掛式空調(diào)貫流風(fēng)機(jī)CFD 降維計(jì)算可靠性研究

王曉春 徐萌 蘇釗 丁爽 龔慧峰 吳濤

（1.青島海爾智能技術(shù)研發(fā)有限公司，山東青島 266101；2.數(shù)字化家電國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266101；3.海爾智家股份有限公司，山東青島 266101；4.青島海爾空調(diào)器有限總公司，山東青島 266101）

掛機(jī)空調(diào)室內(nèi)機(jī)送風(fēng)葉輪為貫流風(fēng)機(jī)，其特點(diǎn)為沿著軸線方向送風(fēng)相對均勻、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊。貫流風(fēng)機(jī)理論并不復(fù)雜，但由于其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性及高轉(zhuǎn)速特性，導(dǎo)致使用CFD 研究三維計(jì)算規(guī)模較大[1]。

對于制冷系統(tǒng)仿真而言，有效地獲取截面的風(fēng)量分配是獲取換熱量、制冷劑壓降計(jì)算的關(guān)鍵因素之一，如何快速有效地獲取表面風(fēng)量分布決定著制冷系統(tǒng)仿真應(yīng)用的效率。已有的研究中大多探索了三維貫流風(fēng)機(jī)或者二維貫流風(fēng)機(jī)流動特性[2,3]，通過仿真結(jié)合試驗(yàn)的方法[4]研究風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化對風(fēng)量、噪聲的影響因素[5,6]，并沒有闡述三維模型及二維模型計(jì)算的差異性。

本文在前人仿真試驗(yàn)對標(biāo)模型的基礎(chǔ)上，利用焓差室風(fēng)量測試數(shù)據(jù)做依據(jù)，分析了不同轉(zhuǎn)速等條件下，總風(fēng)量仿真的可靠性及三維和簡化二維模型總風(fēng)量、風(fēng)量分布情況的可行性，為以二維風(fēng)量分配計(jì)算在制冷系統(tǒng)仿真業(yè)務(wù)開展提供了依據(jù)。

1 仿真模型建立及可靠性驗(yàn)證

1.1 仿真模型

為了確保仿真與試驗(yàn)的一致性，在三維模型中，保留了完整的葉輪結(jié)構(gòu)、進(jìn)風(fēng)格柵、出風(fēng)導(dǎo)葉片等。翅片采用多孔介質(zhì)模型替代，其慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)（如表1 所示）處理得到慣性阻力系數(shù)為116 kg/m4，粘性阻力系數(shù)314 kg/m3·s。

表1 風(fēng)洞P-Q 測試數(shù)據(jù)

湍流模型采用k-e，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，非定常仿真動靜交界面采用Motion 網(wǎng)格技術(shù)處理，時(shí)間步長設(shè)定為1e-05 秒。為了捕捉到光滑的葉輪表面信息，研究了表面網(wǎng)格控制尺度在0.15 mm～0.5 mm，各尺度下葉輪表面網(wǎng)格形態(tài)如圖1，模型選擇0.15 mm 作為最小表面網(wǎng)格尺寸。

圖1 不同尺度表面網(wǎng)格對葉片表面光滑度影響

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證及精度確保

本文以高頻轉(zhuǎn)速1 300 rpm、非定常三維仿真開展網(wǎng)格無關(guān)性研究，受限于計(jì)算資源及效率，探索了5 種網(wǎng)格數(shù)量的流量計(jì)算值差異，圖2 為不同網(wǎng)格尺度下的計(jì)算結(jié)果，采用6 130 萬網(wǎng)格與試驗(yàn)值834 m3/h 相比，誤差為2.73%，模型處于較高精度，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性研究

后續(xù)以此網(wǎng)格配置為基礎(chǔ)開展相關(guān)研究。圖3 為該網(wǎng)格尺度下葉輪的Y+分布情況。

圖3 Y+分布

2 結(jié)果對比分析及應(yīng)用

2.1 三維仿真不同轉(zhuǎn)速可靠性分析

基于上述三維非定常模型及多孔介質(zhì)模型，計(jì)算了900 rpm、1 300 rpm、1 606 rpm 三種轉(zhuǎn)速下的總風(fēng)量、蒸發(fā)器表面風(fēng)量分配情況，表2 為相應(yīng)的仿真與試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)信息，整體偏差在8%以內(nèi)，判定仿真計(jì)算有效。

表2 不同轉(zhuǎn)速三維瞬態(tài)仿真試驗(yàn)對比

本文研究的目的是論證服務(wù)于制冷系統(tǒng)仿真的換熱器表面分配用二維替代三維進(jìn)行CFD計(jì)算的可靠性，為達(dá)成這一目標(biāo)，將換熱器表面按照圖4 虛切線的形式將換熱器進(jìn)風(fēng)側(cè)拆分為17段，葉輪展向作為一整段取數(shù)統(tǒng)計(jì)，換熱器進(jìn)風(fēng)表面風(fēng)速分布如圖5 所示，葉輪展向分布基本一致，論證了后續(xù)二維界面計(jì)算的可行性。

圖4 風(fēng)量分段統(tǒng)計(jì)示意圖

圖5 橫向進(jìn)風(fēng)風(fēng)速分布云圖

統(tǒng)計(jì)不同轉(zhuǎn)速下流經(jīng)各段的風(fēng)量占比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6 所示。計(jì)算結(jié)果表明，不同轉(zhuǎn)速下分流分配基本一致，在做整機(jī)系統(tǒng)仿真時(shí)可以只做額定轉(zhuǎn)速的風(fēng)量分配，其他轉(zhuǎn)速參照額定轉(zhuǎn)速分配，進(jìn)而提高仿真計(jì)算效率，統(tǒng)計(jì)還發(fā)現(xiàn)，掛機(jī)三段式蒸發(fā)器，前中后的總風(fēng)量占比分別約為25%、45%、30%。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下三維仿真計(jì)算風(fēng)量分配分布圖

2.2 二維替代三維可行性分析

在2.1 節(jié)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充計(jì)算了二維仿真計(jì)算，并將結(jié)果分別與試驗(yàn)值、三維結(jié)果做對比，表3 為相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表3 不同轉(zhuǎn)速二維與三維分析數(shù)據(jù)

結(jié)果表明二維仿真相較實(shí)測，不同轉(zhuǎn)速下（900 rpm、1 300 rpm、1 606 rpm）總風(fēng)量差異-7.58%、1.04%、4.53%；二維相較三維，不同轉(zhuǎn)速下（900 rpm、1 300 rpm、1 606 rpm）風(fēng)量差異0.37%、-1.74%、-2.23%，二維仿真模型計(jì)算結(jié)果與三維相比差異不大，可以很好地預(yù)測總風(fēng)量。從速度場截面看（如圖7 所示），風(fēng)速分布位置、偏心渦位置也沒有差異。

圖7 不同仿真模式下的截面速度云圖

圖8 展示了不同轉(zhuǎn)速下二維與三維關(guān)于17 段風(fēng)量分配的仿真計(jì)算結(jié)果，相較三維，二維計(jì)算的各段風(fēng)量占比偏差統(tǒng)計(jì)值在±0.7%以內(nèi)，可用二維替代三維做風(fēng)量分配計(jì)算。

圖8 不同轉(zhuǎn)速二維與三維仿真計(jì)算的風(fēng)量分配

綜上所述，使用二維仿真替代三維進(jìn)行總風(fēng)量及風(fēng)量分配計(jì)算具備可行性。

2.3 結(jié)果應(yīng)用

本研究的初衷是為空調(diào)一維制冷系統(tǒng)仿真在掛機(jī)應(yīng)用中提供一種簡便可靠的風(fēng)量及分布方法，關(guān)于制冷系統(tǒng)仿真模型搭建本文不做具體介紹，只將研究結(jié)果進(jìn)行應(yīng)用效果展示。

利用上述研究方法，在1.5 P φ7 蒸發(fā)器上進(jìn)行分流設(shè)計(jì)，通過制冷劑環(huán)路的溫度分布進(jìn)行應(yīng)用效果驗(yàn)證。換熱器分流設(shè)計(jì)的理論設(shè)計(jì)圖與管路焊接實(shí)物圖如圖9 所示，制冷劑上下兩路從進(jìn)口到出口各布置5 個(gè)溫度點(diǎn)。判斷分流設(shè)計(jì)優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)是換熱器不同流路出口溫度分布的一致性，制冷劑環(huán)路不同位置的溫度分布對比如表4 所示。仿真數(shù)據(jù)顯示，在該工況下，只有蒸發(fā)器出口的每一路最后一只管出現(xiàn)過熱，且上下兩路出口的溫度分別為14.00℃和14.20℃，處于較好的分流設(shè)計(jì)狀態(tài)。將該分流設(shè)計(jì)制作樣件測試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也是每一路最后一只管處于過熱狀態(tài)，出口溫度高度一致，差值僅為0.15℃，很好地驗(yàn)證了應(yīng)用二維仿真替代三維進(jìn)行風(fēng)量及分布計(jì)算的可行性。通過優(yōu)化分流，實(shí)現(xiàn)了換熱器換熱量從3 450 W 提升到3 563 W，換熱量提升3.3%。

圖9 某型號換熱器分流設(shè)計(jì)圖

表4 制冷劑環(huán)路不同位置試驗(yàn)與仿真溫度對比（單位：℃）

3 結(jié)束語

本文通過不同轉(zhuǎn)速下的仿真與試驗(yàn)對比，從總風(fēng)量、分布進(jìn)行仿真試驗(yàn)對比，論證了二維替代三維計(jì)算風(fēng)量及進(jìn)風(fēng)表面分布的可靠性，得出以下結(jié)論：

（1）調(diào)試的模型及網(wǎng)格策略在900 rpm、1 300 rpm、1 606 rpm 三種轉(zhuǎn)速下的總風(fēng)量及分配的仿真試驗(yàn)對比偏差在8%以內(nèi)，仿真計(jì)算精度可靠。

（2）二維仿真模型計(jì)算結(jié)果與三維相比差異不大，偏差在3%以內(nèi)，可以很好地預(yù)測總風(fēng)量，17 段風(fēng)量分配的仿真計(jì)算結(jié)果表明，相較三維，二維計(jì)算的各段風(fēng)量占比偏差統(tǒng)計(jì)值在±0.7%以內(nèi)，可用二維替代三維做風(fēng)量分配計(jì)算。

應(yīng)用二維仿真替代三維進(jìn)行風(fēng)量及分布計(jì)算的方法，通過制冷系統(tǒng)各路分流的表面溫度分布情況驗(yàn)證了方法的可靠性。通過優(yōu)化分流，實(shí)現(xiàn)了換熱器換熱量從3 450 W 提升到3 563 W，換熱量提升3.3%。

本文僅對進(jìn)風(fēng)總風(fēng)量進(jìn)行了試驗(yàn)對比研究，且從實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用的角度判定了二維CFD 計(jì)算風(fēng)量分配在制冷系統(tǒng)仿真中的可靠性。受限于篇幅，出風(fēng)口二維及三維的仿真對比分析未在本文展開討論。后續(xù)可以通過PIV 等測試方法，完善進(jìn)出風(fēng)口仿真與試驗(yàn)的可靠性研究。