基于FW-H的空调管路噪声研究

汪春节

格力电器股份有限公司

0 引言

在制冷系统中，制冷剂在系统中的流动依靠管路的连接。而管路之间采用的配合焊接的连接密封方式，使得管路配合往往会出现孔腔绕流的现象。

研究人员对于空调管路中的噪声研究，多采用实验的方式，结果准确，而实验室资源的短缺、实验设备费用较高、操作设备的技术人员短缺等问题的存在使得空调行业的噪声测试还未完全实现所有空调机组的测试通用。同时影响产品的开发。兰江华[1-2]对空调异常音采用实验测试的方法进行原因的查找及定位。张楠[3-4]等对孔腔流激噪声进行了数值模拟研究。徐俊[5]等对孔腔水动噪声进行研究并采用加隔板的方式进行降噪。

本文采用FLUENT数值计算的方法，研究流体在流经孔腔结构的流场特性，从而探讨几何结构参数对于孔腔发生的影响，指导实际测试与生产过程。

如图1为管路连接示意图，出于制冷剂充灌的需要，压缩机的排气管5上布置有小管径的工艺管3，而工艺管3与压缩机的排气管路的连接，通常采用工艺管3深入排气管5焊接的形式固定。在空调生产过程中，通过工艺管3向空调系统内部灌注制冷剂。完成制冷剂灌注后，通常采用激光焊接的形式将工艺管3密封，因此，形成了一个孔腔结构。

图1 室外机管路连接示意图

1 物理模型及网格划分

对工艺管3位置管路即上述的孔腔结构作为研究对象，提取数学模型，如图2所示。Z轴方向管路为直径为φ12 mm的排气管5，X方向管路为直径为φ 6 mm的工艺管3。为研究噪声产生情况下的流场分布，将管路插入深度设定为为8 mm。

图2 仿真模型

采用Mesh对模型进行了网格划分，得到网格模型则如图3所示。并在计算之前对网格无关性进行了验证[6]。

图3 网格划分

2 数学模型及边界条件

CFD计算软件提供了多种常用的湍流模型。本文采用κ-ε模型[7]进行计算。

2.1 控制方程

连续性方程

动量方程

式中：μeff为有效粘性系数，P'为修正压力。

湍流模型κ-ε湍流双方程如下：

式中：C1ε、C2ε表示经验常数；σε、σk是与耗散率 ε 和湍动能k对应的普朗特数；Gk为平均速度下湍动能的产生项；ρ为流体的密度；μ为动力粘度；t则为热力学温度值。

2.2 噪声模型

管内部制冷剂流动的绕流等发声，采用FW-H积分方程。通过考虑连续性方程和N-S方程推导成的非齐次波动方程求解。其中包含了面生源项、体声源项。其计算式为：

式中：ρ0表示流体媒质的密度，c0表示声速，vn表示运动的物体表面法向的速度，Tij表示Lighthill应力张量，采用f=0的方程定义运动物体表面。

2.3 边界条件设定

采用家用空调制冷剂为R290的系统进行分析。根据不同的压缩机运行频率设定进出口边界条件进行分析。根据工艺管与排气管配合位置的压力数据监测，通过采用FW-H对噪声进行分析。

3 模拟结果分析

3.1 仿真与实验对比验证

对兰江华[1-2]论文中给出的测试结果与相同测试条件下的仿真结果进行对比分析，实验结果采用文献中数据如图4，图中表明，在测试情况下，频率在4024.82 Hz时，出现异常音。仿真结果图5所示，通过对工艺管位置的压力记录，得到在频率为4100 Hz左右时出现异常音。与实验数据相吻合。因此，可以采用此控制方程对模型进行分析。

图4 实验测试频域分析图

图5 仿真分析频域分析图

3.2 管道内速度分布

对制冷剂在经过压缩机排气后流经工艺管位置的速度场进行分析。如图6所示，分别截取三个方向的速度分布矢量图。图6（a）为XZ方向流动分布，从图中可以看出，制冷剂在流经工艺管位置时，因工艺管的伸入，使得其对应位置的流速在一定程度上有所增加。而工艺管作为一个密封的腔体，其内部空间受制冷剂流动的压力影响，产生多个旋涡流。图6（b）为YZ方向流动分布，制冷剂在流经工艺管位置时，形成绕流，在空间较小位置，速度有所增加。在工艺管的空腔内部，形成涡流流动。图6（c）为XY方向流动分布，在X方向的沿线上，工艺管内部形成多个旋涡流，且相邻间流动旋涡方向相反。

图6 速度分布矢量图

3.3 不同流速下的管路噪声分析

对上述模型中不同流速时的工艺管处噪声进行记录分析。得到频域分析图的结果如图7所示。图中可以看出，不同的制冷剂流速使得在不同频率位置均存在一定的异常波动。速度较低时，在10 m/s左右，在频率为1700 Hz左右出现异常。随着管路内制冷剂流动速度的增加，分别在不同频率范围内产生噪声波动。

图7 不同排气速度频域分析图

3.4 不同管路插入深度噪声分析

对不同工艺管插入深度分别进行建模，其模型截面图如图8所示。分别对三种情况下的管路噪声进行记录分析，得到结果如图9所示。如图8所示工艺管在排气管上的插入深度分别为3 mm、6 mm、8 mm。如图9所示，工艺管插入深度较小时，对排气管路的影响较小，虽有孔腔存在，但没有异常音的产生。深度增加为6 mm时，频谱较为平缓，无异常音的出现，但整体的噪音值有所升高。随着深度尺寸的增加，对排气管路内的制冷剂流动造成了较大的影响，在频率为4000 Hz左右位置出现了异常音，引起管路的噪声异常。

图8 不同工艺管插入深度模型示意图

因此，在管路尺寸设计过程中，需要考虑制冷剂灌注过程需要的工艺管路的长度尺寸以及加工过程中工艺管与排气管的配合长度尺寸。便于控制生产并消除后续因配合尺寸问题引起的噪声。

图9 不同管路长度频域分析

在上述分析的基础上，基于相似理论，得到工艺管插入深度与排气管路直径的关系。在设计与生产过程中，需要将工艺管的插入深度控制在排气管路直径的0.3倍以内，防止噪声的产生。

4 总结

本文采用FLUENT对空调管路配合连接的结构进行了流场计算与噪声分析。先通过相同工况下的实验测试数据与数值计算的结果进行对比，分析两者吻合。然后通过对插入深度为8 mm的工艺管路对排气管路的流场影响，得到了在空调运行过程中，工艺管形成的孔腔结构内部的流场变化，表明其中包含多个涡流的存在。再次，对不同流速中的管路噪声计算，得到在不同速度情况下，在不同频率位置存在高低不同大小的噪声值。因工艺管路插入深度较深，所计算的频率中均有异常音的存在。最后，对管路插入深度的影响进行了分析，分析表明，管路插入深度较小时，对排气管路的影响较小，噪声较低且无异常音的存在，随着深度的增加，整体噪声增大，且当深度超过管路直径一半的尺寸时，产生异常音。因此，在设计生产过程中，应控制工艺管的插入深度在0.3倍的排气管直径内容，防止孔腔噪声的产生。