（制冷及低温工程专业论文）空调室内机风道系统流场特性研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 空调器的室内机风道系统的流场特性对空调舒适性及噪声有着重大的影响，现有 空调的舒适性难以达到人们的要求，所以通过研究空调室内机风道系统结构参数对流 场特性的影响，可以为空调风道系统的优化设计，提高空调系统能效系数，降低噪声 等提供理论依据。 本文以计算流体力学等为理论基础，建立空调室内机风道系统的物理模型，通过 gambit 建立空调室内机风道系统内空气等温流动的三维紊流数学模型，然后采用 fluent 软件，分别对回风形式、换热器、贯流风机结构及参数等改变时空调室内机风 道系统的流场进行了模拟研究。 首先对比了下回风和后回风两种回风形式下流场特性，发现对于所研究的空调 器，无论是在下回风还是后回风方式下，室内机风道系统的流场都无法避免风道系统 流场的品质较低的现状。 然后对四种不同方案的换热器的流场的模拟看出换热器的结构形式直接影响送 风量的大小；另外选取了具有第二方案换热器的室内机风道系统为计算模型，分析可 知，对相同结构和布置方式的换热器，在相同工况下： （1）随着换热器阻力的增大， 贯流风机有效吸气面积减小，吸入口气流均匀性变差，气流绕贯流风机的旋转增强； （2）送风气流紊流度增大，舒适性降低，贯流风机性能降低； （3）室内机送风量明 显减小。 最后，仍以第二方案为计算模型，仅改变贯流风机的转速进行计算并分析： （1） 随着贯流风机转速的增大，整个流道静压变化较大，但偏心涡核心的位置并没有随转 速的改变而发生变化； （2）流经换热器各冷媒管间的气流的分配与贯流风机的转速无 关，而是由换热器的结构所决定的； （3）室内机送风量是由风机转速或者说是叶轮的 圆周速度决定的，且与贯流风机的转速近似成线性关系变化，与偏心涡等因素无关。 关键词：空调室内机 风道系统 换热器 贯流风机 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 abstract air flow field characteristics in duct system of indoor air conditioners have great influence on comfort and noise of the air conditioners. comfort of the existing air conditioners is difficult to meet peoples requirements, by studying the structural characteristics and flow field parameters, a theoretical basis can be provided for optimizing the design of duct system, increasing the energy efficiency factor of air conditioners, reducing noise and improving the quality. in this paper, the physical models of duct system of indoor air conditioners are established on the theoretical basis of computational fluid dynamics. and producing three-dimensional mathematical model of air turbulence flowing isothermally in the duct system by gambit. then simulating the flow field of duct system with fluent software respectively as air return inlet、heat exchanger and the structure and parameters of cross-flow fan changing. firstly，a comparison study on the difference of flow field between air duct system with down return inlet and up return inlet, we can know that both with down return inlet and up return inlet, the poor quality of flow field of duct system is inevitable. secondly，the results of simulating four air duct systems with different layout of heat-exchanger show that the layout of heat-exchanger have influence on the supply air volume directly. then the air duct system with the second kind of heat-exchanger is chosen as the basic model of simulation. as the heat exchangers have same structure and layout and work under the same conditions, we conclude with the resistance of heat exchanger increases as follows: (1) the effective intake area of cross-flow fan reduces, the uniform of air flow at the intake of cross-flow fan becomes poor, the rotation of air around the cross-flow fan enhances; (2) turbulence intensity of air supply increases, but the comfort decreases and the performance of cross-flow fan becomes inferior; (3) the supply air reduces obviously. finally, just change the rotate speed of the cross-flow fan and simulate with the same model of air duct system with the second kind of heat-exchanger. after the calculation and analysis，we get: (1) the static pressure changes significantly with the rotate speed of ii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 cross-flow fan increases, but the location of the eccentric vortex core does not move with the speed varies; (2) the distribution of the airflow flowing through refrigerant flow tubes of the heat exchanger has no reference to the speed of cross-flow fan but determined by the structure of heat exchanger; (3) the air supply capacity of indoor air conditioner is up to the speed of cross-flow fan. and it has no connection with the eccentric vortex and other factors but varying linearly with the speed of cross-flow fan approximately. keywords：indoor air conditioner duct system heat-exchanger cross-flow fan iii 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 课题背景及意义 1.1.1 课题背景 随着经济的发展和生活水平的不断提高， 人们对于消费的追求也越来越高。 然而， 现如今，世界各国都面临着能源紧缺问题，节能已经成为各国最关心的首要问题。为 此，国家提出了“节能减排”的政策，能源短缺以及环境问题迫使节能减排、提高资源 利用效率和降低能耗问题被提到了重要位置。 空调作为提高人们生活质量的生活用品正走入每一户人家，加上国家“家电下乡” 政策的推进，空调的应用越来越普及。然而，据有关部门统计，空调用电占用电总量 的比例也在不断上升， 在 1991 年2001 十年间， 我国的建筑能耗大概占到全国总能耗 的 27%，并预测到 2020 年，建筑能耗的比例将可能达到 35%1。而在建筑能耗中， 空调能耗约占到其中的一半，已经成为了耗能大户，因而空调节能意义巨大。 另一方面，随着人们观念的更新和对生活环境要求的提高，对空调的性能的要求 也在发生改变。根据相关部门的数据显示，目前，人们更加注重对空调的噪音指标及 送风舒适性的关注，已经超过了空调的能耗、制冷量以及价格等因素2。虽然现在各 个企业的空调噪音指标已经达到了国家规定的标准，但空调运转时所产生的噪音仍然 较大，给人不舒适的感觉。 对于空调的研发， 工程中多采用实验的方法， 然而实验方法会因为设备成本过高、 开发周期过长而造成巨大浪费3。本文以厂家提供的室内机方案进行模拟计算，通过 模拟获得室内机风道的流场、压力场等分布，对比方案的优劣，给出方案的可行性， 从而降低开发过程中实验研究所需要的成本，缩短开发周期，为空调室内机设备的生 产及改进提供一定的依据。 空调室内机风道系统具有复杂的流动特性，而风道系统的流场对于声场以及送风 的均匀性有着较大的影响，通过对风道系统内流特性的研究，掌握风道系统的流动特 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 性以及流场对声场的影响，从而实现空调风道系统的优化设计，达到提高空调系统能 效系数，优化流场，降低噪声，提高空调质量的目的。 为了响应国家的能源政策，同时满足现代消费者对空调产品所提出的特殊要求， 拟采用计算流体软件、空气动力学方法以及相关理论知识，对空调风道（包括送回风 口、换热器、贯流风机等）内流特性进行研究。 1.1.2 研究意义 本课题的开展不仅具有重大的理论价值，也具有极佳的产业前景，课题的实施将 在节能、环保方面产生较大的社会效益和经济效益。 （1）节能降耗。随着节能减排政策的广泛实施，对于空调的节能要求将会越来 越高， 现在国家已将空调的能效标准由 2.6 提升至 3.2。空调风道系统性能的好坏会影 响到空调器的换热性能、送风的效果等，通过模拟计算获得空调风道系统的三维流场 特性，优化空调室内机的结构参数，在不增加空调器生产成本以及功耗的前提下，提 高空调器的风量，而能效比 k=q/w(q 为制冷量，w 为空调功耗)，理论上，q=hv （h 为进出蒸发器的焓差，v 为循环风量） ，可见，通过优化设计风道系统，仅仅通 过改变风道结构、尺寸以及与风机的匹配关系，可以实现空调功耗不变的情况下，风 量提升 15%，能效比 k 可相应提高大约 15%，即相当于在同等风量下降低了功耗， 大大地节约能耗，在不增加空调器生产成本的情况下达到国家规定的能效标准。 （2）降低空调器噪声。随着空调器的普及，在空调器外观、性能不断提高的前 提下，空调噪声问题日益突出，受到业内人士的普遍重视，噪声问题的解决也成为提 高空调竞争力的重要手段和技术课题4。空调器所产生的噪声包括机械噪声和气动噪 声，国外的研究表明，空调器运行时所产生的噪声主要是风机风道系统运行时所产生 的气动噪声，包括贯流风机风道系统中气流的旋转和涡流、撞击等形成的噪声2。由 于空调器的室内机与室外机风道系统气流的流动特性对空调噪声有着重大的影响，而 且在改善空调器声学特性的同时必须保证系统良好的流动特性，所以必须对空调的风 机风道系统的流场进行研究。通过本课题的开展，借助先进的流体计算软件，寻求风 机风道的优化设计方法，设计出最佳的风道结构，降低现有产品的噪声，满足消费者 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 对空调器低噪声的需求。 （3）提高空调舒适性。随着现代消费观念的不断提高，人们对产品舒适性的要 求也越来越高。影响空调舒适性的因素主要包括空调噪声、送风气流的均匀性等。空 调室内机风道系统对于空调送风有一定的影响，送风的舒适性难以达到人们的要求， 所以改进空调器结构，对于提高产品的舒适性具有深远的意义。因此本课题的开展， 通过获得的室内机流场和压力场等的分别，分析空调室内机结构参数对送风特性的影 响，提出空调器改进方案，提高产品的舒适性，提升产品的国内外竞争能力。 1.2 国内外研究现状 空调器风道系统由于结构的特殊性，流动的复杂性，噪声分布的不确定性，使影 响其性能的因素异常复杂，所以对于风道系统的研究多是集中于对某一结构部件的研 究，如空调室内机的贯流风机，蜗舌等。 对于换热器的研究多集中于换热机理的研究，较多关注换热器传热过程以及内部 空气温度的分布，而对空调室内机换热器的研究，尤其是换热器对风道系统流场影响 的研究则较少。 空调室内机换热要求换热设备紧凑、 轻巧且高效， 常采用铝翅片铜管式换热器5。 2001 年，邓明义、孟明6对不同结构的换热器进行了研究，分析了直片式、组合 式、圆弧形以及多折式换热器的优缺点，认为多折式换热器优于其他形式的换热器。 文献7则具体分析了多折式换热器及局部倒片结构的特点，强调该结构能有效控制气 动噪声源。 2003 年，郝辉、陈旭等8从理论上分析了换热器的布置方式对分体式空调室内机 的贯流风机流场和声场的影响，认为圆弧形换热器为较理想的形式，并对三种具有不 同换热器布置方式的贯流风机内部流场进行了二维数值模拟，获得了与理论较吻合的 计算结果。 2004 年，胡俊伟、丁国良等9通过cfd对几种具有不同形状换热器的空调室内机 风道系统流场进行了数值计算，分析了换热器形状不同对送风量和噪声的影响，并设 计了一种弧形换热器，通过对具有该换热器的空调室内机流场进行数值模拟，证明该 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 弧形换热器能够很好地降低空调的气动噪声，增大送风量。 2009 年，薛永飞10对空调室内机进行了整体结构设计，同时建立了室内机的三 维物理模型，并利用fluent软件进行了数值模拟，通过分析空调室内机三维定常等温 流动下空调室内机的性能参数和内流特性，获得了空调室内机的流量-压降等特性曲 线。 贯流风机是空调室内机的主要结构部件，且贯流风机的空气动力噪声是挂壁式空 调室内机的主要噪声源11。 所以对于空调风道系统的研究也多集中于对贯流风机特性 的研究上。 上世纪 50 年代，德国人 b. eck12首先提出“贯流风机”这一术语，贯流风机也开 始在工业中广泛应用，人们也不断深入对贯流风机的研究。b. eck发现贯流风机内部 存在不可避免的偏心涡，而偏心涡的存在使得已经流出的流体部分倒流回贯流风机 内，造成较大的能量损失，从而影响了贯流风机的效率，因此了解偏心涡的流动是研 究贯流风机的内部流动的关键。 以后的十几年里，虽然很多研究人员致力于贯流风机的研究，但始终未能取得具 有突破性的成果。 1970 年，a. m. porter13等对一贯流风机转子的内部流场进行了热线测量，并在 水槽中实现了偏心涡演变的可视化，同时发现偏心涡可以通过改变自身的位置来适应 变化。 1975 年，yamafuji14, 15等拍摄了转子从开始转动到形成稳定的偏心涡的整个过 程，解释了贯流的形成。并且讨论了在稳定条件下，当从叶片输送到主贯流区的能量 与气流粘性耗散的能量不等时，偏心涡的位置就会发生改变，并会在新的位置达到平 衡。 1982 年，p.r.tuckey16等选取一长度为 1m，外径为 62.5cm的转子进行了实验， 测量了流量系数为 0.4-0.8 的流场，证实了在转子内部有一涡心几乎保持不变的 rankine涡。同时还指出：在贯流风机内部，其流线并非圆弧形；系统的阻力也不是决 定偏心涡位置的唯一因素； 。 之后，在 90 年代初期，一些日本学者17-19用奇点分布法或 clouds-in-cell法，简 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 要计算了贯流风机的内部流动。 1995 年，fukutomi20等通过实验研究了贯流风机的内部流场的特性，主要包括 蜗壳喉部宽度与蜗壳面积对贯流风机性能与内部流动的情况，同时对流量和蜗壳形状 改变时转子内部偏心涡涡心的变化过程进行了可视化研究。得到以下结论：蜗壳喉部 宽度与转子出口弧长的比值是影响涡的位置和风机效率的重要参数之一；当涡的位置 发生改变时，转子的排气和压力系数都有所改变，从而影响贯流风机的效率。 同年，s. tanaka和 s. murata21等采用激光多谱勒测速仪（ldv）测量了具有几 何相似的贯流风机转子的速度场以及静压分布，发现：增大转轮的尺寸，速度、涡度 和压降等参数也会因此增加，内部流场更加活跃，同时还提出了一种表示贯流风机性 能的程序。 2001 年，a.lazzaretto22-24等通过实验研究了不同蜗壳形状下，雷诺数对贯流风 机性能的影响，测试了五种形状相似、尺寸不同的叶轮在不同转速下的特性，得出结 论：雷诺数受蜗壳的影响较大，当雷诺数在 4000-15000 左右时可以使用相似准则。在 2003 年又提出一种新颖的针对贯流风机结构设计的设计规范，并依照这一设计标准 对贯流风机进行设计。 2007 年， yang-cheng shih，hung-chi hou和hsucheng chiang25采用cfd方法模 拟了贯流风机内部流场，包括简化了的风道系统以及传统的分体式空调器两种贯流风 机结构。研究发现许多相似准则都与偏心涡的涡心的总压，贯流风机进出口的总压变 化以及贯流风机的旋转速度有关。 此外， andrea tofolo26-28、 go-long tsai29和s. askari30等也对贯流风机流场特性 进行了相关研究。近些年来，国内许多学者也做了相关的研究工作。1999 年，杨波， 钟芳源31利用激光多谱勒 （ldv） 系统对不同流量下贯流风机的内部流场进行了测量。 并根据实验数据对贯流风机偏心涡的形成原因进行了分析，总结了偏心涡的位置及主 要参数等随贯流风机流量的变化规律。 2000 年，孙立群等32通过实验方法测定和计算了几种不同条件下贯流风机的压 力、流量等参数，进而研究了空调换热器和叶片倾角对贯流风机性能的影响，得到了 贯流风机效率最高时的叶片倾角值。而后孙立群33等又通过热线流速计等工具，测得 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 有无换热器情况下贯流风机出口处相对紊流强度的分布以及速度脉动的频谱分布。 2002 年，王红雨，区颖达34以贯流风机的基本气动方程为基础，利用专用程序 对文献中的结果进行了计算，得到了与文献较为一致的结果。同时指出几何外形变化 不大时，核心区基本不发生变化。 2002 年，王晓文、徐庶民等3 采用烟迹和闪光照相的方法对贯流风机的内部流 场进行了可视化研究，得到了贯流风机内部瞬态流场照片，并通过测量多点的总压和 静压得到了速度分布。 2003 年，罗荣，吴克启35主要研究了蜗壳形状和蜗舌间隙变化对分体式空调室 内机贯流风机系统性能的影响，并比较了贯流风机内流计算结果和实验数据，指出了 贯流风机外部性能变化的内流机制。 2004 年，游斌、吴克启36采用非定常n-s方程、k-方程模型模拟了贯流风机内 部偏心涡的产生、发展、耗散、消失的演化过程，模拟结果显示：偏心涡产生于贯流 风机排气侧，且早于贯流的产生，随后偏心涡横穿叶轮内部移动至送风侧叶片内圆周 处，由于旋涡在该处的不稳定性，使得气流最后又被吸入贯流风机内部。 2004 年，胡俊伟、丁国良37等利用star-cd软件对贯流风机内部气体流动进行 数值模拟，分析了气流的流动状态和贯流风机结构参数的变化对贯流风机系统的影 响，并阐述了进口角、蜗舌间隙、蜗壳等参数变化对涡心位置以及贯流风机进、出口 流速的影响。 随着计算机科学的迅速发展，加之数值计算理论的成熟及数值计算的显著优势， 近几年，许多研究人员多采用流体动力学计算方法对贯流风机流场系统进行研究，比 较有代表的有：吴克启38-40、张师帅41-45等。 1.3 本文主要工作 本文以研究空调室内机风道系统流场特性为目的，选取某企业所提供的模型进行 数值模拟，分析风道系统的压力场、速度场等，从而定性地分析风道系统的优劣以及 造成流场特性不佳的原因，为室内机风道系统的优化设计提供理论基础。 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 本文的主要工作包括以下几个方面： （1）针对所提供的室内机模型，进行物理建模，然后通过 fluent 软件进行数值 计算， 得出相应的结果， 通过后处理软件获得相应的压力场、 速度场分布和性能曲线； （2）对下回风和后回风口两种不同回风形式下的室内机风道系统流场进行计算， 分析其流场特性； （3）对四种不同结构形式的换热器以及特定形式换热器阻力不同时的风道系统 流场进行数值计算，通过计算结果分析换热器的结构以及换热器阻力对风道系统流场 特性的影响； （4）通过改变贯流风机转速，获得贯流风机在四种不同转速下室内机风道系统 的流场特性，分析了转速改变对于风道系统流场特性的影响。 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 空调室内机风道系统流场数值模拟基本理论 2.1 概述 cfd 是计算流体力动力学（computational fluid dynamics）的简写，是集流体力 学、数值计算方法以及计算机图形学于一体的模拟技术，主要通过计算机进行数值计 算和图像显示，分析流体流动和传热传质等现象。cfd 技术已广泛应用于能源机械、 石油化工、航空航天、船舶冶金等领域。 虽然cfd技术有了很大的发展，但在中国的应用却只是近十年左右，计算机技术 的迅速发展为cfd的普及应用提供了硬件环境，而其他许多通用软件的发展也为cfd 技术的进步创造了良好的外部条件。 由于cfd具有适用性强、 应用面广等优点， 且cfd 不受模型和实验条件等的限制，对于一些特殊尺寸、高温、有毒等实际实验条件无法 达到的情况也可以很方便地应用46。 cfd软件的应用基本包括三个环节：前处理、求解和后处理46。具体来讲，cfd 的求解一般包括：建立模型、划分计算网格、检查网格、设置边界条件、建立控制方 程和离散方程、设定控制参数、迭代方程、判断收敛性、显示并输出收敛结果。 由国内外的研究现状来看，最近十几年来，应用 cfd 技术进行研究，指导实践 的例子已有很多。而空调风道系统内部结构复杂，且各结构参数对空调器性能的影响 较大，即使些微的改变可能会引起性能的巨大差异，而通过实验的方法虽然可以获得 更加接近实际工况的结论，但实验的周期较长、成本较高，人力物力消耗大。为了节 约研发成本、缩短研发周期，并能够获得需要的实验结果，本文采用 gambit 软件建 模，通过 fluent 软件进行数值计算。 2.2 空调室内机的物理模型 研究所采用的模型为某企业提供的设计图纸，其结构图如图 2-1： 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2-1 空调室内机结构图 空调室内机内部结构整体来讲可以分为：进风口（或者回风口） 、换热器、贯流风 机、蜗舌、蜗壳及送风口（有调节板）等。回风口处不设置风量调节装置，风量的改 变通过贯流风机的转速来实现47。 图 2-2 空调室内机平面图 图 2-3 空调室内机平面图简化 首先对 cad 图纸，即将图 2-2 空调室内机平面图进行简化，去除最外部与流体 不相接触的结构，得到图 2-3： 由 cad 中先生成面域，然后输出为*.sat 格式文件，再将输出的*.sat 文件导入 （importacis）gambit 软件中，就会得到在 gambit 中的一个面。在 gambit 中，将 面延伸即得到整个风道系统的模型，获得流体域。 2.3 计算区域及网格划分 数值计算就是将在实际工程中连续的问题在空间或者时间上进行离散化，然后求 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 解离散方程，所以要想计算，首先要对实际物体进行网格的划分。目前在使用cfd软 件计算时，有超过 50%的时间是花费在几何区域的定义以及网格的划分上的46。对于 实际的工程问题，许多物体结构都较为复杂，能否正确高效的划分网格，划分的网格 质量的高低也就成为计算成败的关键问题之一，高质量的网格可以快速收敛且结果合 理，而质量较差的网格可能会导致收敛缓慢或不收敛，甚至计算错误，可见网格划分 的优劣决定了数值计算结果的好坏。 网格的划分是在几何建模之后进行的，常用的网格划分软件有：gambit、icem 等。本课题采用专用的 cfd 前处理器gambit 进行几何建模和网格的划分。 网格种类和网格的数量是决定网格质量的关键因素。从网格的构造来说，可以分 为结构化和非结构化两种。对于结构网格，其节点是以阵列形式排列，便于矩阵演算 与操作，非结构网格对网格节点没有结构性的限制，相对于结构网格更加灵活，生成 的网格质量较高。 一般情况下， 二维问题的主要网络种类有三角形单元和四边形单元； 三维问题中，有四面体、六面体、棱锥体、楔形体和多面体单元。 空调器内部结构参数为：贯流风机外径 d=95mm，长度 l=685mm，换热器胀高 700mm。考虑模型的对称性以及计算机的运算能力，故截取模型长度 l=30mm 的一部 分进行计算，同时将不参与计算的部分体去掉，得到简化后的模型。 由于空调器风道系统的复杂性，尤其是贯流风机叶片部分，结构尺寸较小，必须 保证网格尺寸较小，而为降低网格数量，有要设置其余结构处为较大尺寸，故特对叶 片部分做加密设置，在叶片内外作两圆，半径分别为 39.5 和 49.5，将圆环区域作为一 个体域进行网格的划分。 另外，考虑到边界条件设置，距离送回风口一定距离处压力才为零，因此需对回 风口（空调器入口）和送风口作适当延长，以符合实际情况。整个风道系统划分的流 体域情况为：风口至换热器上游面、换热器上面一折、面两折换热器、贯流风机内外 圆环、贯流风机内部、入口延长区域、出口延长区域，其余部分为一个体，共按 8 个 体进行网格的划分，如图 2-4所示： 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 a.未设延长区域 b.设置延长区域 图 2-4 流体域划分 流体域的划分通过 gambit 中的布尔运算来实现，需要说明的是对于叶片和换热 器管部分所占体域要除掉，另外相邻的体应用 split 命令分体，从而使接触面的特性 为内部面，在网格划分时可以保证交界面上的网格一致。 图 2-5 网格划分 在划分网格时，风道系统结构复杂，难以按结构化网格进行划分，故均采用非结 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 构化网格进行划分，划分完成后，如图 2-5所示。 网格划分完毕，为了解网格质量，必须要对网格进行检查，否则所做的工作有可 能都成为无用功，对于网格质量的检查可以通过两种方法实现： （1）在 gambit 中划 分完网格后，可以通过 check 来检查，一般要求最差网格小于 0.85 以下，或者说网格 的扭曲度控制在 0.850.97 之间的网格数量不大于 1%。 （2）将*.msh 文件导入 fluent 之后，可以通过 gridcheck 来检查，只要保证最小网格的值为非负值即认为网格质 量可以接受。 而对于网格数量，总的要求就是在满足计算精度的条件下，网格数量越少越好， 网格的数量大，得到的*.msh 文件就相对较大，计算占用较大的内存空间，收敛过程 缓慢。当然网格数量越大，计算结果也就相对越精确。一般情况下，对于一台 1g 的 计算机，一般可以控制网格数量不大于 100 万。 通过检查网格，其最差网格质量值小于 0.85，符合计算精度的要求。 2.4 空调室内机风道系统流场的数学模型 数学模型主要是指空调室内机风道系统流场应遵循的控制方程，控制方程 （governing equations）满足流体流动所遵守的基本的守恒定律：质量守恒定律、能 量守恒定律、组分守恒定律等。而 navierstokes 就是对质量守恒、动量守恒和能量 守恒的数学描述。 2.4.1 连续性方程 质量守恒方程又称为连续性方程，是任何流体流动所遵循的基本定律之一，可简 单表述为单位时间内进入空间某一微元体的流体质量与流出该微元体的流体质量相 同。 流体运动微分形式的连续性方程48： )()() 0 uvw txyz += ( （2-1） 考虑风机内部流体介质为空气，而风道内空气的流速不大于 20m/s，认为气体为 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 不可压缩流体，这样也简化了计算。对于不可压缩流体，连续性方程简化为： 0 uvw xyz += （2-2） 文章研究流动为稳态流动，则密度不随时间变化，即密度对时间的微分为零，连 续性方程为： )()() 0 uvw xyz + ( = （2-3） 2.4.2 动量方程 动量方程又称为运动方程，反映了在流动过程中作用于某种介质上的外力的总和 等于动量对时间的变化率。 以应力形式表示的运动方程48： () (u)() u u divudivgradus tx += + （2-4） () (u)() v v divvdivgradvs ty += + （2-5） () (u)() w w divwdivgradws tz += + （2-6） s 、s 、s 是运动方程的广义源项，、 、是速度矢量在 uvw uvwx、y、 方向上 的分量。 z 本课题由于只讨论风道系统内的流体流动情况，不考虑换热器的换热，整个计算 均认为等温流动，无传热问题及温度的分布问题，所以计算过程中也不必使用能量守 恒定律。此处不再对能量方程进行阐述。 2.4.3 湍流模型 自然界常见的物理现象和工程实际中许多流体流动都是湍流流动，流动的特点是 流体质点在三维方向上存在不均匀的扩散现象，速度、压力等参数具有脉动特征。本 文所研究的风道系统流体的流动可认为湍流流动。 fluent提供的湍流模型包括：spalart-allmaras（单方程）模型、standard -k（标 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 准-k）模型、rng -k(修正的k-)模型、les（大涡）模型等。对于湍流模型的 选择应该根据流动中所包含的物理现象、边界条件、计算精度等的要求来决定48，本 数值计算考虑计算的精度和计算的经济性，选用标准-k模型，此处仅对该模型方程 进行描述48： 标准-k模型是半经验公式，包含湍流动能方程和耗散方程k，其中方程是 精确方程，而 k 为经验公式得到的方程，该模型假定流动为完全湍流，且分子间的粘 性作用可以忽略。 k-模型的方程48： ()( x ) t ikbmk ijkj k kkuggys txx +=+ ( （2-7） 2 132 ()()() t ikb ij ucgc gc txxkk s +=+ ( + （2-8） 式中，、分别为由平均速度和浮力产生的湍流动能， k g b g m y为可压湍流中脉动 对总耗散率的贡献部分， 1 c 、2 c 、3 c 是经验常数，k 、 分别为湍动能和耗散 率 k 对应普朗特数，、 k ss均为自定义的源项。 2.5 空调室内机风道系统流场数值模拟的参数设置 2.5.1 边界条件 边界条件是用于说明计算区域与周围环境之间的相互关系，或者说是求解变量在 空间和时间上的变化规律。fluent提供的边界条件主要有49：wall、velocity-inlet、 pressure-inlet、outflow、pressure-outlet、interior、interface等，其中： wall（壁面）主要指流体无法流过的固体区域。 velocity-inlet（速度入口）即在入口处给定流体一定的速度，用于定义流动入口 流体的速度大小和方向。本研究中认为流体流动为不可压缩流体的流动模拟，该条件 适用，而对于可压流体存在该条件存在一定的波动。 pressure-inlet（压力入口）可用于定义流动入口的总压及其他相关标量。本文模 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 拟过程中因设置了延长区域，其总压近似于大气压力，故采用此边界条件。该条件主 要用于已知入口处的压力，而流量或速度未知的情形。 pressure-outlet(压力出口)即给定出口边界的静压值，本模拟过程由于出口存在回 流现象，所以该边界条件较 outflow 更容易收敛。 对于 interface 与 interior 的区别主要是 interior 为流体区域内部面，流体可以流经 该面，而 interface 为两个体的交接面。 此外，fluent 还提供了许多边界条件的设置，比较丰富，可以适应用户对流动现 象的灵活描述。 本文对于空调室内机风道系统内流动过程的研究，仅考查流场内空气的流动或者 压力特性，对温度场的变化情况不作探讨，不考虑空气流经换热器存在的换热问题， 即认为流体流动为等温流动，设温度为 20，空气密度为 =1.20kg/m。整个流体域 的边界可分为旋转区域和静止区域，贯流风机及其内部流体域为旋转区域，采用旋转 坐标系，其余为静止区域，具体设置为： 1）以回风口延长区域的周边作为入口边界，因为实际工作中回风为室内静止空 气，可以认为总压为零，本课题所做工作入口边界条件均设置总压为 0pa； 2）以送风口延长区域的周边作为出口边界，设为压力出口更为符合实际工作情 况，且在出口处有一定的回流，设为压力出口也更容易收敛，背压值可取 050pa，本 课题所做研究均设置出口边界静压为 0pa。 3）贯流风机部分的条件设置比较麻烦，因为贯流风机有一定角速度的旋转。其 处理方法：将贯流风机所在流体域外边界所包裹的所有体域设为旋转区域；运动类型 设置为动坐标系，根据各研究对象的不同设置不同的贯流风机转速，方向为 z 轴负方 向； 4）另外，考虑换热器翅片阻力较大，对贯流风机吸气口有一定的影响，设置换 热器阻力损失系数kl的值。 5）其余表面按默认设置，即内部面为 interior，外部为 wall，外部壁面满足无滑 移条件。 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.5.2 离散方法 我们知道描述流体流动及传热等物理问题的基本方程为偏微分方程，以现有的数 学理论， 在大多数情况下很难得到它们的解析解， 但为了研究这些问题， 求得近似解， 我们可以将偏微分方程转化为比较成熟的代数方程来求解。离散的目的简单说就是将 连续的偏微分方程及其求解条件按照一定的原则在计算区域的离散网格上转化为代 数方程，从而通过计算代数方程组获得偏微分方程的离散近似解50。 常用的离散化方法主要有有限差分法（fdm） 、有限元法（fem）和有限体积法 （fvm）50。三种方法各有优缺点，有限差分法产生较早，发展也相对较为成熟，故 应用较为广泛；有限元法也广泛应用于流体力学的数值计算，但求解速度相对其他方 法较慢， 而有限体积法计算的效率较高， 发展也较迅速， 是一种较有潜力的离散方法。 离散格式有中心差分格式、一阶迎风格式、二阶迎风格式、指数格式等，其中一 阶迎风格式多用于流动与网格对齐的情况，比如对使用了四边形或六面体网格的层流 的计算；而对于三角形或者四面体网格，由于流动斜穿网格线，采用一阶离散格式会 产生较为明显的离散误差，采用二阶迎风格式较为合理；由于本文存在贯流风机的转 动，采用 quick 离散格式会优于二阶迎风离散格式，但考虑到收敛的情况以及精度的 要求，二阶迎风格式可以满足计算要求，故本文模拟采用二阶迎风格式。 2.5.3 收敛条件 压力-速度耦合采用 simple 算法，压力为标准离散格式。计算的初期，松弛因 子采用默认值，但由于计算出现了不稳定的情况，为获得较好的收敛值，使计算趋于 稳定，故修改松弛因子的动量项、湍流动能项、湍流耗散率项分别设置为 0.3、0.4、 0.4，其余项仍采用默认值。 2.6 本章小结 本章结合模拟所采用的 gambit 和 fluent 软件，简单讲述了相关理论知识。包括 网格划分、离散的方法、控制方程、湍流模型与边界条件等。使后文的模拟工作更加 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 清晰：数值分析采用三维 navier-stokes 方程，网格的划分采用非结构化网格，选用 标准-k双方程模型，壁面条件为标准壁面函数，计算方法为 segregated 隐式算法， 湍流动能、湍流耗散项、动量方程都采用二阶迎风格式离散；压力-速度耦合采用 simple 算法。 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 回风口对风道系统流场特性的影响 3.1 概述 空调室内机风道系统流场的优劣影响空调的噪声以及出风的均匀性，而回风进入 风道系统首先通过回风口，所以回风口会干扰气流的流动，从而也会对整个风道系统 的流场造成影响。改变进出口设计可以降低空调噪声，优化空调器51。 本章研究的不同回风口的两种形式：下回风和后回风，如图 3-1所示： a.下回风 b.后回风 图 3-1 空调室内机结构示意图 两种回风形式下室内机结构，只有回风口的位置存在不同，其余的各部分参数均 相同，在进行模拟计算时，设置相同的边界条件，就可以获得下回风和后回风两种不 同回风方式下空调室内机风道系统流场的不同之处。 3.2 不同回风口位置下风道系统流场的数值模拟 模拟过程主要是通过物理模型的建立，网格的划分，控制方程的选择，边界条件 以及收敛条件的设置等步骤，详细情况已在第二章中有所阐述，此处不再赘述，仅作 简单的描述。 3.2.1 物理模型的建立 按照第二章所提到的过程，首先对空调