空调室外机轴流风扇全流场数值模拟.pdfVIP

2 0 1 2年第 4 O卷第 4期 流体机械 7 7 文章编 号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 2 0 4 0 0 7 7 04 空调室外机轴流风扇全流场数值模拟 仲惟燕 高峰 山东科技大学 山东青岛 2 6 6 5 1 0 摘 要 以某型号空调外机轴流风扇为研究对象 建立其三维全流场整机模型 采用数值模拟方法对其在设计工况下 的内部稳态流场进行数值模拟 并预估其风扇表面气动噪声源的分布 着重分析了空调外机流场稳态速度场 压力场及 声功率级的分布规律 揭示了空调外机流场的基本特征 分析结论可为轴流风扇的优化设计提供参考 对提高其整体性 能及其降噪具有重要工程应用价值 关键词 空调 轴流风扇 全流场 数值模拟 中图分类号 T H 2 1 2 文献标识码 A d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 2 04 0 1 8 Num e r ic a l S im u la t i o n o f t he W ho le fl o w Fie ld o f a n Axia 1 fl ow Fa n Us e d in an Air Co nd it io ne r ZHONG W e i y a n GAO F e n g S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o lo g y Q i n g d a o 2 6 6 5 1 0 C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t a n a x ia l fl o w f a n u s e d i n s o me k in d o f a ir c o n d i t i o n e r t h e f u l l fi e ld 3 D mo d e l w a s b u il t and t h e n u me n c a l s i mu l a t i o n of t h e in n e r s t e a d y t u r b u le n t fl o w u n d e r d e s i g n c o n d i t io n i s p r e s e n t e d the s o u n d p r e s s u r e l e v e l was al s o f o r e c a s t e d T h e r e s u lt s d is p la y t h e c h a r a c t e r is t ic s of flo w fie ld an d a e r o d y n a mic n o is e in the a x ial fl o w f a n e s p e c ial ly t h e s t e a d y v e lo c it y fi e ld p r e s s u r e fi e ld an d t h e d is t r ib u t io n o f t h e s o u n d p r e s s u r e le v e 1 T h e r e s u lt s c a ll p rov id e b as is f o r o p t imiz in g t h e fan d e s ig n a n d t h e i n t e r t r a l fl o w and h a v e imp o r t a n t v al u e of e n g in e e r in g a p p l ic a t i o n s i n the in c r e a s e of t h e o v e r a ll p e r f o r manc e i n o p e r a t i o n Ke y wo r d s a ir c o n d it io n e r a x ia1 fl o w f a n wh o le fl o w fi e ld n u me ri c al s imu la t io n 1 前言 随着人们对空调器性能及噪声要求的 日益苛 刻 配合简短导风圈结构的轴流风扇 目前广泛应 用于分体式空调室外机的送风系统 空调外机风 路系统的设计中 整机结构都比较紧凑 对设计小 尺寸 低噪声 高效率的轴流风扇提出了更高的要 求 随着计算机技术的发展 计算机硬件 的提升 计算方法的不断改进 采用 准确而可靠的计算方 法进行数值模拟 可以计算流场内部数据 模拟流 场的各种流动细节 模拟结果可视化 形象化 可 以为流体机械的设计和改进提供依据 随着数值 计算准确性的不断提高 它完全可 以作为流动研 究的一个手段 在一定程度上取代实物试验 从而 可以减少试验周期 节省试验费 2 运用 C F D方 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 2 8 修稿 日期 2 0 1 2 0 3 1 3 法对流体机械内部流场进行数值计算分析 已逐 渐成为一种重要的技术手段 其 目 标是用数值模 拟的方法辅助流体机械产品设计 从而可大大缩 短设计周期 降低成本 提高产品质量 2 几何模型及 网格划分 本文所研究轴流风扇的具体参数为 叶轮外 径为 4 6 0 m m 高度为 1 6 4 mm 内外径 比为0 2 9 叶 片数为 3 空调外机主要结构部件包 括外 壳 冷 凝器 电机及 电机支架 以及导风圈 结构模型如 图 1 所示 目前数值计算采用的网格可分为结构化与非 结构化两大类 3 鉴 于空调外机流场复杂的几何 形状 对其整机流道全部生成结构化网格比较困 难 因此 整机三维模型采用非结构化网格划分 78 FLUI D MACHI NERY Vo 1 40 No 4 2 01 2 共生成约 2 8 0多万个 网格 整机轴 向截 面的网格 划分如图 2所示 可以看 出 风扇区域的网格适 当加密 而外 围空间速度梯 度较小 网格相对较 大 L 图 1 几何模型 3边界条件 图 2网格划分结果 进出口采用压力进 出 口边界条件 给定大气 压为进 口总压和出 口静压 进 出口定义流体流动 方向为垂直进 出口边界 给定进出口湍流动能和 湍流动能耗散率 定义进出 口回流 的湍流强度为 5 湍流粘度为 5 采 用 运 动 参 考 坐 标 系 M o v i n g R e f e r e n c e F r a m e 模型实现动 一静界面间的数据传递 给 叶 轮区域设定旋转速度 风扇壁面相对风扇区域速 度为零 电机支架 电机等固体壁面采用 Wa l l 边 界条件 属于静止壁面 外机表面和进气 口表面也 是静止壁面 旋转壁面和静止壁面均满足无滑移 壁面条件 4 数值算法 数值计算采用 R N G k一8湍 流模 型 压力 与 速度耦合采用 S I MP L E算 法 压力项离散格式采 用 P R E S T O 其余项均采用二阶迎风格式完成稳 态数值计算 计算过程中连续性 Y z 分速度及 k 的残差监测 曲线如图 3所示 可以看 出计算 到 7 0 0 0步之后残差变化趋势平稳 可以认为计算 收敛 图 3 残差监测曲线 5 C F D结果 分析 5 1 轴向截面速度场及压力场分析 空调外机轴向截面的速度矢量如 图 4所示 可以看 出 气流经过后面和侧面的蒸发器后 经过 电机及 电机支架沿轴 向流入外部空间 高速区集 中在风扇叶片周 围 轮毂附近 区域风速较低 流 出外机的气流沿锥形 向外扩展高速流出 会 在中 心区域形成较大 的回流漩涡 另外 由于电机的 存在 致使进风直接绕流 电机 虽然利 于电机散 热 但是致使进入气流绕流较大 会对气动噪声产 生不利影响 图 4 轴 向截 面速度矢量 图 5所示为空调外机轴向截面的静压云图 可以看出 由于外机内轴流风扇的旋转做功 造 成风扇区域形成低压从而从外机后侧 及两侧 吸 风 在叶轮作 用下 经导 风 圈进入 大气 相对 于周 围大气环境 叶轮 区域 附近形成 明显 的低 压 区 而且 叶片 叶尖 附近 区域存 在小 面积 的高 压区 导风圈出 口附近压力 也较高 有利于气 流 燃麓疆疆 8 0 F LUI D MACHI NERY Vo 1 4 0 No 4 2 01 2 5 3 叶片表面压力场及气动噪 声源分析 图 7所示为轴流风扇表面的静压云图 可以 看出 叶片压力面的静压值明显高于吸力面 这是 因为压力面是轴流风扇的主要做功面 通过对气 流做功将叶轮机械的机械能转化为气流 的动能 在叶片吸力面的后缘存在 明显的高压 区 说 明气 流经过前缘绕流到后缘附近时主要通过高压面区 域对气流做功 而叶片吸力面上侧存在明显的低 压区 这是因为叶片压力面及吸力面间存在 的压 差使得叶顶附近存在气流泄漏从而形 成低压区 叶顶泄漏形成 的漩涡脱落也是轴流风扇气动噪声 产生的主要 原因 8 从图 8所 示轴流风扇表 面的气动噪声源分布云图也可 以明显看 出 在叶 顶附近的气动噪声源强度最大 另外 从图 8可 以发现 轮毂附近区域的气动噪声源强度最低 说 明叶根附近气体绕流较好 同时圆周速度也较低 使得叶根区域 的噪声贡献度不是很大 8 1 I 1 l 4 4e 1 I 1 I l I 6S l 29 c 0I 9 l 1 l 薯 尊2 8 1 l a 压力 面 b 吸力 面 图8 风扇表面的气动噪声源分布云图 6结语 及气动噪声源的分布规律 可以看出 风扇压力面 及吸力面之问的压差是推动气流沿轴向流动的主 要动力 而风扇尾缘的气 流脱落是其气动噪声源 的主要原因 数值模拟结果揭示了轴流风扇内部 流场及气动噪声源分布 的基本特征 为其结构设 计以及性能优化 提供了理论依据 参考文献 1 罗荣 吴克启 空调用贯流风机系统的内流计算及 其优化研究 J 流体机械 2 0 0 3 3 1 1 0 1 9 2 2 2 L I Y a n g O U Y a n g H u a D U Z h a o h u i E x p e r im e n t a l r e s e a r ch o n a e r o d y n a mic p e rf o r ma n ce a n d e x it f l o w fi e l d o f l o w p r e s s u r e a x ia l fl o w f a n wit h cir cu mf e r e n t ia l s k e w e d b l a d e s J J o u r n a l o f H y d r o d y n a m i c 2 0 0 7 5 57 9 58 6 3 Y o u n g J Mo o n Y o n g C h o H y u n S i k N a m C o m p u t a t io n o f u n s t e a d y v is co u s fl o w a n d a e r o a co u s t ic n o is e o f cr o s s fl o w f a n s J C o m p u t e F l u i d s 2 0 0 3 3 2 3 9 95 1 01 5 4 T s u rns a k i H T s u j i m o t o Y Y o s h id a Y e t a 1 S t u d y o f cr o s s f l o w f a n i n t e r n a l fl o w b y fl o w v is u a l i z a t i o n J J o u rna l o f F l u i d s E n g in e e r 1 9 9 6 3 9 3 5 4 0 5 4 5 5 王维斌 对旋式通风机全流场内压力脉动及气动 噪声特性的数值研究 D 山东青岛 山东科技大 学 2 0 0 9 6 Y o u n g J M o o n Y o n g C h o H y u n S i k N a m C o mp u t a t io n o f u n s t e a d y v is co u s fl o w a n d a e ro a co u s t ic n o is e o f cr o s s fl o w f ans J C o m p u t e F l u id s 2 0 0 3 3 2 3 9 95 1 01 5 7 张永超 王维斌 贝广霞 等 对旋风机气动噪声 声强及压力脉动分布规律的数值研究 J 噪声与 振动控制 2 0 1 0 2 1 1 2 7 1 3 1 8 Q ia n Z D Y ang J D H u a i W X N u m e ri cal s i m u l a t io n a n d a n aly s is o f p r e s s u r e p u l s a t io n in F r a n cis h y d r a u l ic t u r b in e w it h a ir a d m is s io n J J o u rna l o f H y d r o d y n a m ics 2 0 0 7 4 4 6 7 4 7 2 9 王企鲲 陈康民 轴流风扇两种扭叶片设计方法及其 气动性能的比较 J 流体机械 2 0 1 0 3 8 9 3