暖风机风道降噪研究与优化

暖风机风道降噪研究与优化

王启龙，李玉泽，骆妍

珠海格力电器股份有限公司      广东珠海519070

摘要：本文结合某暖风机风道通过对风道蜗壳进行结构优化，利用Fluent数值模拟的方法预测贯流风道的内流状况，深入分析流场和噪音分布，为风道降噪设计进行研究，对后续开发人员在暖风机风道设计上起一定的参考作用。

关键词：旋转噪声；涡流噪声；降噪

Abstract：In this paper, the structure of volute is optimized, the internal flow condition of tubular duct is predicted by Fluent numerical simulation method, and the flow field and noise distribution are deeply analyzed, so as to study the noise reduction design of duct and play a certain reference role for subsequent developers in the design of air duct of heater.

Key words：blade passing frequency noise; vortex noise; noise reduction；

1 引言

贯流风机的空气动力噪声是挂壁式空调室内机组以及暖风机的主要噪声源。贯流风机主要由叶轮、蜗壳和电机组成，气流两次流经叶片，由贯流叶轮上部的叶片进入，从贯流叶轮下部的叶片流出，造成上气流在叶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组的通流能力和噪声[1-2]。由于贯流风机空气动力噪声相应的设计理论尚未成熟，所以目前降噪技术主要通过试验实施。由于实验装置和测试方法等实验条件的限制，仅仅采用实验研究的方法，目前还不能完整地显示工程应用环境下贯流叶轮内复杂的流动结构以及流道对风机性能的影响，因此在设计中，应用数值计算模拟的方法来模拟风机内部流场越来越引起重视[3-4]。本文结合某暖风机风道通过数值模拟的方法预测贯流风机的内流状况，减少实际的实验。

2 暖风机噪音问题的研究

暖风机贯流风道的噪声源主要可以分为两个部分，其一是宽频低幅的湍流噪声，其二是窄频带高幅值的通道噪声(旋转噪声)。一方面通道噪声作为贯流风道主要噪声源，人耳更难接受通道噪声这类离散性的噪声。另一方面湍流问题研究的复杂性，决定了目前对于贯流风道降噪的研究主要集中在如何离散通道噪声频谱上。对于离散通道噪声频谱措施的应用及研究，主要集中在对贯流风轮以及蜗壳的改造上[5]。

3暖风机风道降噪分析

3.1暖风机风道分析

图1 风道对比图

暖风机风道相较于壁挂机风道，因为没有蒸发器组件，因此进风压力更小，但暖风机出风口处安装有PTC，因此出风压力较大，尤其PTC通电加热后，风阻会进一步提高。该暖风机没有导风板，因此采用了较长的扩压线加强导风，但也加剧了蜗壳下游气流流动分离的情况。

3.2暖风机加凸筋前后风道仿真分析

为了更详细的分析暖风机蜗壳加筋前后风道性能的变化，我们结合有限元仿真技术，通过Fluent对蜗壳加筋前后的风道进行了稳态及非稳态的流场分析。

仿真工况：稳态：转速1400转/分钟，关闭电辅热。进出风口采用零压进出风口，湍流模型采用可实现（realizable） k-ɛ两方程湍流模型，流场计算方法采用simple压力修正算法。非稳态：转速1400转/分钟，关闭电辅热。进出风口采用零压进出风口，湍流模型采用大涡模型（LES），流场计算方法采用PISO算法。

3.2.1 稳态分析

图2 静压对比云图

静压云图主要用于分析风道的局部气流受阻情况，对于贯流风道，通常蜗舌半径处的静压力最大，涡核处的静压力最小。从图2可以看出，加筋前后，偏心涡的位置几乎不发生变化，蜗舌半径处的静压力减小，涡核处静压力增大，偏心涡强度减弱。由于在蜗壳速度分离点处加凸筋，使得出风口变小，出风风阻增大，导致出风回流增加，风量减小。

图3 动压对比云图

动压图主要用于验证贯流风道蜗壳型线合理性。受产品结构尺寸限制，暖风机风道出风方向与地面夹角较挂壁式分体机更大。因此在扩压段处气流偏离蜗壳型线情况加剧，在蜗壳下游形成较大区域的低压区，形成涡流。图3所示，凸筋所在位置正好处于速度分离点处低压区内，并与风机动压线相切。加凸筋后，风机动压减小。

图4 湍动能对比云图

湍动能图主要用于分析流场中涡的形成情况，指导风机设计。贯流风道中涡的形成主要集中挂在蜗舌、涡喉、涡核和蜗壳下壁处。图4所示，未加凸筋的风道湍流强度为16.3 m2/s2，增加凸筋后风道湍流强度为13.1 m2/s2。风道加凸筋后，风道整体湍流强度降低，但凸筋处湍流强度增大。

图5 宽频噪音对比云图

宽频噪音是指由于气流扰动形成的紊流噪声。从图5可以看出，风道加凸筋前后的宽频噪音分布基本一致，但加凸筋的风道宽频噪音小于不加凸筋的宽频噪音。因此，蜗壳下游加凸筋对降低宽频噪音值有一定作用。

图6 速度对比云图

如图6所示，由于贯流风机叶片流动尾迹的存在，靠近叶轮出口处的速度存在最大和最小值，引起蜗舌区域强烈的压力脉动，从而产生声场。另外蜗舌间距较小处会周期性地阻塞空气流动而产生不稳定流态，激发不稳定的叶片力，从而产生离散噪声。从图中可以看出，蜗壳下游加凸筋后，气流在离开速度分离点出风方向上扬，风扇尾迹变长，并且更强烈地冲击蜗舌半径处，导致空气回流增大，流量减小。蜗壳下游加凸筋会使回风夹具，降低流场的稳定性。

图7 流线对比图

如图7所示，未加凸筋的风道扩压段处压力更均匀，压力梯度更小。加凸筋后，风道扩压段处压力梯度变大，在蜗壳筋条后面会形成较大区域的低压区，因此该处的涡流强度变大。

3.2.2 非稳态分析

图8 脱落涡及涡的移动图    

图9 非稳态对比图

非稳态采用大涡模拟（LES）湍流模型，流场计算方法采用PISO算法分析暖风机蜗壳加筋前后风道性能。从图8中可以看出，贯流风机运行过程会伴随着涡流间歇从贯流区脱离并沿蜗壳型线移动，并最终进入出风口，最后在PTC处破裂。同时出风口处因为动压线逐渐脱离蜗壳型线而形成的涡流会在出风口处沿型线上下移动，并和沿着蜗壳型线脱离的脱落涡发生干涉，造成较大的气流扰动。在这种间歇性地扰动中，会有涡流从风道下壁移动到上壁，干扰蜗舌半径处的气流，如图9所示，随着涡的碰撞出现大的气流扰动，风道上壁会出现短暂的较大区域的低速区。风道蜗壳上设计有凸筋，阻挡了扩压段处涡流沿型线的移动，同时有效降低了扩压段处涡流与从贯流区脱离的脱落涡相互干涉的情况，因此造成的气流扰动程度较小。也没有出现涡流从速度分离点脱离移动到蜗舌半径处的情况。

4结论

1.蜗壳底部加筋条会增大出风阻力，出风方向上扬，风扇尾迹变长。从而导致出风回流加剧，风量降低。

2.蜗壳下游加凸筋后，会使偏心涡强度减弱，涡核处压力升高，并对流场稳定性产生不利影响。但对降低风道宽频噪音有一定改善作用。

3.蜗壳下游加凸筋后，可以有效组织出风口低压区的涡流移动，同时降低了该处涡流与沿蜗壳型线间歇性脱离的脱落涡相互干涉的情况，避免了出风口出现剧烈气流扰动的情况。因此对于改善风道异常音有一定的改善作用。

参考文献

[1] 徐庶民，徐立功，杨基明等. 倾斜叶片贯流风机的降噪机理. 暖通空调，2000， 30(6): 51-52

[2] 伍先奎，陈进，钟平等. 贯流式风机噪声实验研究. 机械科学与技术，2001， 20(2)：275-277

[3] 张克危. 流体机械原理. 北京：机械工业出版社，2000

[4]伍先俊，李志明. 贯流风机气动噪声机理及降噪机理研究. 风机技术，2002

[5] 邵双全, 卢大为, Jeon W H. 空调室内机贯流风扇流动噪音 的仿真研究[J]. 制冷学报, 2012, 33(3): 9-13.

作者简介：

王启龙（1988 －），男，硕士研究生，中级工程师，主要从事空调结构设计研究工作。