基于CFD技術的電飯煲噪聲及散熱優化應用研究

吳波

廣東美的制冷有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

隨著改革開放的不斷深入和社會經濟的快速發展，中國已經成為全球最大的小家電生產國，全球超過一半的小家電都來自中國[1]，其中IH電磁加熱電飯煲作為廚房小家電中最為重要的產品之一，其能夠實現大火力加熱，大幅減少煮飯時間等優點深受普通消費者的青睞。但是IH電飯煲大功率加熱使其電子元器件發熱量上升，對電飯煲的冷卻散熱要求也越來越高。現有市面上IH電磁加熱電飯煲的冷卻散熱模塊主要是由小型軸流風扇及鋁擠散熱片組成，大功率加熱會使電子元器件IGBT和橋堆溫升惡化，所需要的冷卻風量逐步提升，隨之風扇的轉速及噪聲也越來越高，因此關注IH電飯煲噪聲產生的機理，降低和控制氣動噪聲對提升電飯煲產品競爭力及降低產品噪聲投訴率有重要意義。

IH電飯煲的噪聲主要有三大來源：（1）氣動噪聲（包括旋轉噪聲、湍流噪聲）；（2）電磁噪聲（電磁加熱噪聲）；（3）米水氣泡沸騰噪聲（氣泡破裂聲）。其中在電飯煲內的水未沸騰前，其主要的噪聲為氣動噪聲和電磁噪聲，其中氣動噪聲為總噪聲的主要貢獻源。IH電飯煲的氣動噪聲主要是由旋轉噪聲及湍流噪聲組成，旋轉噪聲主要是由風扇周期性拍打周圍空氣所產生的，湍流噪聲主要是風葉旋轉過程中產生的寬頻噪聲。

很多學者采用數值模擬和實驗研究結合的方法來分析家電產品的噪聲問題。游斌等通過對軸流風輪葉片尾緣進行凹陷設計，降低葉片旋轉頻率峰值噪聲[2]；尹曉英等利用數值模擬獲得原模型風機的流場特性和氣動噪聲特性，對原風機進行優化設計，提升風機的氣動性能，降低其氣動噪聲[3]；錢紅玉等研究了不同葉片形狀和葉頂間隙對小型軸流風扇氣動性能和內部流程的影響情況[4]。上述學者通過數值模擬結合實驗驗證對風葉降噪設計、風機優化設計及不同葉型等手段來改善產品的氣動噪聲，本文從IH電飯煲的冷卻散熱模塊著手分析，以降噪為首要研究目標，對電飯煲進氣格柵、軸流風機結構、進氣面與風扇的距離等影響因素進行分析，在保證電飯煲關鍵電子元器件的散熱性能不惡化的前提下，利用CFD流場及聲場耦合仿真模擬并結合實驗驗證，來探索一套軸流風扇降噪設計的研究方法。

1 仿真模型及設置介紹

1.1 仿真模型介紹

本文所涉及的電飯煲冷卻系統如圖1所示，由于電飯煲工作過程中的主要噪聲來源于冷卻系統中軸流風機高速轉動所帶來的噪聲，因此研究的主要對象為電飯煲的冷卻系統結構部件，其主要包括軸流風機、電飯煲底座及風扇支架，其中冷卻系統主要為電飯煲電路板上發熱元器件進行散熱。

圖1 電飯煲冷卻系統部件示意圖

1.2 數學模型及算法

電飯煲內部流體流動受物理守恒定律支配，基礎的守恒定律包括：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律[5]。通過求解電飯煲內部流體流動控制方程，可以獲得電飯煲內部流場分布，對流道不合理設計處進行優化改進。

流體的質量控制方程：

流體的動量守恒方程：

流體的能量守恒方程：

Fluent軟件是當今世界CFD仿真領域最為全面的軟件包之一，具有廣泛的物理模型，以及能夠快速準確地得到CFD分析結果。采用Fluent對所研究的問題進行仿真計算，采用的是雷諾時均湍流數值模擬方法（Reynolds averaged navier-stokes, RANS），該方法對非穩態的質量、動量和能量輸運方程進行時間平均，得到一組關于時均物理量的控制方程，對不可壓縮流體的控制方程進行雷諾時均運算，可得：

Fluent計算軟件是基于有限體積法進行數值離散求解，其中湍流模型采用的是RNG k-ε湍流模型，求解方法采用的是SIMPLEC算法，相比于SIMPLE算法加快了收斂速度，針對旋轉機械流動問題，本文采用的是Fluent中提供的多重參考系（MRF）模型[6]，氣動噪聲計算采用的是寬頻噪聲模型（Broadband）[7]。

1.3 有限元模型建立

針對電飯煲冷卻系統結構的幾何處理及網格生產過程中進氣格柵和軸流風扇的結構細節都保存完整，如圖2所示，其對應的網格劃分如圖3所示。

圖2 電飯煲原始進氣格柵結構示意圖

圖3 電飯煲原始進氣格柵網格示意圖

1.4 數值計算模型驗證

搭建的風量風壓測試平臺如圖4所示，該平臺用于小型軸流及離心風機風量風壓測試，通過將實驗測試結果與最終仿真計算結果進行比較，確保數值仿真計算得出的仿真值能夠用于后期產品的開發及產品優化設計。實驗測量與仿真計算結果對比如表1所示。

圖4 風機風量風壓測試平臺

表1 實驗測量與仿真計算結果對比分析

2 冷卻系統噪聲預測及優化

2.1 流體仿真計算與噪聲預測分析

電飯煲噪聲改善的關鍵部件是軸流風扇和進氣格柵的匹配，對冷卻模塊的優化設計可以改善電飯煲整機溫升，在保證整機溫升性能不惡化的情況下，適當的降低軸流風扇的轉速，可以獲得較大的噪聲改善。目前行業內冷卻模塊的設計主要是依靠結構工程師的經驗設計，該類經驗設計并未考慮到流體在電飯煲內部流動行為以及進氣格柵結構進氣效率等問題，當遇到溫升超標問題只能通過提高風扇的轉速來進行整機溫升測試，而提高風扇轉速會導致整機風噪大幅度提高，引起消費者投訴。通過CFD仿真技術對電飯煲冷卻模塊結構的優化設計，獲取電飯煲冷卻模塊的流體流場分布，了解冷卻模塊的流動狀況，并對現有流場下流動不合理的結構進行優化，提高電飯煲冷卻模塊的空氣的進氣效率，在相同轉速下電飯煲整機溫升獲得較大的降低，從而實現在與原始產品相同的溫升條件下，通過降低風扇轉速來達到大幅度降噪的目的。

首先對電飯煲原始結構下的冷卻模塊進行流場分析，原始結構下的冷卻模塊在Z=0截面處的流場及速度矢量分布如圖5所示，可以發現軸流風扇進氣區域存在較大的渦流，大的漩渦直接影響冷卻模塊進氣效率及流動穩定性，所帶來的影響是造成葉輪旋轉過程中風噪偏高，原始結構下的Z=0和X=0截面處的噪聲分布如圖6所示，從圖中可以看出，冷卻模塊的噪聲源主要來自旋轉葉片的旋轉噪聲以及進氣格柵處氣流周期性漲縮作用下產生的噪聲。

圖5 Z=0截面處冷卻模塊的速度及速度矢量分布圖（原始結構）

圖6 Z=0和X=0截面處冷卻模塊的噪聲分布圖（原始結構）

針對原始冷卻模塊結構的有框風扇、方形進氣格柵進行結構優化設計，提出了如圖7所示的無框軸流風扇裝配方式以及傾斜圓形進氣格柵結構，優化結構下的冷卻模塊在Z=0截面處的流場及速度矢量分布如圖8所示，相比于原始結構冷卻模塊，最大風速由原來的5.3 m/s提高至8.3 m/s，優化結構下的Z=0和X=0截面處的噪聲分布如圖9所示，冷卻模塊的噪聲源最大值由原始結構下的50.7 dB(A)降低至優化結構下的49 dB(A)，在傾斜圓形進氣格柵結構下，進氣格柵處的冷卻空氣來流發展更為充分，冷卻模塊的進氣效率得到較大的提升。

圖7 電飯煲優化進氣格柵及無框風扇冷卻模塊結構示意圖

圖8 Z=0截面處冷卻模塊的速度及速度矢量分布圖（優化結構）

圖9 Z=0和X=0截面處冷卻模塊的噪聲分布圖（優化結構）

2.2 冷卻模塊噪聲驗證與分析

依據上述流體仿真計算的流場分布及噪聲分布云圖，冷卻模塊的優化方案能夠在相同轉速下提高冷卻空氣的進氣效率并且噪聲能夠獲得一定的改善，通過在半消音噪聲實驗室中對原始結構和優化結構下的冷卻模塊噪聲測試進行分析，研究優化結構下的冷卻模塊的軸流風扇高速旋轉下頻率分布情況。

圖10為原始結構和優化結構的噪聲頻譜對比圖，從圖中可以看出：優化結構在葉頻450 Hz及葉頻的2倍頻處的能量稍高于原始結構，在葉頻3倍頻處的能量遠小于原始結構。圖11為優化結構和原始結構冷卻模塊手板的噪聲測試結果對比圖，優化結構的冷卻模塊噪聲相比于原始結構下降1.35 dB(A)，其中出風量（由風機風量風壓測試平臺測試所得）由原始結構13.18 m3/h增加至17.93 m3/h，使得電飯煲整機的溫升獲得較大的改善。在滿足溫升余量充足的情況下可以為進一步降低整機噪聲而降低風扇轉速，從而達到更為明顯的降噪效果。本文將軸流風扇的轉速由3000 r/min調整下降至2800 r/min，優化結構下的電飯煲關鍵元器件的溫升保持與原始結構下溫升一致，優化結構下的整機噪聲下降2.62 dB(A)，說明本文所提出來的優化設計結構通過改善來流進氣效率，在保證溫升不惡化的情況下，降低軸流風扇轉速可以實現大幅度的降噪。

圖10 新方案對比基準頻譜

圖10 原始結構和優化結構的噪聲頻譜對比圖

圖11 原始結構和優化結構的噪聲測試對比分析

3 結論

本文以計算流體力學（CFD）作為流體與噪聲分析工具，對電飯煲的冷卻模塊的內部流場進行了仿真計算，針對底座進氣格柵不合理的設計進行了優化，將方形進氣格柵結構改為傾斜圓形進氣格柵，有框風扇改為無框風扇，經過手板打樣實驗驗證，可顯著提升冷卻模塊的進氣效率，提升進風量和出風速度。

本文所設計的冷卻散熱模塊在軸流風扇相同轉速下，優化結構下的噪聲值改善1.35 dB(A)，此時的整機溫升有較大的改善；使優化結構下的軸流風扇的轉速適當的降低，在保證優化結構下整機溫升與原始結構下的溫升保持一致時，風扇的氣動噪聲有明顯下降，通過保證整機溫升不變的情況下降低風扇的轉速達到降噪改善的目的，提升產品的競爭力。

本文通過對冷卻散熱模塊的裝配方式以及進氣格柵的結構改進，證明了CFD流體仿真計算可以應用在小家電產品上進行噪聲改善設計，值得在產品設計前端進行設計先行，后期作為設計指導，縮短小家電產品的性能改進周期，提升產品競爭力，加快產品上市時間。