基于CFD的空調(diào)室外交流風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)預(yù)測研究

曹鋒

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519000

1 引言

由于全球面臨能源危機(jī)，提高能效已成為包括空調(diào)行業(yè)在內(nèi)的各行業(yè)提高產(chǎn)品競爭力的主要手段之一。風(fēng)機(jī)作為空調(diào)的關(guān)鍵核心部件，其效率直接影響空調(diào)整機(jī)能效，因此提高風(fēng)機(jī)效率已成為提高空調(diào)整機(jī)能效的關(guān)鍵手段。由于風(fēng)機(jī)由風(fēng)葉與電機(jī)組合而成，其效率亦由電機(jī)效率及風(fēng)葉效率共同決定。目前關(guān)于風(fēng)葉仿真優(yōu)化提高性能的研究頗多，文獻(xiàn)[1][2]通過CFD仿真手段改變軸流風(fēng)葉的內(nèi)流特性進(jìn)行風(fēng)葉優(yōu)化；Huang&Gau[3]應(yīng)用反設(shè)計(jì)方法對(duì)風(fēng)葉的三維葉型進(jìn)行優(yōu)化；黃愉太等[4]采用fluent對(duì)軸流風(fēng)葉不同周向截面安裝角進(jìn)行流場分析，得到在最佳周向截面安裝角時(shí)的優(yōu)化風(fēng)葉，效率提高3.42%；王嘉冰等[5]采用CFD分析了軸流風(fēng)葉葉頂流場中葉尖渦的產(chǎn)生和發(fā)展軌跡，為風(fēng)扇效率的提高提供了指導(dǎo)。但是實(shí)際工程應(yīng)用中仍然存在即使風(fēng)葉效率得到提高，風(fēng)機(jī)總效率依舊得不到顯著提高的現(xiàn)象，因此提前預(yù)測風(fēng)葉與交流電機(jī)匹配時(shí)工作點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)于風(fēng)葉設(shè)計(jì)及風(fēng)葉選型就顯得比較重要，但是目前關(guān)于此類的研究卻非常少。缺少此類指導(dǎo)可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)葉設(shè)計(jì)加工后匹配電機(jī)時(shí)出現(xiàn)偏離預(yù)期目標(biāo)的問題，乃至需要返工設(shè)計(jì)，將在極大程度上延誤產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度。

本文基于某室外機(jī)殼體采用CFD對(duì)三款風(fēng)葉進(jìn)行非定常求解計(jì)算并且采用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，同時(shí)結(jié)合交流電機(jī)特性曲線及空調(diào)室外機(jī)風(fēng)道阻力曲線對(duì)風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行有效預(yù)測，有助于預(yù)先評(píng)估空調(diào)風(fēng)機(jī)性能進(jìn)而指導(dǎo)風(fēng)葉設(shè)計(jì)及選型，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期及節(jié)約實(shí)驗(yàn)資源。

2 數(shù)值模擬及可靠性驗(yàn)證

2.1 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬的幾何模型與實(shí)際模型的一致性直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此在對(duì)室外機(jī)風(fēng)道進(jìn)行建模時(shí)盡可能少的對(duì)模型進(jìn)行簡化，以保證仿真模型與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊恢滦浴?/p>

整個(gè)計(jì)算域的模型以及室外機(jī)模型分別見圖1、圖2。考慮到室外機(jī)風(fēng)道幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，特將整個(gè)計(jì)算域劃分為四部分，分別是：冷凝器前、冷凝器后、旋轉(zhuǎn)體部分、冷凝器部分。由于需采用多孔介質(zhì)模型來處理由冷凝器產(chǎn)生的壓力損失，網(wǎng)格繪制時(shí)對(duì)冷凝器流體計(jì)算區(qū)域采用六面體網(wǎng)格處理，其余則采用四面體網(wǎng)格處理。

圖1 流體計(jì)算域

圖2 室外機(jī)風(fēng)道（不含風(fēng)葉）

為了提高計(jì)算精度，將計(jì)算分為兩階段穩(wěn)態(tài)計(jì)算、非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。兩者皆采用三維Navier-Stokes方程，湍流模型選取k-εRealizable兩方程模型。計(jì)算方法均為SEGREGATED隱式方法。湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)、動(dòng)量方程均采用二階迎風(fēng)格式離散；壓力-速度耦合采用SIMPLE算法；近壁面處理采用非平衡壁面函數(shù)。進(jìn)出口邊界分別設(shè)置為壓力進(jìn)口、壓力出口邊界條件，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)流域進(jìn)行處理，非定常計(jì)算采用每個(gè)時(shí)間步長風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)3°進(jìn)行迭代求解。

2.2 數(shù)值模擬可靠性驗(yàn)證

CFD計(jì)算結(jié)果精度直接影響預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用風(fēng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)室測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中工作電壓為220 V，機(jī)外靜壓值為0 Pa，選用3種不同結(jié)構(gòu)的軸流風(fēng)葉進(jìn)行相關(guān)研究，為便于描述分別將其命名為：風(fēng)葉A、風(fēng)葉B及風(fēng)葉C，見圖3。風(fēng)葉的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖4。

圖3 風(fēng)葉模型

圖4 風(fēng)量仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了便于評(píng)估仿真與實(shí)驗(yàn)測試偏差，定義任一款風(fēng)葉的研究數(shù)據(jù)總量數(shù)量為n，任一數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)為i，在不同的工作轉(zhuǎn)速N，任一款風(fēng)葉風(fēng)量的仿真結(jié)果Qs與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Qe的平均偏差，見式（1），依次為0.45%、0.63%及1.04%。

由力矩平衡方程可知：在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，來流氣體施加在風(fēng)葉上的力矩與風(fēng)葉施加在電機(jī)軸上的力矩相等。因此采用電機(jī)力矩的測量值τE代表風(fēng)葉的真實(shí)力矩來驗(yàn)證計(jì)算力矩τS的準(zhǔn)確性，對(duì)比結(jié)果見表1。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差Error計(jì)算方式見式（2）：

對(duì)比結(jié)果如表1所示，從表1可知：計(jì)算力矩τS與實(shí)驗(yàn)測試力矩τE的最大偏差僅僅1.44%，小于工程允許誤差5%。因此基于CFD方法得到的風(fēng)量-轉(zhuǎn)速特性曲線及扭矩-轉(zhuǎn)速特性曲線是可靠的。

表1 不同風(fēng)葉扭矩計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果對(duì)比

3 交流風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)參數(shù)預(yù)測

交流風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)葉負(fù)載的變化而變化，不同的風(fēng)葉在同一室外機(jī)殼體中工作其工作轉(zhuǎn)速大多是不同的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常按照系統(tǒng)換熱需求并且結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速提出轉(zhuǎn)速、風(fēng)量需求，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)員根據(jù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、設(shè)計(jì)流量進(jìn)行葉型設(shè)計(jì)。然而測試結(jié)果顯示：風(fēng)葉通常不能按照設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速在空調(diào)殼體里面工作。這主要由于風(fēng)葉在設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的力矩與電機(jī)的力矩不等，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)不能按照設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速在空調(diào)室外機(jī)風(fēng)道中工作，因此在葉型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)葉力矩。

鑒于上述表達(dá)，基于CFD數(shù)值解析結(jié)果來對(duì)交流風(fēng)機(jī)在室外機(jī)中工作點(diǎn)的預(yù)測流程如圖5所示。

圖5 交流風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)預(yù)測流程圖

風(fēng)葉的扭力-轉(zhuǎn)速曲線難以采用直接測量的方式獲得，但是其能夠采用仿真計(jì)算的方法較容易的獲得。針對(duì)研究的三款風(fēng)葉的轉(zhuǎn)速-扭力特性曲線以及測得電機(jī)的特性曲線如圖6所示。

圖6 風(fēng)葉扭矩、交流電機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖6中可看出：三款風(fēng)葉的轉(zhuǎn)速-扭力特性曲線會(huì)與電機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭力曲線分別相交于三點(diǎn)，該點(diǎn)即為風(fēng)機(jī)在空調(diào)室外機(jī)中的工作點(diǎn)。為便于求解采用最小二乘法分別對(duì)上述4條曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。由于風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭力存在平方的關(guān)系，因此采用二次多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合如式（3）所示。在對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速-扭矩特性曲線擬合時(shí)，采用6次多項(xiàng)式以便取得較高的數(shù)據(jù)精度，如式（4）所示。上述擬合結(jié)果見式（5）～式（8），平均偏差差分別為0.174%、0.171%、0.179%及1.69%。

分別將式（5）～式（7）與式（8）聯(lián)立求解，即可獲得三款風(fēng)葉與交流電機(jī)匹配所對(duì)應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速N、工作扭矩τ。將轉(zhuǎn)速N分別代入風(fēng)葉的轉(zhuǎn)速-風(fēng)量特性曲線，N-Q曲線，即可獲得所對(duì)應(yīng)的工作流量Q，再聯(lián)立風(fēng)量-壓力特性曲線，Q-Pt曲線，見圖7，即可求解得到風(fēng)葉工作壓力Pt，由式（9）可計(jì)算得到風(fēng)葉的效率ηf。再配合電機(jī)的轉(zhuǎn)速-效率特性曲線，N-ηm曲線，見圖8，即可獲得電機(jī)工作效率ηm。最后由式（10）可得風(fēng)機(jī)總效率ηt。三款風(fēng)葉的計(jì)算結(jié)果以及實(shí)測結(jié)果如表2所示。

圖7 室外機(jī)風(fēng)道風(fēng)量與壓差的對(duì)應(yīng)關(guān)系（實(shí)驗(yàn)）

圖8 交流電機(jī)轉(zhuǎn)速與效率對(duì)應(yīng)關(guān)系（實(shí)驗(yàn)）

從表2可知，三款風(fēng)葉基于上述方法的預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的一致性良好，偏差＜5%。三款風(fēng)葉在同一室外機(jī)內(nèi)匹配同款交流電機(jī)時(shí)，工作轉(zhuǎn)速不同，在各自對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速下風(fēng)葉的風(fēng)量、風(fēng)葉的效率、電機(jī)的效率不同。結(jié)果顯示：在三款風(fēng)葉中，風(fēng)葉A風(fēng)量最高，有利于系統(tǒng)換熱，風(fēng)葉A的效率最高，達(dá)到69%，有利于整機(jī)提升能效。但是電機(jī)在風(fēng)葉A工作轉(zhuǎn)速下的效率較低，僅為44%，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)總效率不高。也就是說，風(fēng)葉A與電機(jī)的不匹配，導(dǎo)致風(fēng)葉A的高效特點(diǎn)沒有得到充分發(fā)揮。風(fēng)葉B與風(fēng)葉C相比，雖然風(fēng)葉B的效率相對(duì)較低，僅為56%，而風(fēng)葉C的效率相對(duì)較高66%，但是其配套電機(jī)在其工作轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的效率較高，54.5%，相對(duì)風(fēng)葉C配套電機(jī)工作效率高12個(gè)百分點(diǎn)，致使其風(fēng)機(jī)總效率較風(fēng)機(jī)C高2.72個(gè)百分點(diǎn)。由此可見，風(fēng)葉與電機(jī)合理匹配對(duì)于提高風(fēng)機(jī)效率及整機(jī)能效相當(dāng)重要，只有風(fēng)葉效率與其配套電機(jī)效率均達(dá)到最高，風(fēng)機(jī)總效率才能達(dá)到最高，才能實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能。假定將電機(jī)在777 r/min所對(duì)應(yīng)的效率由44.6%提高到54.5%，則風(fēng)機(jī)A的總效率可由更改前的30.7%提高到37.4%，提升幅度達(dá)到6.7個(gè)百分點(diǎn)，這對(duì)交流風(fēng)機(jī)來講是非常可觀的。因此調(diào)整風(fēng)葉A的配套電機(jī)的高效點(diǎn)，使其由高轉(zhuǎn)速向低轉(zhuǎn)速變化，將會(huì)使風(fēng)葉A的功率進(jìn)一步大幅降低。

表2 三款風(fēng)葉與某室外機(jī)風(fēng)道匹配的測試結(jié)果及預(yù)測結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值分析方法求解室外機(jī)風(fēng)葉紊態(tài)流場，可準(zhǔn)確獲得風(fēng)葉外特性數(shù)據(jù)，并且聯(lián)合室外機(jī)阻力特性數(shù)據(jù)及交流電機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩特性數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確預(yù)測交流室外機(jī)風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)數(shù)據(jù)，預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果偏差＜5%，在產(chǎn)品開發(fā)過程中可有效指導(dǎo)風(fēng)葉設(shè)計(jì)及選型。