基于仿真的掃風(fēng)機構(gòu)舒適性及可靠性研究

劉 漢 楊 杰 薛加新

（國家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心 珠海 519070）

前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，以及全球變暖后極端天氣的頻繁出現(xiàn)，房間空調(diào)器日益成為人們生活必不可少的產(chǎn)品，送風(fēng)舒適性是房間空調(diào)器的主要性能之一，其直接影響著房間空調(diào)器產(chǎn)品的市場競爭力。房間空調(diào)器送風(fēng)舒適性的關(guān)鍵設(shè)計因素之一就是送風(fēng)角度，較大的掃風(fēng)角度有利于送風(fēng)范圍的增加，從而可以提高房間氣流循環(huán)速度[1]。同時，使用人感系統(tǒng)觀測房間溫度分布，并結(jié)合房間空調(diào)器掃風(fēng)機構(gòu)對房間進行精確定向送風(fēng)，是發(fā)展智能房間空調(diào)器的關(guān)鍵技術(shù)。但房間空調(diào)器送風(fēng)角度與掃風(fēng)葉片的大小和形狀、機構(gòu)運動范圍、風(fēng)道形式都密切相關(guān)，如果各結(jié)構(gòu)設(shè)計彼此不匹配，容易造成送風(fēng)角度不足或不準(zhǔn)確等問題[2]。

目前，房間空調(diào)器掃風(fēng)機構(gòu)送風(fēng)角度設(shè)計較多的依賴于實驗的反復(fù)驗證與優(yōu)化，導(dǎo)致設(shè)計效率低下，房間空調(diào)器研發(fā)的成本及周期大幅上升。因此，本文通過應(yīng)用仿真軟件，建立掃風(fēng)運動機構(gòu)的仿真模型，實現(xiàn)送風(fēng)角度的正向設(shè)計，把握了掃風(fēng)機構(gòu)送風(fēng)角度設(shè)計準(zhǔn)確性，提升了房間空調(diào)器開發(fā)過程中的設(shè)計質(zhì)量，并縮短了開發(fā)周期。

1 模型

1.1 靜力學(xué)仿真模型

空調(diào)器掃風(fēng)機構(gòu)主要由電機、曲柄、連桿、柔性掃風(fēng)葉片組成。工作過程中，電機驅(qū)動曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄通過連桿拉動柔性掃風(fēng)葉片變形，從而使掃風(fēng)葉片偏轉(zhuǎn)一定角度，實現(xiàn)對風(fēng)道中氣流進行導(dǎo)風(fēng)的作用[3]。

掃風(fēng)葉片根據(jù)葉片柔性區(qū)域的不同，每個葉片偏轉(zhuǎn)后的形貌也會產(chǎn)生差異。因此，本文利用有限元靜力學(xué)仿真軟件，根據(jù)實際零件間連接關(guān)系設(shè)置邊界條件，通過設(shè)置電機旋轉(zhuǎn)角度，可分析確定掃風(fēng)葉片變形后的具體形貌，如圖1所示，也可在計算結(jié)果中分析電機處的反作用力矩，得到電機旋轉(zhuǎn)該角度所需的驅(qū)動力矩大小。

圖1 房間空調(diào)器掃風(fēng)機構(gòu)運行后狀態(tài)

1.2 流體仿真模型

房間空調(diào)器掃風(fēng)葉片的大小、形狀、彎曲程度直接影響著風(fēng)道內(nèi)氣流的流向，由于影響因素過多，理論計算已無法滿足產(chǎn)品快速開發(fā)的需求。流體仿真的有限元計算方法，可以快速評估結(jié)構(gòu)對氣流的影響，并且得到可視化的云圖與豐富的數(shù)據(jù)結(jié)果。因此，可采用流體仿真軟件對房間空調(diào)器掃風(fēng)機構(gòu)送風(fēng)舒適性進行研究，分析房間空調(diào)器氣流組織與掃風(fēng)機構(gòu)之間的關(guān)系，實現(xiàn)掃風(fēng)運動機構(gòu)的舒適性正向設(shè)計。

首先通過三維建模軟件建立房間的三維模型，由于無法直接導(dǎo)出變形后掃風(fēng)葉片模型提供流體仿真使用，因此需在Creo中對掃風(fēng)葉片通過扭曲特征進行變形處理，從而獲得變形后的柔性掃風(fēng)葉片模型，具體操作如圖2所示。

圖2 使用扭曲特征的柔性掃風(fēng)葉片

根據(jù)變形后的柔性掃風(fēng)葉片模型，可建立提供流體仿真的房間空調(diào)器整機模型。

將房間及具有變形后掃風(fēng)葉片的房間空調(diào)器導(dǎo)入流體仿真軟件，然后進行網(wǎng)格劃分、設(shè)定邊界條件。

設(shè)定的邊界條件為房間空調(diào)器正常運行工況，出口風(fēng)量為650 m3/h，室內(nèi)初始溫度為30 ℃，出風(fēng)溫度為16 ℃。房間長度設(shè)定為4.5 m，寬度為3.5 m，高度為3 m，房間空調(diào)器安裝高度為2.3 m，安裝于房間寬度中間位置。

進氣區(qū)域為房間空調(diào)器風(fēng)機出口，回流區(qū)域為房間空調(diào)器進氣口。

完成以上設(shè)置，就建立完成房間空調(diào)器掃風(fēng)機構(gòu)流體仿真模型，可計算不同掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)角度對氣流組織的影響。

2 仿真模型校核

2.1 靜力學(xué)仿真模型校核

圖3 房間尺寸及房間空調(diào)器安裝位置

按照上述掃風(fēng)葉片靜力學(xué)仿真模型進行計算，設(shè)定掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)40 °，可得到所需電機力矩為5 N·cm。利用扭矩測試儀（如圖4所示）對掃風(fēng)機構(gòu)進行測試可知，掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)40 °所需力矩為5.2 N·cm，誤差為4 %，考慮摩擦力因素，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為吻合，靜力學(xué)仿真模型較為準(zhǔn)確。

2.2 流體仿真模型校核

流體仿真軟件后處理可生成氣流流線圖，可分析掃風(fēng)葉片對房間空調(diào)器氣流整體流向的影響，如圖5所示[4]。

圖5 送風(fēng)趨勢流線圖

對距離壁掛機出風(fēng)口0.5 m水平距離的豎直平面風(fēng)速分布云圖進行分析，如圖6所示。通過云圖可知，該房間空調(diào)器掃風(fēng)葉片在旋轉(zhuǎn)40 °時，風(fēng)速中心位于出風(fēng)口中心右側(cè)0.2～0.4 m處，最高風(fēng)速達到1.7 m/s。

圖6 0.5 m豎直面風(fēng)速分布仿真云圖

根據(jù)仿真工況，在同樣的房間尺寸、安裝尺寸、運行工況的實驗條件下，在距離房間空調(diào)器出風(fēng)口0.5 m豎直面上，采集各點風(fēng)速進行分析。

由表1實驗數(shù)據(jù)可知，該房間空調(diào)器掃風(fēng)葉片位于仿真設(shè)置的角度時，風(fēng)速中心位于出風(fēng)口中心右側(cè)0.2～0.4 m處，最高風(fēng)速達到1.7～1.8 m/s，與仿真結(jié)果基本保持一致，表明流體仿真模型較為準(zhǔn)確，仿真精度較高。

表1 0.5 m豎直面風(fēng)速分布測試數(shù)據(jù)（單位：m/s）

3 舒適性及可靠性分析

采用以上仿真模型，可研究掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)角度對房間空調(diào)器出風(fēng)氣流組織的影響，分析其是否滿足人體熱舒適性需求；也可研究掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)角度對電機力矩的要求，分析其是否會影響電機長期運行的可靠性。

為保證房間內(nèi)溫度均衡，房間空調(diào)器左右掃風(fēng)覆蓋范圍需涉及房間70 %以上[5]，才能讓氣流在房間內(nèi)充分?jǐn)_動，避免溫差過大。但掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)角度受到運動機構(gòu)設(shè)計的限制。如圖1所示采用的四連桿機構(gòu)存在運行效率問題，因此葉片的左右旋轉(zhuǎn)角度不能過大，否則電機會因力矩不足而無法驅(qū)動葉片到達設(shè)定位置，也使得電機存在長期運行可靠性問題[6]。

3.1 可靠性分析

利用上述靜力學(xué)仿真模型，可計算旋轉(zhuǎn)掃風(fēng)葉片到一定角度所需要的電機力矩。設(shè)定掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)角度為60 °進行仿真，計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 掃風(fēng)葉片力矩仿真變化曲線

由計算結(jié)果可知，掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)角度越大時，所需電機力矩越大，房間空調(diào)器掃風(fēng)機構(gòu)采用的電機力矩最大值為9 N·cm，為保證長期運行可靠性，通常會設(shè)置1.5倍安全系數(shù)。因此機構(gòu)所需力矩需控制在6 N·cm以內(nèi)。

由圖7可知，掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)角度為30 °、45 °、60 °的所需電機力矩分別為4 N·cm、5.7 N·cm、6.9 N·cm，因此，只有30 °、45 °才能電機可靠性要求。

3.2 舒適性分析

利用上述流體仿真模型，可計算掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)一定角度后，房間空調(diào)器在房間內(nèi)的實際送風(fēng)覆蓋區(qū)域[7]。分別設(shè)定掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)角度為30 °、45 °、60 °進行仿真，分析房間內(nèi)1.1 m高度水平面內(nèi)大于0.3 m/s風(fēng)速的氣流分布范圍，計算結(jié)果圖8所示。

圖8 不同掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)角度形成的室內(nèi)送風(fēng)范圍仿真結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果可知，掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)角度30 °、45 °、60 °時，其在房間的送風(fēng)范圍覆蓋率分別為49.5 %、74.2 %、82.8 %。由此可知，當(dāng)掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)角度為45 °及60 °時，其左右送風(fēng)覆蓋區(qū)域滿足人體熱舒適性需求[8]。

結(jié)合上述可靠性分析結(jié)果，掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)45 °為最優(yōu)狀態(tài)，既可滿足房間送風(fēng)區(qū)域70 %覆蓋率，也可滿足電機力矩1.5安全系數(shù)可靠性要求。

5 結(jié)論

通過有限元仿真軟件，分別建立房間空調(diào)器掃風(fēng)機構(gòu)靜力學(xué)仿真模型和流體仿真模型。結(jié)合實驗測試結(jié)果，表明建立的仿真模型誤差在5 %以內(nèi)，滿足準(zhǔn)確性要求，可以實現(xiàn)對掃風(fēng)葉片可靠性及舒適性的仿真預(yù)估，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。

利用該仿真模型，研究某款掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)角度對電機可靠性及氣流組織的影響可知，在旋轉(zhuǎn)45 °時，人體熱舒適性及電機可靠性都能達到最優(yōu)狀態(tài)，從而為后續(xù)房間空調(diào)器產(chǎn)品的掃風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn)角度的選擇提供理論依據(jù)。