口寬度范圍，在出風口寬度范圍）、y=80mm時的速度場（在進風口寬度范圍，在出風口寬度范圍）、y=40mm時的速度場（不在進風口寬度范圍，在出風口寬度范圍）、y=-10mm時的速度場（不在進風口寬度范圍，在出風口寬度范圍）進行了進風口流場分布分析，由于篇幅有限，文中只列舉了其坐標原點沿y軸方向向前120mm的截面進風口處流場分布狀態，其仿真結果如圖3所示。

本文也針對電控盒中散熱器不同流道速度場（流道編號從后至前依次為1，2……21，即各散熱片之間的流道間隙）進行了仿真分析，其出風口散熱片編號為1、10、21位置流場分布圖如圖4所示。

從上面的流場分布仿真結果中可以看出：

（1）在室外機腔體中電控盒及系統側，進風基本繞過罐體等障礙物向上，流向出風口處。但由于進風口位置與方向布置、出風口位置布置以及障礙物的遮擋，在室外機腔體內電控盒側，其中部分區域有大小不等的漩渦形成，如室外機腔體內系統側的左下側、電控盒內的右側以及電控盒的后側等，在一定程度上造成了風量、能量的損失。（2）在無罐體遮擋、且進風口與出風口無錯開的截面上，如y=80mm處，氣流速度明顯大于有罐頭遮擋或進風口與出風口錯開的截面速度。（3）方案二中，盡管出風口為前后敞開，但由于風輪的作用，從后側換熱器過來的氣流與從電控盒側過來的氣流混合后一同向機器的前側流入。（4）方案二中，電控盒散熱器多個流道中存在較大的渦流，方案一與方案三電控盒散熱器相同編號的流道內流場相似，但方案三相同編號流道中的速度值明顯大于方案一。（5）經計算，方案一進風口的流量為13.82m3/h，方案二進風口的流量為13.75m3/h，兩種方案進風流量可近似相等，方案三進風口的流量為16.18m3/h。

3.計算結果與數據分析

為檢驗仿真結果的可靠性與實用性，對樣機電控盒的進風口與出風口附近的關鍵電子元器件運行時的發熱溫度進行監控。變頻空調電控盒中的變頻模塊往往發熱量最容易超標，因此在本文中將變頻模塊固定螺絲作為主要監測點，其次對于進風口、出風口的散熱片編號為1、10、21位置也做了監測點，其中監測點通過熱電偶及測試軟件傳輸到計算機，采集并記錄相關發熱數據，實驗設備及測試方法示意如圖5所示。

試驗工況：最大頻率制冷，室內側干球溫度32.08℃，室內側濕球溫度22.98℃，室外側干球溫度47.00℃，頻率65Hz，測試數據見表1。由于篇幅限制，其他測試工況數據省略，但發熱數據的趨勢與表1是基本保持一致的。測試數據顯示結果與仿真結果基本一致，方案3測試數據比方案1、方案2降低2℃左右。因此從溫度測試結果驗證了基于FLUENT的變頻中央空調室外機散熱風道優化設計的仿真趨勢是可行而且是準確的。

結論

通過對基于FLUENT的變頻中央空調室外機散熱風道優化設計的研究與驗證，從軟件仿真對比結果可以發現，通過此仿真優化的方法，可以有效地解決在產品開發階段所面臨的方案優化問題，可以節省手板制作的成本，而且節省了實驗室的測試資源，有效縮短了項目的開發周期，為傳統產品開發提供了更加便捷的設計技巧及方案。

參考文獻

[1]張軼，沈輝，夏蕓，等.基于CFD的礦車空調風道風速仿真分析與試驗研究[J].內燃機與動力裝置，2012（2）：25-27，33.