分体挂壁空调内机贯流风机系统音质研究

黄伟青

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

分体挂壁空调内机贯流风机系统音质研究

黄伟青

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

运用CFD软件Fluent6.0对分别配置光面蜗舌和齿状蜗舌的风机系统进行二维流场的数值模拟，并同时对配置了这两种蜗舌的风机系统噪声和其他性能参数进行实验测量。通过对两者数值模拟与实际测量测数据的结果进行初步的分析，以探寻贯流风机系统降噪、音质优化的指导性设计思路。

贯流风叶；蜗舌；涡流噪声；数值模拟

1 引言

随着家用分体挂壁式空调的应用普及，行业内竞争日益白热化，空调品质的好坏已经不仅仅取决于单纯的制冷、制热能力。噪音的大小、音质的优劣已经逐渐成为用户选择空调时必然会考虑的问题。

家用空调室内机的噪声反映在噪声频谱上主要是机械噪声、电机的电磁噪声、气动噪声和制冷剂噪声的相互叠加，这些噪声无法完全区分。一般认为，频率在50～500Hz频段的噪音以电磁噪声为主；频率在500～4000Hz频段的噪音以气动噪声为主；频率在4000Hz以上频段的噪音以机械噪声为主。

本文选用机型风机系统实际测得噪声的频谱图显示，幅值较大的噪声部分集中落在频率为400～1500Hz区间。理论上可以认为该机型噪音主要由气动噪声引起。贯流风机的气动噪声是由气流运动过程中压力脉动引起的，和贯流风机的结构形式以及湍流状态有直接关系。

风扇气动噪声主要可以分为两个部分，其一是宽频带低幅值的湍流噪声；其二是窄频带高幅值的旋转噪声。本文主要结合计算机数值模拟分析和试验测试研究的方法对空调风机内部复杂的旋涡流动现象进行研究并寻找实现贯流风机系统降噪、改善音质的结构方面的优化方向。

2 贯流风机系统的配置与数值模拟

十九世纪五十年代，德国人B. Eck就提出了贯流风机这一术语，他认为研究贯流风机的内部流动，关键是了解内部的偏心涡流动，由于内部

存在不可避免的涡流，使已经排出的流体倒流回叶轮的进口，这种回流会造成很大的能量损失，贯流风机的效率很大程度上取决于这种回流流量在总流量中所占的比例，所以了解偏心涡的中心位置和强弱是解决问题的关键[1]。后续有工程师为了更好地了解贯流风机内部旋涡的演化机理，采用了非定常三维Navier-Stokes方程、k-ε两方程模型分析了贯流风机内部旋涡产生、发展、耗散、消失的演化过程，结果显示偏心涡先于贯流而产生，是由于偏心涡的存在导致了贯流的产生，并非贯流形成了偏心涡[2]。这进一步印证了确认偏心涡的状态是解决贯流风机噪音问题的关键。

图1 光面蜗舌结构示意

图2 齿状蜗舌结构示意

图3 两蜗舌迎风面横向曲线对比图

2.1 贯流风机系统的配置

本文选用贯流风机系统为能力段在12K的定频分体挂壁式空调内机。计算所用贯流风叶直径为Φ98mm，叶片数量为32片，叶片为圆弧型直叶片，沿圆周方向等间距分布。对比计算的贯流风机系统唯一的差异就是蜗舌零件。两种蜗舌的差异除了体现在舌部迎风面是光面还是齿状面外，还有舌部迎风面横向型线以及与贯流风叶间隙的差异。如图1、图2为两种蜗舌结构示意图。

光面蜗舌迎风面纵向上为平直实体；齿状蜗舌迎风面则沿纵向均匀分布138个齿，相邻两齿间距2.5mm、齿面宽度2mm，凹凸齿面最大高度差8.1mm，凹凸齿面横向均设计为特定的型线。两种蜗舌迎风面横向曲线对比如图3所示。

2.2 数值模拟

因贯流风机的气流速度一般不超过20m/s，可压缩性很弱，一般按不可压流动处理；并且由于贯流风机的流动近乎是二维的，因此数值计算可被简化为对二维、不可压缩流场的描述，同时这样也缩短了计算时间[3]。同时，为减少端壁边界对流动的影响，本文取轴向中截面上的计算结果来分析负载对贯流风机偏心涡分布特性的影响。

本文采用AutoCAD绘出计算模型的图纸，并在Gambit中完善其计算域并进行网格及边界条件指定，得到Fluent可用的网格文件，继而通过选择合适的计算方法对贯流风机的模型进行非定常的数值模拟计算。所选壳体配置与计算区域示意图如图4所示。

图4 贯流风叶的壳体配置与计算区域

图5 光面蜗舌分析流线图

3 数值模拟分析结果

采用上述的计算模型及方法，在模型的计算结果达到稳定后，得到两种蜗舌风机系统的流线图如图5、图6所示。

对比光面蜗舌和齿状蜗舌系统内部迹线图可以看出：

图6 齿状蜗舌分析流线图

（1）在同样的壳体配置上仅更换不同的蜗舌，蜗壳内的风场型线发生了较大的变化。光面蜗舌配置中，风叶进风侧气流速度矢量方向变化

剧烈，流经这一区域的流体对系统产生很大的冲击力。而齿状蜗舌风叶进风侧气流速度矢量方向变化不大，气体流动平滑顺畅，流体速度较前者大大降低，从而可预期产生的噪声比前者小。

图7 光面蜗舌噪声频谱图

图8 齿状蜗舌噪声频谱图

（2）光面蜗舌内部流场偏心涡的涡核靠近出风口，且距离蜗舌迎风面较远，此时出风口压力不足，蜗壳出口通道内有较大的回流区，出风口气流出现卷吸，低压空气在风叶涡流附近回流风叶，气流流动紊乱。齿状蜗舌时偏心涡涡核贴近风叶内圆周，且更靠近蜗舌的迎风面。此时风机出口侧的回流区域小，气流迹线明显平滑顺畅，出风口气流连续稳定，可以使噪声比前者有所降低噪音减小，风量更均匀。

（3）光面蜗舌系统中回流过程中导致的压力波动，最终表现为内机噪音增加，风量减少且出风口的风不能连续，易出现出风不均的现象。且此类情况在风叶两侧端壁区域，由于受端壁边界的影响，涡心位置距离蜗舌位置更远，导致回流区增加，更多的风被回流回风叶内，在风叶两侧更加容易产生出风不均。

4 试验方法及结果

按GB/T 7725-2004附录B规定的试验方法和制冷量对应工况进行噪声试验。实验所用测试室为两间室的半消声室，空调器的导风板位置按开机默认位置进行噪声测试。

4.1 试验结果

两种蜗舌在同一风机配置中，经同一试验台以及相同工况下对比测试，实测数据见表1。噪声频谱对比如图7、图8所示。

4.2 结果分析比较

试验结果数据显示，两种蜗舌风机系统的性能基本一致。但是采用齿状蜗舌蜗壳的风机的噪声级比光面蜗舌蜗壳风机噪声级降低0.9dB(A)，降幅2%；风量降低12m3/h，降幅1.77%。

噪音测试过程中，通过调整进风口的风量来模拟过滤网脏堵时该风机系统内部气流的变化，待测试工况稳定且室内蒸发器布满凝露水后，分别测试各个风档的气流声。各状态稳定后，体验各风档音质效果，对比发现，配置光面蜗舌时风机系统出现明显的不连续气流声，出风量也忽大忽小。而配置齿状蜗舌的风机系统则无此声音，且出风均匀、平稳。

从频谱图对比可以看出，图7、图8在干涉频率附近噪声有明显的尖峰，可以看出光面蜗舌对风机噪声的较大影响。通过采用齿状舌后，图8看出，在干涉频率附近，频率峰值被离散降低了。

5 结论

（1）综上结果表明数值模拟的结果与试验结果基本吻合。

（2）数值分析及实验研究对比说明：通过调整蜗舌结构来改善风机系统内气体流动状况，使风机系统的进出风量比值存在于一个合理的取值范围，能实现保证风机性能的前提下降噪和优化音质的良好效果。

表1 测试结果数据表

[1] Eck B.FAN.Bri.Pat.,1973

[2] 游斌、吴克启.贯流风机内部旋涡非定常演化的数值模拟. 工程热物理学报2004,3(2)：238-240

[3] 张瑜. 贯流风机内流及气动噪声分析: [学位论文类型] .武汉：华中科技大学，2007

[4] 李栋, 顾建明. 阶梯蜗舌蜗壳降噪的分析和实现.上海:上海交通大学制冷与低温工程研究所.

[5] 周拨，游斌，吴克启. 斜蜗舌对贯流风机内流的影响及降噪机制研究.工程热物理学报, 2008,(12).

[6] 罗亮，张师帅. 空调用贯流风机的模拟与分析. 风机技术, 2007,(2)：8-10.

[7] 顾建明, 陆明琦. 空调用贯流风机设计中的几个问题.暖通空调,1996,6:43-46.

[8] 陈沛，区颖达. 贯流风机的噪声研究.噪声与振动控制,2004,4(2):36-39.

[9] 游斌等.空调风机内部复杂旋涡流动现象研究.顺德职业技术学院学报, 2007,12.

The sound quality investigation of cross flow fan used by the wallmounted air-conditioning

HUANG Weiqing
(GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

Numerical simulation of Two_dimensional flow field is carried out on the cross flow fan which was assembled with smooth volute tongue and dentate volute tongue with Fluent 6.0 CFD Software. Measurement of noise and other performance parameters for two kinds of cross flow fan is made at the same time. Through the analysis on the numerical simulation and actual measurement data of both results, to search for the design ideas of flow fan noise reduction, sound quality optimization.

Cross-flow fan; Volute tongue; Vortex noise; Numerical simulation