空调器室内机气动噪声模拟

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 卷第 期 年 月 机 械 工 程 学 报 取 空调器室内机气动噪声模拟 胡俊伟 丁国良 张春路 上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 摘要 采用数值模拟的方法对空调器室内机气动噪声进行了计算 , 分析了室内贯流风机蜗舌处的压力脉动 , 并通 过 方程和快速傅里叶变换得到了蜗舌处旋转噪声频谱 。 通过对旋转噪声频谱的分析 , 证明了采用不等距叶轮 可大大降低贯流风机基频处噪声 , 使基频的声能分布到较宽的频带范围内 , 并且可以使基频的峰值移到低频部分 , 从而使风机的噪声干扰能力大大降低 。 同时通过对各种不等距叶轮的旋转噪声频谱进行分析 , 提出了一种能够有 效降低贯流风机旋转噪声的不等距叶轮结构 。 关键词 空调器 贯流风机 气动噪声 数值模拟 中图分类号 究可以弥补试验中存在的缺陷 。 前言 采用数值模拟的方法可对空调器室内机气动噪 随着生活水平的提高和消费观念的更新 , 人们 对于空调的要求也在发生变化 。 据有关部门的市场 调查 , 目前消费者对空调的噪声指标非常关注 , 远 远超过了价格 、 制冷量和耗电等其他因素 。 空调器 所产生的噪声包括机械噪声和气流噪声 , 但气流噪 声远大于机械噪声 。 空调器室内机运转时所发出的 噪声主要由进气口噪声 、 贯流风机噪声 、 换热蒸发 器噪声以及排气口噪声组成 。 研究表明 , 噪声主要 成分是贯流风机运行时产生的气动噪声 , 包括气流 的旋转和涡流噪声 。 因此 , 如何才能有效地降低贯 流风机气动噪声变得越来越重要 。 目前 , 对空调内贯流风机的噪声研究主要还是 以试验为主 〔周通过试验的方法 , 对家用分 体式空调内贯流风机的噪声进行了研究 , 提出了优 化贯流风机结构来降低空调器内旋转噪声的方法 。 、 丫 等曾通过试验提出了利 用频率调制的方法来降低贯流风旋转噪声的方法 。 陈次昌 研究了贯流风机转子尺寸和蜗舌间隙对 贯流风机流场和声场的影响 , 提出贯流风机结构参 数的合理选择匹配不但可提高贯流风机效率 , 而且 可降低噪声 。 徐庶民等 通过试验的方法对贯流风 机气动噪声的分析 , 研究了采用不等距叶轮的降噪 机理 。 完全依赖试验对贯流风机进行研究 , 有许多不 利之处 。 例如 , 试验中贯流风机的结构变化比较困 难 系统地测试各参数对风机性能的影响 , 工作量 太大等等 。 而用数值模拟的方法对贯流风机进行研 声进行计算 , 分析室内贯流风机蜗舌处的压力脉动 , 然后通过 方程和快速傅里叶变换得到蜗舌处 旋转噪声频谱 。 同时通过对各种不等距叶轮的旋转 噪声频谱进行分析 , 寻找出一种能够有效降低贯流 风机旋转噪声的不等距叶轮结构 。 结构特点 挂壁式空调室内机风道系统一般由热交换器 、 横流风轮 、 蜗壳和蜗舌组成 , 图 为一种带四折式 热交换器的室内机 。 被研究的空调器贯流风轮结构 参数为 风轮长度 、 风轮外径 、 内径几 , 叶片数 , 风轮转速分 别为 、 、 。 热交换器为翅片管式 热交换器 , 管子外径 , 横行管间距 扣 , 纵向管间距 , 翅片厚度 , 翅片间距 。 热文换易 拐充 橄流风轮 收到初稿 , 收到修改稿 图 室内机结构示意图 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 年 月 胡俊伟等 空调器室内机气动噪声模拟 模型的建立及网格的划分 采用 算法和 刁高雷诺数湍流模型对贯 流风机内部非稳态流场进行求解 。 对流项采用二 阶迎风差分 , 粘性项采用中心差分 。 由于贯流风 机转速较低 , 因此计算按不可压流动处理 。 为了 模拟叶片的运动 , 采用规则界面滑移法进行处理 。 室 内机进 口处速度一致 , 出 口处取大气压为压力 边界条件 。 选取计算域时 , 将进 、 出 口流道的区 域均延长为叶轮外径的 倍 。 热交换器处为周期 性边界条件 。 计算采用非结构化网格 , 网格的划分按两部分 进行 , 其中静网格部分 热交换器 、 风机蜗壳 、 蜗舌 在前处理模块 中进行 , 而旋转网格部分 贯 流风轮 的生成在 一 中完成 。 静网格区网 格数 , 旋转区网格数 。 图 分别为室 内机计算域网格图 。 和轴流式风叶 , 气流是两次流经叶片 , 由贯流风轮 上部的叶片进入 , 从贯流风轮下部的叶片流出 , 造 成上下气流在风轮内部形成一个流动旋涡 。 这种旋 涡的大小和位置不同程度地影响室内机的通流能力 和噪声 。 由于这种内涡流的存在 , 使已经排出的空 气又倒流回风轮内部 , 这种回流造成了很大的能量 损失 。 贯流风机的效率就取决于这种回流流量在总 流量中所占的比例 , 所以控制这种偏心涡的大小和 位置将对改善贯流风机的流场有很大作用 。 旋涡的 大小对噪声也有较大的影响 , 为了降低噪声并增加 风量 , 应该使旋涡最小 。 石忿号哆导 夕 夕豁 劝 速度场 。 叫气。。图 计算网格图 模型的验证与分析 为了验证所使用的 模型的正确性与合理 性 , 先对一种带四折式热交换器的空调器室内机进 行了模拟 。 邓明义等 曾用试验的方法对具有同种 热交换器的空调室内机出口风量进行了测量 。 计算中采用了定时间步长 , △ 一 。 计 算过程持续到一个准稳定状态 , 在该状态下 , 气流 的运动由两部分迭加而成 一是时均稳态流动 , 它 反映稳定时的情况 , 即足够长时间内的平均情况 另一个是脉动 , 它反映运动起伏情况 , 它随时间的 平均值为零 。 到达这一过程通常需要叶轮旋转 圈以上 。 图 为到达准稳定状态时的速度和压力等 值线图 。 由图 可看出 , 风轮内侧存在一个能控制 整个气流流动的偏心涡流 , 该涡流的旋向与风轮的 转向一致 。 这是由于贯流风轮结构不同于离心风轮 压力场 图 流场等值线图 图 为转速 五 , , 时空调室内机出口流量模拟结果与试验结果网的比 较曲线 。 其横坐标为风机转速 , 纵坐标为出口风 量 犷。 图 显示随着贯流风机转速增大室内机出口 流量是增大的 。 从该图可以看出计算结果与试验结 果基本一致 , 平均误差为 , 且计算与试验结 果均反映出室内机出口流量随贯流风机转速的增大 而增大这一特点 。 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 机 械 工 程 学 报 第 卷第 期 奋 侧 值 一乡 计算值 ︵。 转速 · 一 图 转速一流量曲线 首先对前面带四折式热交换器的空调器室内机 进行了模拟 , 此时采用的叶轮为等距的 , 风机的转 速为 。 图 显示了由于叶片尾迹冲击蜗 舌而产生的压力波动随时间的变化 。 由图 可看出 , 等距叶轮产生了一种幅值为 、 类似于正弦波 的周期性压力脉动 。 同时 , 通过 方程以及快 速傅里叶变换 , 贯流风机蜗舌处的旋转噪声频谱能 够被计算出来 图 。 如图 所示 , 在频率为 处有一个噪声声压级为 的峰值 , 同时在频率 近似为 的整数倍处也出现了峰值 , 并且随着 频率的增大峰值在逐渐减小 。 卜奋已︶、考训解 一 室内机气动噪声分析 一 空调器室内机贯流风扇气动旋转噪声产生的原 因 由于空调内贯流风机叶轮叶片尾迹的存在 , 气 流的速度和压力都不均匀 。 这种不均匀的气流作用 在蜗壳上 , 于是在蜗壳上形成了压力随时间的脉动 。 尤其在蜗舌处 , 由于该处与叶轮的间隙较小 , 这将 产生更强的压力脉动 , 因而形成了叶片通过频率和 其谐波的有效声辐射 。 对于等距叶轮 , 旋转噪声的频率可通过理论计 算得到 一 乏叭只田 一 一望 一婴 时间 八 图 等距叶轮蜗舌处压力随时间的变化 尸 机国寸肠田极 式中 —叶轮的转速 —叶片数 —谐波序号 为基频 , , , ⋯为 高次谐音 。 从噪声强度来看 , 基频最 强 , 其高次谐音总的趋势是逐渐减弱的 对空调器室内机进行声场计算 , 预测了蜗舌处 由于压力脉动产生的噪声声压级并分析了该处的旋 转噪声频谱 。 声压的计算通过 方程得到 · 饭 、 」 , , 、 气 , — 代于戈 亡二 改 ‘“ ‘ 月 ‘ 又 夕 式中 —声速 —从声源到观测者的位置矢量 —声源表面法向矢量乃 —蜗舌表面处的瞬时压力 —蜗舌表面面积声压级舒 由下面的式子决定 , 一 二 胡 又夕 式中几 口 。 旋转噪声频谱通过快速傅里叶 变换得到 。 , —花丽一屁绷卒刀 图 等距叶轮蜗舌处旋转噪声频谱 由前面旋转噪声频率理论公式 计算可知 , 正好是旋转噪声的基频 , 而 的整数 倍频率为旋转噪声的高次谐频 。 许多研究表明采用不等距叶轮可以有效减噪 , 但叶片在叶轮上该如何分布至今还没有一个统一的 规律 。 目前采用随机选取法 , 所得到的降噪效果也 有一定的随机性 。 通过对带各种不等距叶轮的室内机进行计算 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 年 月 胡俊伟等 空调器室内机气动噪声模拟 国之寸彩田极 分析表明 , 以下这种结构的不等距叶轮能够有效地 降低蜗舌处的旋转噪声 。 不等距叶轮叶片数依然为 , 叶片分布如图 所示 , 沿叶轮周向对称分布 , 首先是 个夹角为 的叶片 , 紧接者是 个夹角为 的 叶片 , 然后又是 个夹角为 的叶片 , 依次 类推布满整个圆周 。 抓率 图 不等距叶轮蜗舌处旋转噪声频谱 图 不等距叶轮结构示意图 图 显示了不等距叶轮由于叶片尾迹冲击蜗 舌而产生的压力波动随时间的变化 。 由图 可看 出 , 由于不等距叶轮的作用一种不规则的周期性 波动产生了 。 图 为通过 方程以及快速傅 里叶变换得到的贯流风机蜗舌处旋转噪声频谱 。 由图 可看出 , 基频 处声压级得到了明显 的降低 , 由等距叶轮时的 降到了现在的 。 同时在频率为 到 之间出现了 三个峰值 。 这表明不等距叶轮使基频的声能分布 到较宽的频带范围内 , 并且可 以使基频的峰值移 到低频部分 , 从而使风机 的噪 声干扰能力大大 降低 。 采用数值模拟的方法对空调器室内机气动噪声 进行了计算 , 分析了室内贯流风机蜗舌处的压力脉 动情况 , 并通过 方程和快速傅里叶变换得到 了蜗舌处旋转噪声频谱 , 通过对旋转噪声频谱的分 析 , 证明了采用不等距叶轮可大大降低贯流风机基 频处噪声 , 使基频的声能分布到较宽的频带范围内 , 并且可以使基频的峰值移到低频部分 , 从而使风机 的噪声干扰能力大大降低 。 研究结论如下 。 提供了一种分析空调室内机气动噪声的有 效方法 , 即采用数值计算分析压力脉动 , 并结合 方程和快速傅里叶变换得到气动旋转噪声频谱 。 提出了一种能够有效降低旋转噪声的不等 距叶轮结构 , 即叶片沿叶轮周 向对称分布 , 首先是 个夹角为 的叶片 , 紧接者是 个夹角为 的叶片 , 然后又是 个夹角为 的叶 片 , 依次类推布满整个圆周 。 参 考 文 献 一 目 山 飞 一 。 只 田 时间 不等距叶轮蜗舌处压力随时间的变化 伪 ’ 一 几叮 旧 ‘ 到 , , 切 , , 一 , 一 一 几 , , 伪 一 田旧 邝叮 图 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 机 械 工 程 学 报 第 卷第 期 以 , 徐庶民 , 徐立功 不等距叶轮贯流风机的噪声分析 暖 通空调 , , 邓明义 , 孟鸣 , 王军 , 等 多折热交换器及其局部倒片降 低空调室内机气动噪声的研究 流体机械 , , , , 旧 介 州 , 智乃刚 , 萧滨诗 风机噪声控制技术 北京 机械工业出 版社 , 万扮 ’ 林 扭‘“ 护 如 卿 , 口 王 , 仰 , 口 扮 ‘ , 阳 以 说 助 】, 朗五 丘口 口 刘 加甲 卿 , 加 丘 以 仓以担 即 巧 一 汕 叻 界扭 八治别比 , 的 吐 一 让 巧比 一 切 宜 作者简介 胡俊伟 , 男 , 年出生 , 博士研究生 。 主要从事空调气动 与声学性能的研究 。 一 一 比