風管機風口部件導風板優化設計研究

焦華超

（珠海格力電器有限公司 珠海 519070）

引言

隨著社會經濟發展和人們生活水平的提高，對家用空調的舒適性及美觀性的要求越來越高，尤其是近些年全國各地房地產價格持續攀升走高，在房市中“寸土寸金”的現象愈發凸顯，因此，暗藏式的家庭中央空調迎來了黃金的快速發展期，正在逐步吞噬著傳統掛機、柜機的市場份額，并成為空調市場的消費熱點。風管機是家庭中央空調中最受歡迎的產品形式之一，廣泛應用于住宅、酒店、公寓等多種場所。由于風管機對工程現場安裝要求以及裝修設計匹配度有一定要求，存在一些安裝不規范的情況，會明顯導致制熱舒適性不佳的問題。為解決風管機制熱舒適性的問題，針對性開發專用型的風口部件，對風口部件導風板各項參數進行優化設計和研究。

1 熱舒適性問題分析

某地區售后反饋中央空調不制熱，經調查分析，空調制熱運行時出風口溫度已經達到50 ℃，天花板處溫度達到30 ℃以上，但人所在的地面1.8 m處溫度只有15 ℃，熱風沒有吹下來。部分用戶還裝有燈槽，嚴重阻擋熱風吹下來。傳統工程風口空調制熱時容易在吊頂面產生熱聚集效應，據統計，制熱溫度設定（28～30）℃的用戶為60 %，但56 %的室內實際溫度低于20 ℃，冬季制熱舒適性溫度1.8 m處為（18～20）℃，如圖1所示。

圖1 制熱舒適性數據調查

2 氣流組織理論分析

在房間中，對人體熱舒適性影響的室內機環境指標非常多，其中，影響較為突出的并且與氣流組織密切相關的指標有兩個：活動區的平均溫度和風速。而空調器運行時影響上述兩個指標的因素主要是送風溫度、送風速度和送風角度。射流中心軌跡能很好的作為研究舒適性的工具[2]。以3.5 kW 冷量的風管內機為例，對以上幾個影響因素進行研究。

平面射流段的軸心速度：

圓射流段的軸心速度：

式中：

B—矩形孔口的半高度，平行于Z軸m；

A—矩形孔口的寬度，平行于Y軸m；

α—送風角度，即射流中心線與豎直面之間的夾角；

c—經驗系數，通常取0.082；

m—各種系數綜合值；

Vm—射流軸線上的速度m/s；

β—空氣速度在送風口面積中的不均勻系數，絕對均勻時取1；

θ—射流溫差的修正系數。

3 導風板參數優化設計

3.1 導風板葉寬設計

空調器在送風過程中導風板葉片寬度由于附壁效應，對風向的控制起著關鍵作用。

附壁效應，是指射流貼附在固體的壁面上流動的現象。如圖2所示，當射流從噴射口E-E流出并進入腔室之后，如果腔室的壁面AB和CD距離噴射口很近，并且端部距離噴射口的距離s1和s2不相等，假設s1＜s2，那么射流的兩側在相同時間內收到卷吸作用影響的介質質量不相同，右側的質量會大于左側。另外，因為射流通過邊界上的湍流摻混的作用導致傳遞到兩側的能量基本上是相同的，因此，噴射口右側的卷吸速度小，左側的卷吸速度大，從而導致左側壓力低，射流會向左側偏移。之后，左側的卷吸速度更大，壓力更低，那么，射流就繼續向左側偏移，最終完全貼附在避免上形成穩定的流動為止。只有當射流兩側存在的壓力差滿足Δp＝p1-p2時，射流才會出現附壁現象。如果改變Δp，就可以改變附壁的方向，稱之為射流的切換。如果在腔室進口的兩個變比上分別開孔，持續向低壓側補充流體，那么當控制壓力pc增加時，就會產生切換射流。

圖2 附壁效應

從以上理論分析中可以看出，導風板的葉寬對送風角度有著關鍵性的影響。

3.2 導風板葉形設計

射流軸心軌跡：

式中：

ym—射流的軸心偏離水平線的距離；

α—射流出口軸線和水平線之間的夾角；

d0—送風口的當量直徑m。

因此，設計導風板考慮減少風阻，提高出風速度，來提高送風距離，使熱風快速充斥整個房間。

3.3 導風板導風角度設計

根據射流軸心軌跡公式可知，不同的導風角度影響送風距離，適宜的導風角度可以減少風阻的同時使送風距離更遠[3]。

4 導風板參數仿真與實驗

風管機風口部件對于房間內氣流組織起到重要作用，直接影響到用戶舒適性體驗，而導風板作為出風氣流方向和角度的決定因素之一，其結構特征設計是需要同時考慮多個因素的復雜過程，各項參數對舒適性效果起關鍵作用。通常情況下，導風板的設計主要由下列因素決定，包括風口大小、葉型、葉片數量、導風角度、葉寬，以及凝露測試情況等等，如圖3所示。

圖3 導風板設計影響因素

4.1 導風板葉寬仿真與實驗

導風板的葉寬會影響到不同角度的送風距離和最終的溫度場分布，針對導風板不同葉寬進行仿真計算，在相同工況條件下，取相同位置（距離地面豎直方向2.5 m，距離風口水平方向0.5 m）的溫度進行對比，其結果見圖4所示。

圖4 不同導風板葉寬導風效果圖

同時，根據仿真葉片寬度做不同寬度的手板件進行對應工況下的實驗驗證，其結果如圖5所示。

圖5 不同導風板葉寬導風實驗效果圖

通過計算與實驗結果對比，可以得知，射流附壁效應影響，導風板隨寬度增加，導熱效果越好，其中寬度27 mm為臨界值。

4.2 導風板葉形仿真與實驗

導風板的葉形會影響到氣流方向和最終距離，對相同導風板調節出風速度，研究出風速度對送風距離的影響，其仿真結果如圖6所示。

圖6 不同出風速度的送風距離圖

通過調節內機轉速，達到仿真相同的工況下的實驗結果如圖7所示。

圖7 不同出風速度的送風距離實驗結果圖

由仿真、實驗可以看出：出風速度越大，可送達的距離越低，設計平直導風板減少風阻，提高出風速度。

4.3 導風板導風角度仿真與實驗

不同的導風角度引導送風距離不同，送風距離的遠近影響熱風能否送到人體活動區域，對人體感應舒適性有著直觀效果。

對相同工況下對不同導風角度進行仿真，其結果如圖8所示。

圖8 不同導風角度對送風距離影響圖

根據仿真結果對同工況下不同導風角度進行實驗驗證，其結果如圖9所示。

圖9 不同導風角度對制熱溫度場分布的影響圖

由仿真、實驗可以看出：導風角度越小熱風更易下降，但送風距離小，風口部件根據房間大小設置適宜的定格掃風相應推薦值角度來滿足制熱使用要求。

5 測試系統

實驗工況如下：

室外-5 ℃，室內5 ℃，3.5 kw的機組在20.05 m2房間下測試，測試要求如圖10。

圖10 測試要求

6 結果分析

導風板的參數化設計是從對人體熱舒適影響較為突出的室內環境指標中平均溫度和風速著手。而影響以上兩個指標的因素主要是送風速度、送風角度和送風溫度。導風板設計出合適的導風角度和尺寸參數成為設計關鍵，通過理論計算、仿真和實驗設計出了適合搭配機型的導風板。受射流附壁效應影響，導風板隨寬度增加導熱效果越好；出風速度越大，可送達的距離越低，通過減少風阻，提高出風速度；導風角度越小熱風更易下降，但送風距離小，風口部件根據房間大小設置適宜的定格掃風相應推薦值角度來滿足制熱使用要求。從以上分析可以得出導風板設計參數參考值見圖11。

圖11 風管機出風口部件的導風板示意圖

a可調范圍40～90 °；

葉寬應滿足40 mm≤b≤50 mm；

c=b±5 mm。

當а=45 °時：

d≥b/4；e≤3 mm；10 mm≤f≤20 mm；

g=室內機出風口的高度±10 %。

7 結論

風管機的出風口部件需要根據室內機的設計風量按照一定的比例進行設計，通常情況下要滿足出風速度在4 m/s 以上。根據氣流組織理論，出風口的導風葉片可以有效調節空調器的射流情況，從而調節室內的風場和溫度場分布，使其達到均勻的狀態。根據對出風口部件的導風葉片的葉寬、葉形和送風角度的研究，得出了平直式的寬導風葉片以及合適的送風角度，合理的設計方案可以有效的改善熱風上浮、冷風下沉的問題，引導熱空氣沉降和冷空氣上揚，提高室內的熱舒適性。本文引用的氣流組織理論分析的模型及計算仿真的方法，與實際的試驗對比，一致性較高，可以很好的指導新產品的設計，提供良好的數據支撐，并且可以簡化試驗過程，提高效率。本文中的建模方法為風管機的舒適性方案研究以及風口部件的設計提供了一定的指導。