壁挂式空调室内机内部流场优化与降噪研究进展*

张海南 邵双全 田长青/中国科学院理化技术研究所

0 引言

空调系统已经广泛应用于各类建筑中，给人类的生活条件带来明显的改善。数据显示，2011 年我国房间空调器产品总产量突破1 亿台，占世界的75%，其中大部分为壁挂式空调器。壁挂式空调器因其结构紧凑、外观美观，其运行负荷能够满足普通家庭房间的制冷和供热要求，所以一直以来都在家用空调市场中占据主导地位。然而，其面临着以下两方面问题：

1）降低噪声迫在眉睫

噪声污染已经成为影响人民生活的一大公害，在较多城市市民对环境污染的投诉中，噪声问题已占了67%以上,空调噪声在其中又占了非常大的比例[1-2]。壁挂式室内机是空调室内机的主要形式，由于直接安装在室内，所产生的噪声很容易对室内人员的工作和生活产生影响。同时，用户对空调噪声的主观感觉比其他性能更加明显，因此用户对壁挂式室内机的降噪性能要求比其他性能更高。解决壁挂式室内机的噪声问题一直是国内外各大空调器厂家技术研究的重点和难点，产品的低噪声已成为衡量市场竞争力的重要指标之一[3-5]。

2）节能减排日趋严峻

目前为了降低噪声，主要是靠降低风量，但牺牲了性能。降低噪声与节约能耗的矛盾还没有很好地解决。我国是一个能源短缺的国家，同时是一个能源消耗大国，建筑能耗问题尤为严峻。随着国民经济的发展、人民生活水平的提高，空调应用日益广泛，空调用电占总用电总量的比例在不断上升，空调能耗已占总能耗20%左右，因而空调节能意义巨大[6]。

由于壁挂式家用空调的广泛应用，在降噪与节能两方面做出改进，不但有助于降低噪声公害和国家节能减排战略的实施，也将会给企业带来巨大的市场竞争力和利润。

解决降噪与节能的难题要从优化设计入手，室内机风道和空调器的性能参数有着密切的关系，是决定室内机性能的主要因素[4,7]，因此室内机风道系统的设计尤为重要。由于壁挂式室内机风道内部流动的复杂性，流场优化与降噪研究还很不充分，需要深入系统地进行研究。

1 壁挂式室内机结构形式

壁挂式室内机一般由进风百叶窗、热交换器、贯流风机(叶轮、蜗舌、蜗壳)和出风导流片等几个结构组成，这些结构组成室内机的风道。

图1为风道结构剖面示意图[8]。空调运行过程中，循环气流从上部进入室内机，在换热器处完成换热后再通过贯流风机，经出风导流片流出室内机。其内部流动的显著特点是流体两次流经贯流风机叶轮，在贯流风机内形成特有的偏心涡现象，流动状态复杂。

图1 挂壁式空调室内机风道结构[8]

拥有较大风量和较低的噪声水平是性能优良的室内机的标志。然而，这两者又存在着矛盾，增大循环风量往往导致噪声也同时增大。这就必须采用优化设计的方法获得两者之间的平衡。对风道进行优化设计，可以获得较大的风量和较小的噪声水平。近年来，很多企业和高校正在对壁挂式室内机的风道进行研究，以求实现流场优化和降低噪声。

2 流场优化与降噪研究进展

壁挂式空调室内机风道流场按其位置大概可以分为换热器流场、贯流风机流场和进出风口流场。下面将分别针对这三个部分介绍国内外的研究进展。这里，由于贯流风机的应用不仅限于空调室内机，贯流风机的普遍研究结果对于空调用贯流风机的优化设计也有重要的参考价值，因此贯流风机流场部分将包括这些普遍内容的研究进展。

2.1 换热器流场优化与降噪研究

换热器是空调室内机的重要组成部分，也是实现空调制冷制热的关键结构部件。空调室内机换热器一般采用管翅式换热器，翅片多选用特殊材料处理的铝翅片，且翅片上设有开窗结构来增加换热。换热器附近的流场对室内机风道的整体流场有着重要的影响。不同换热器结构，如换热器折数、布置方式、翅片形式的不同，会使空调室内机的性能有着很大的差别，因此，对换热器的结构的研究也就具有重要的意义[9]。这方面研究可以分为两类，一是研究换热器结构对风道系统特性的影响，二是研究其本身换热和压降特性。

对于第一类研究，早期主要通过实验方法进行。2000年，邓明义等人[10]对于风道内换热器的折数和布置方式进行了实验分析，提出了三种可以降低气动噪声的方法，即采用四折式换热器、适当加大换热器距叶轮的距离和采用蒸发器局部倒片。实验证明了这三种方法单独或联合使用可以得到较好降噪效果。但加大换热器与叶轮距离受整体尺寸限制，是否对换热有影响也需进一步探讨。

随着计算流体力学（CFD）的迅速发展，采用数值模拟方法进行的研究逐渐增多。2003年，郝辉等人[11]应用FLUENT软件对室内机换热器的结构进行了分析，研究结果同样表明增大换热器与叶轮距离，采用四折甚至圆弧形换热器对于优化内部流动和降低噪声有明显效果。此后，胡俊伟等人[8-9]采用STAR-CD软件对不同折数换热器以及圆弧形换热器开展了模拟计算，得出与郝辉等人相同的结论。并指出多折换热器布置方式能够给贯流风机提供一个比较好的进气流场，但是多折的形状会增加换热器模具的成本，还会增大室内机的厚度。这也是在目前平板型薄厚度室内机结构成为主流趋势的情况下，改善换热器结构遇到的一个突出的矛盾。2011 年，陈焕新等人[12]采用FLUENT数值模拟的方法研究了四种采用不同结构换热器的室内机风道流场，指出了一种贯流风机进口气流更为均匀的方案。这种通过数值模拟选择最佳方案的方法受限于随机性，获得的优化效果比较有限。

对于第二类研究，虽然国内外针对管翅式换热器特性研究比较广泛，但结合空调室内机流场特点进行的较少。金巍巍等人[13]设计了适用于低流速和Re 数(迎面风速lm/s 与3m/s，对应Re 数901与2 702)下的空调室内机用管翅式换热器的开缝翅片形式。研究表明在上述迎面风速和Re数范围内，开缝翅片性能曲线和平片性能曲线不可避免地有一个交叉点，对应Re 数称为转折Re数。在交叉点前的速度和Re 数范围内，平片换热器的综合性能优于开缝翅片，而交叉点后则相反，并据此提出了改善换热器综合性能的“前疏后密”原则。上海交通大学胡俊伟等人[14]利用计算流体力学软件STAR-CD分析了开缝翅片厚度对换热器压降、换热特性的影响。得出了翅片开缝能起到强化换热的效果且开缝翅片厚度存在最佳值等结论，为优化新型管翅式换热器提供了参考。

可见，换热器的流场优化与降噪方法主要是改变折数、位置、翅片形式等结构参数。但其中有些参数的改变对于室内机控制成本和尺寸都较为不利，目前的研究大多没有结合实际应用进行考察，实际应用的限制也应该予以考虑。

2.2 贯流风机流场优化与降噪研究

贯流风机由于具有体积小、噪声低和流量平稳的特点，是挂壁式空调器室内机流道中最重要的部件，其结构见图2。贯流风机内部气流两次流经叶轮叶片，在叶轮内部靠近涡舌区域存在一个偏心涡。贯流风机的三个结构：叶轮、蜗舌和蜗壳均对风机的流场和噪声有着重要影响。

图2 贯流风机叶轮图

上世纪六十年代，日本学者就开始进行针对贯流风机的研究[17-19]。近二十年来，由于空调等家用电器行业的蓬勃发展，对贯流风机的研究需求迫切，所以有许多学者开展了贯流风机的研究，推动了室内机节能降噪水平的提高。目前，对于壁挂式室内机贯流风机结构研究主要集中在贯流风机叶轮上，提出了不等距叶轮、斜齿叶轮等一系列新形式。同时，蜗舌、蜗壳等外部结构的影响分析也逐渐深入。下面将分叶轮与外部结构两部分总结目前的研究进展。

2.2.1 叶轮优化设计

国内外学者针对贯流风机的叶轮提出的优化方案主要有不等距叶轮、斜齿叶轮、分节叶轮、大小叶片叶轮等。这些新形式叶轮的出现使得风机节能降噪技术有了广阔的发展空间。

不等距叶轮和斜齿叶轮与普通叶轮相比可以显著降低噪声，这两种叶轮研究发展较早，并且有了较好的应用。区颖达等人[20]采用实验方法研究了不等距叶轮与斜齿叶轮的降噪效果，发现流量较低时，这两种叶轮有降噪效果，但随着流量的增加，这两种叶轮的噪声增加量大于普通叶轮，在大流量范围内噪声特性比普通叶轮更差。这表明，不等距叶轮和斜齿叶轮的噪声受流量影响更为明显，为后来的研究提供了借鉴。

目前，不等距叶轮设计中最重要的问题是合理确定叶片的分布。Moon 等人[21-22]采用数值计算方法研究发现叶片间隔角按照正弦分布可以将基频噪声在频谱上几乎对称地分散开，增加叶片分布的随机性则会使基频噪声移向高频。虽然所提出的两种不等间距叶轮布置方式获得的并不明显，但说明了找到最佳分布规律可以更好地达到降噪效果。此后，胡俊伟等人[23]提出的不等距叶轮结构实现了噪声的显著降低。但仍然采用随机选取法确定叶片分布，还缺乏通用性。

斜齿叶轮设计中最重要的问题是叶片扭曲角度的选取。Tsai等人[24]采用实验方法对比了采用直叶轮和两种扭曲角度不同的斜齿叶轮的贯流风机特性，见图3。RSA-0、RSA-5、RSA-10 分别代表直叶轮、扭曲一个叶片间距和扭曲两个叶片间距。研究表明扭曲角度较小时斜叶轮具有更好的声学特性，但角度较大时高频噪声会增大。这表明，采用斜齿叶轮时，叶片的扭曲角度存在着最佳值，这对于斜齿叶轮的设计有参考价值。

图3 直叶轮与两种扭曲角度不同的斜叶轮

不等距叶轮与斜齿叶轮都可以实现降噪效果，因而将两者综合起来是很有潜力的发展方向。游斌等人[25]设计了一种斜齿不等距叶轮，即在不改变蜗壳和蜗舌配置的条件下，将常规直贯流叶轮的叶片沿圆周不等间距分布，同时在轴线方向上将叶片沿圆周扭曲一定的角度。在原有的流量-压力特性不变的条件下，相同流量时噪声降低0.6～1dB,叶片通过频率噪声峰值降低约6.5dB。

斜齿叶轮虽然能够很好的降低噪声和改善音质，但模具成本高、生产效率低。游斌等人[26]研究了一种大小叶片叶轮，沿圆周方向上，大小叶片交错分布，叶片之间不等距分布。实验表明这种叶轮具有斜齿叶轮的低噪声和高品位音质，同时具有更低的模具成本和更高的生产效率。

采用分节叶轮也是一种改善贯流风机性能的方法。这种叶轮轴向分成若干节，节和节之间设计一定的转角。通过合理的设计可以明显的降低噪声而不影响气动性能。Li 等人[27]的研究结果表明，对于所研究的分为10 节的叶轮来说每一节叶轮之间的最佳转角为3°～4°。邵双全等人[28]采用数值仿真方法研究了分节叶轮的噪声。所研究的叶轮分为六节，节与节之间转角为4.938°。计算得出噪声值低于40dB(A),且与实验结果吻合良好。

2.2.2 叶轮外部结构优化设计

叶轮外部结构主要包括蜗舌和蜗壳，它们对风机性能也有着重要的影响。1976年，日本科学家Murata等人[29-30]采用实验方法首次定量地研究了蜗壳蜗舌等外部结构尺寸与风机性能的关系。指出蜗舌间隙、蜗舌进气端位置角与蜗壳形状是影响性能的主要因素，而其他参数影响较小。进一步地，详细分析了这些参数对风机性能曲线和流场内偏心涡位置的影响，为后续研究打下了很好的基础。目前，针对叶轮外部结构的研究可分为以下几个方面：

一些研究着眼于蜗舌结构本身的改进。2000 年，Koo[31-32]通过实验验证了通过采用斜蜗舌可以降低室内机的噪声水平，为贯流风机降噪提供了一个可选择的方向。在此基础上，周拨等人[33]通过试验比较了用直蜗舌和斜蜗舌时内流、外特性及噪声频谱。可以看出斜蜗舌与直蜗舌相比，外特性性能略有改善；斜蜗舌有效地离散降低了叶片与蜗舌干涉频率对应的噪声峰值，有助于贯流风机整体噪声的控制。揭示了斜蜗舌改善叶轮内流、降低噪声及斜蜗舌设计的有效性。

另一些研究着眼于研究蜗舌形状及位置(间隙)的改变对风机性能的影响。Govardhan等人[34]研究了六种贯流风机（三种叶轮和两种蜗舌）的性能。通过实验研究发现，进口总压和静压并不随叶轮和蜗舌形状发生变化，而在叶轮出口却变化很大，其中一种叶轮和蜗舌进行搭配可以获得更高的总压和效率。胡俊伟等人[35]采用CFD 方法，研究了蜗舌间隙、进口角、蜗壳间隙、蜗舌位置角和出口角等一系列参数与贯流风机进、出口流速间的关系，从中寻找出了每个结构参数变化对贯流风机流场影响的规律。陈启明等人[36]采用实验方法比较了四种叶轮尺寸参数、蜗舌间隙和蜗壳间隙不同的贯流风机性能，得出了该空调器贯流风机最佳的结构参数值。文献[35]与文献[36]的研究分别针对单一参数变化和多参数变化下的性能变化，但还缺乏整体性和系统性。

也有学者将材料技术的一些新成果应用于蜗舌的改进。赖焕新等人对采用多孔蜗舌的贯流风机性能和噪声进行了研究。其中，文献[37-38]对采用多孔板和容腔组合而成的蜗舌进行了研究，见图4。结果表明多孔蜗舌对贯流风机的压力-流量曲线作用并不明显,但有一定的降噪能力。文献[39]使用四种不同的多孔材料制作蜗舌，得出某贯流风机蜗舌的四种替换方案。实验表明相比原风机，四种多孔材料方案改造后，风机的气动性能均有一定的提高，但噪声却有所增大。虽然没有得到显著的性能提高和降噪效果，但为贯流风机引入新材料和工艺的思想值得借鉴。

图4 多孔板与容腔组合的蜗舌结构图

大多数研究的出发点是在流量一定下降低噪声，Wu 等人[40]着眼于在避免噪声加强的情况下提高流量，提出了两种改进的蜗舌外形。这两种改进都能实现在不增大噪声的前提下显著提高流量。将室内机的性能和噪声综合考虑是其出色之处。

综上所述，贯流风机及其在壁挂式室内机中的应用研究还存在以下一些问题和不足：

1）改善气动和噪声性能多针对贯流风机的一个部件进行，较少从风机和风道整体的系统角度考虑，流道内多个参数变量下的最优化设计值得研究；

2）降噪研究大多只关心噪声降低而忽略了流量等风机性能参数，使得与实际应用有一定距离；

3）不等距叶轮的叶片分布主要是采用随机选取法，所得到的降噪效果有一定随机性。为了不等距叶轮更广泛地应用，需要解决叶片的最佳分布问题。可以参照轴流风机的研究方法进行优化设计。

2.3 进出风口流场优化与降噪研究

壁挂式空调室内机风道进出风口结构也会对室内机的性能产生影响，如贯流风机进风方式、风道排气口的扩散角及出风导流片的厚度等。

2003年，邹道玉等人[41]对室内机气流出口底盘型线进行了CFD 模拟研究。研究表明出口部分底盘型线不能完全按照等压线来设计,而是要有一定扩散角。通过大量的模拟分析,指出出口扩散角合理的范围为10°～15°。

胡俊伟、丁国良等人[8,42]采用实验方法研究了室内机出风口导流片对室内机噪声和声质量的影响，在直齿等间距和斜齿非等间距两种叶轮下，采用不同厚度的导流片对室内机响度进行了分析。研究表明增大导流片厚度可降低室外机噪声，但由于导流片厚度增大的同时，出风口流量也会随之减小，因此导流片厚度也不宜过大。他们推荐导流片厚度不宜大于8mm，取6～7mm较为合适。

目前，进出风口流场优化与降噪研究较少。由于进出风方式和位置对于流道内气流流动情况有较大影响，因此有必要对进出风口的结构进一步研究。

3 总结与展望

以上分别针对壁挂式室内机流场的三个部分：换热器流场、贯流风机流场和进出风口口流场的研究进展进行了介绍，并分别提出了建议。然而，对于每个部件的优化设计研究的最终目的是室内机风道系统发挥最优性能，这需要研究怎样使各部件之间达到最佳配合，从而获得流场优化与降噪效果。针对壁挂式室内机整体流道性能的研究还很不充分，今后的研究可以考虑以下几个方面：

1）从提高总体性能（提高风量、换热量与降低噪声）的角度研究壁挂式室内机风道系统的优化设计方案，而不是单独考虑其中一个指标。这更有利于总体性能的提升和产品的实际应用。

2）由于单独考虑某个部件获得的性能改进十分有限，需要综合考虑换热器、进出风口和贯流风机组成的整个风道系统，进行整体风道结构的设计，以实现性能的最优化。

3）采用数值模拟方法研究，研发出一整套模拟、优化室内机风道结构的方法，缩短企业的研发周期并且节约大量实验经费。

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