不同回風口對空調室內機風道系統影響的研究

劉 起

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不同回風口對空調室內機風道系統影響的研究

劉 起

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

空調器室內機回風口形式的不同對于風道系統有著較大的影響，通過建立相關模型，設置控制方程進行數值計算，得到了兩種不同回風口下的空調器室內機風道系統的流場、壓力場等，分析并闡述了不同回風口形式對風道系統的影響情況，為室內機風道系統的優化提供理論依據。

風道系統；CFD；回風口；空調

0 前言

在空調外觀不斷多樣化的今天，空調的噪聲、送風均勻性問題已愈顯突出，受到人們的普遍重視[1-3]。空調回風進入室內機風道系統首先通過回風口，回風口會干擾氣流的流動，從而也會對整個風道系統造成影響。改變回風口設計可以改善送風均勻性，降低空調噪聲，從而優化空調器[4]。

本文通過對空調器室內機風道系統的流場進行三維模擬計算，分析回風口的位置不同對風道系統流場、壓力場的影響，進而了解貫流風機內流場的優劣及送風的效果，為進一步優化風道系統，改善空調舒適性，減少能耗提供理論依據。

1 物理模型

空調室內機的結構從整體來講可以分為：進風格柵、換熱器、貫流風機、蝸舌、蝸殼及調節板等[5]。室內機回風口一般為矩形格柵式，常設置過濾網來除去空氣中的塵粒，回風口處不設置風量調節裝置，風量的改變通過貫流風機的轉速來實現。回風口的兩種方式：下回風和后回風，如圖1所示。

由圖1可以看出，下回風和后回風送風方式，僅回風口的位置不同，其余的各部分參數均相同，在進行模擬計算時，選擇相同的方程，設置相同的邊界條件，就可以獲得下回風和后回風兩種不同回風方式下室內機風道系統情況。

圖1 空調室內機結構示意圖

2 計算模型及邊界條件

2.1 模型的建立及網格的劃分

考慮模型的對稱性以及計算機的運算能力，故截取模型長度=30mm的一部分進行計算，同時將不參與計算的部分體去掉，得到簡化后的模型[6,7]。

由于空調模型求解區域的復雜性，劃分的網格不可能全部為結構化網格，因此部分采用非結構化網格劃分。同時，為了便于網格的劃分，將模型分為八個體：進風口至換熱器上表面，換熱器，換熱器下表面至出風口（不包括貫流風機部分），進、出口分別延長一定的區域，貫流風機內外3mm區域，貫流風機內部區域，如圖2所示（僅以方案a圖說明）。

圖2 流體域劃分

其中，由于貫流風機葉片部分結構太小，需要進行網格加密而設置了貫流風機內外各3mm的區域；空調器進出口延長區域是為了能夠獲得更為接近實際的邊界而作的處理；整個葉輪及內部區域設為旋轉區域。

2.2 控制方程

控制方程包括連續性方程、動量方程、湍流動能方程，三方程都遵循守恒定律，可以表示如下通用形式[8]：

表1 公式中參數的取值

Table 1 The parameters in formula

控制方程選用-方程，湍流模型為標準-雙方程。由于流動過程為等溫流動，故能量方程不必考慮。

2.3 邊界條件

流體流動按定常流進行計算，控制方程及邊界條件設置如下[9,10]：

（1）為獲得較好地收斂選擇隱式算法，由于流體并非高速可壓流體，故選擇非耦合求解法。

（2）設置入口邊界為壓力入口，總壓為0Pa，出口邊界為壓力出口，出口靜壓0Pa；

（3）考慮空氣通過換熱器翅片的阻力，根據經驗假設換熱器阻力損失系數為K=20；

（4）旋轉區域設置：旋轉方向沿Z軸負方向，貫流風機的轉速=900rpm，其余各面按默認設置；

（5）壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，為獲得較好的收斂，松弛因子的動量項、湍流動能項、湍流耗散率項分別設置為0.3、0.4、0.4，其余項采用默認值。

（6）殘差設置：各項殘差均為10-3，另外，設置出口處的面體積流量作為表面監視。

3 計算結果及分析

當出口處體積流量達到穩定時認為計算已收斂，通過對計算結果進行一系列后處理（考慮進出口外部區域并非研究重點，故后處理過程均未保留），選取Z軸方向中心截面（=15mm）處的靜壓云圖：

圖3 中心截面(Z=15mm)的靜壓云圖

圖3表明：（1）室內機風道內部靜壓的分布存在較大的變化，尤其在貫流風機內流區，靜壓值由上游到下游呈現遞減趨勢，在貫流風機出口處壓力降至最小，而在室內機出口處壓力又有所增加，從而在靠近蝸殼附近形成一壓力低谷，即為常說的偏心渦。偏心渦周圍壓力存在較大波動，所以很容易形成壓力脈動，產生噪聲。（2）可以看到，下回風形式下靜壓變化范圍為-82.18～16.91Pa，后回風靜壓變化范圍為-109.47～16.78Pa，兩種方式下的最高靜壓較為接近，但最小負壓值相差較大，即后回風的最小靜壓遠小于下回風。（3）偏心渦的大小和強弱是影響貫流風機性能的關鍵因素[13]，也對整個室內機風道系統有著較大影響。比較兩種回風方式下，偏心渦區域的大小有所不同，下回風方式下偏心渦所包裹的葉片為12，小于后回風方式下的14片，故其出風狀況優于后回風，這一點在圖4的速度矢量圖中也可以看出。

圖4 中心截面(Z=15mm)的速度矢量圖

圖4為空調室內機風道中心截面（=15mm）處的速度矢量圖，可以看出：（1）當氣流由室內進入空調器的瞬間，由于慣性作用會沿著垂直入口方向前進，而在平行于入口面的方向上速度較小，當該方向的速度到壁面時減小為零，受壓差作用，會沿壁面向回風口方向流動，形成渦流。對比兩種回風方式，在下回風方式下，風道系統左上角區域速度較小，而后回風方式下，風道入口上下側區域速度均很小，成為渦流區。（2）從貫流風機系統的流場情況看，在貫流風機的進氣口處，下回風方式氣流較為均勻，通流面積較大，主貫流區和副貫流區區分明顯，貫流效果好；而后回風較為混亂，出現了明顯的繞貫流風機的旋轉，造成氣流難以進入，在貫流風機的左上側甚至還出現了部分內區空氣回流至葉輪外，這部分回流稱為進氣回流，進氣回流會阻礙氣流的吸入，使得貫流效果差。（3）在蝸舌附近的擋板處以及出風口處由于偏心渦的作用，也有一部分流出的空氣重新流回葉輪內，形成回流，這部分回流稱為外回流，這種回流會造成很大的能量損失，而且回流所占的比例也很大程度上決定了貫流風機的效率[11]。從圖4可可以看出，后回風方式下的回流較下回風方式下嚴重，送風氣流不夠均勻，因此，單從這一點講，下回風優于后回風。

為了能夠更清楚地觀察兩種回風方式下通過換熱器的氣流的均勻性，從而定性分析氣流與換熱器的換熱情況，我們對兩種情況下通過換熱器的空氣流量進行了統計，統計包括12個表面，各表面為兩相鄰冷媒管中心的連線形成的平面，各統計面位置如圖5所示。

圖5 各統計面位置

由圖6流量分布圖知道：（1）除卻統計面的細微差別，兩種送風方式下，曲線的趨勢基本一致，即流經該三折換熱器各截面的空氣的流量基本一致。但也可以看出，對兩種回風方式下流經換熱器各截面的氣流的流量波動很大，所以整體而言，空調器內部流場仍不夠均勻。（2）分別來看兩種回風方式下流經換熱器各截面的流量統計情況，統計面4、9、10的流量都比較小。統計面4是由于面積較小，所以對應的流量都較小，而9和10則是由于外殼有一凸起結構，造成的氣流難以抵達9、10兩統計面，故在結構優化時應優先考慮這三個面。

4 結論

通過對空調器室內機下回風和后回風兩種方式下風道系統流場的三維數值模擬，可以知道：

（1）對于現有空調器，無論是在下回風還是后回風方式下，空調風道系統流場都不夠均勻，即文中所給兩種回風方式都無法避免風道系統流場的品質較低的現狀，氣動噪聲及出風不均勻也就無法避免。

（2）單純比較兩種回風方式下空調室內機流場，通過結果分析，下回風偏心渦區域較小，貫流風機吸入口氣流均勻，不存在繞貫流風機的旋轉，貫流效果較好，且回流較弱；從流經換熱器各截面的氣流流量情況來看，應優先考慮改善結構實現4、9、10三個面的優化。

[1] 劉飛,王嘉冰,胡亞濤,等.貫流風機渦結構與噪聲特性的數值研究[J].工程熱物理學報,2009,30(1):44-46.

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[11] Eck B.通風機[Z].北京:機械工業出版社,1983.

Study of Air Duct System of Indoor Air Conditioner with Different Return Air Inlet by Numerical Simulation

Liu Qi

( CRFSDI, Wuhan, 430063 )

The type of return air inlet for air conditioner has great influence on the flow field of the air duct system. The simulation is presented by Fluent with relative equations after modelling. The flow distribution and pressure distribution of two types of different return air inlet are obtained. Based on the simulation results, the influence of the different type of return air inlet on the air duct system is analyzed. The work will provide the basis for putting forward the optimization methods for air duct system.

System of air duct; CFD;Return air inlet; Air conditioner

1671-6612（2018）06-623-04

TU831.4

A

劉 起（1985-），男碩士，工程師，E-mail：liuyanqi1985@126.com

2018-02-26