基于窗机送风系统优化实现整机流体降噪研究

王永涛　尹晓英　戴现伟　李英舒

青岛海尔空调器有限总公司　山东青岛　266101

1　引言

随着生活品质的提高，消费者越来越关注空调的噪声问题。与分体式空调相比，窗式空调安装方便、结构紧凑，但噪音较大[1]。一方面，与分体式空调不同，窗机室内侧的送冷风风扇与室外侧的排热风风扇皆由同一个双轴电机带动，无法独立调节各自转速，因此较难控制噪音；另一方面，窗机为一体机，其压缩机无法与室内侧完全隔离，导致噪音明显。

基于气动声学的基础理论和实验结果，许多专家和学者对风扇噪声相关原理进行了深入研究。Y. Scnoo和Y.Kodama[2]在文章中指出，风扇噪声主要由旋转噪声和紊流噪声两部分组成，并指出紊流噪声是低压轴流风机的主要噪音。李林凌[3]等结合叶素理论及非线性气动力理论，建立相应的扇叶紊流噪声模型，研究了包括叶片半径、攻角和截面等参数对气动噪声特性的影响；马大猷院士[4]提出了微穿孔板吸声降噪结构。

本文针对窗机降噪优化设计需求，从减少气动噪音（湍流噪音、旋转噪音）方面入手，对某款窗式空调送风系统进行优化，并以实验与仿真模拟结合的方法，有效地验证了本文所述优化方案的可行性。

2　实验研究

2.1　技术方案

窗机结构示意见图1，其噪音主要有三大来源，气动噪音（湍流噪音、旋转噪音）、结构噪音（压缩机运转、薄壁件振动）、电磁噪音（压缩机、电机、电路板）。其中气动噪音占总噪声的68%～85%[5]，主要由叶轮在旋转做功过程中产生，因此降噪的主要方向在于优化送风系统。

后向离心风扇的效率比前向和径向风扇效率要高，在同样工况下可以有效降低整机功率。风轮直径越大，得到相同风量时其转速越低，降转速可以有效降低噪音；轴流风扇叶片表面设置凹坑，可以减少叶片吸力面的附面堆积与分离，减少涡流的形成；叶片边缘设置为锯齿，锯齿可以减少叶片后沿（后缘）的涡流分离，从而降低噪音。

基于此，设计将原方案中前向离心风扇、室外轴流风扇替换，室内侧采用后向式离心风扇、室外侧采用边缘锯齿、凹凸表面的三叶片轴流风扇。通过室内外风扇优化方案，在性能保持不变情况下，提高送风系统效率，降低整机噪音。

图1　窗机结构示意图

图2　原方案频谱图

图3　新方案频谱图

2.2　实验设备及方法

实验室采用声学照相机（声相仪）监测噪音源的位置和噪音辐射的状态。声学照相机通过多个麦克阵列的方式来测量声场分布，该设备配置有48个麦克阵列，不需要详细分析，可实时地利用颜色映射法，探测出瞬间的噪音发生源。主要规格：环形阵列直径为75cm，最佳测量范围为0.5m～5m，最佳映射频率为400Hz～20kHz，空间分辨率为1cm@1000Hz。

声品质评价系统：配置有最先进模拟人工头，进行立体声录音，可以再现出无限接近于人类听觉感官收到的声音。其主要分析功能由数据采集模块、基本分析软件、采样数可调的快速傅里叶变换（FFT）、心理声学模块、进行高级心理声学研究的模块来实现。

2.3　实验数据对比分析

实验结果如表1所示。由表1可知，优化前后室内送风量与室外送风量没有明显下降，整机性能基本一致，但噪音显著降低：室内侧噪音降低约3dB，室外侧噪音降低约4dB。

通过原方案与新方案噪音频谱图（图2、图3）对比可知，新方案在200Hz到800Hz频率区间的尖峰值数量较少，且尖峰值噪音波动范围较小，即新方案旋转噪音较原方案有很大改善。

对于室内侧：采用前向离心改为后向式离心风扇。当气体在相邻叶片通道流动时，由于离心力作用会产生速度差。两种情况在前向离心风扇中共同作用，会导致不均匀性加剧，而这两种情况恰好使得不均匀性在后向离心风扇中得以缓和，因此我们采用高效率的后向式离心风机。

对于室外侧：轴流风扇由四叶片改为三叶片，三叶片基频低，不易产生共振。扇叶设计为凹凸表面和边缘锯齿，凹凸坑可以减少叶片吸力面的附面堆积和分离，减少涡流的形成；锯齿可以减少叶片后沿的涡流分离，从而降低噪音。

表1　优化前后方案实验数据对比（1630rpm）

表2　优化前后方案模拟结果对比（1630rpm）

3　数值研究

3.1　仿真建模

使用star-ccm+对某款窗机进行三维仿真模拟，分别建立室内离心侧整机模型和室外轴流侧整机模型。其几何建模与网格划分采用Hypermesh进行，由于风扇、电机支架等结构几何形状比较复杂，故而采用多面体网格，室外侧网格数量为223万，室内侧网格数量为134万。

仿真模型分为进口区、出口区、旋转流体区及换热器区四个区域，采用多孔介质模型描述换热器区，进出口条件为压力进出口、设定转速为1630rpm，采用K-Epsilon Turbulence湍流模型进行仿真计算。

3.2　数值模拟结果分析

在1630rpm转速下，整机风量如表2所示，可知仿真结果与实验数据基本一致，优化前后室内送风量与室外送风量没有明显下降。

对于室内侧，前向离心风机改为后向离心风机，图4与图5为优化前后室外侧速度云图对比，从图中可以看出原方案中，在出风口附近有一个比较强的大涡流区，对应的速度矢量图中有明显的速度回流，这个涡的存在不仅降低了风扇的效率，也会导致噪声的产生。新方案中，流场分布明显改善，无明显涡流，因此气动噪声会有明显改善。

对于室外侧，四叶片普通轴流风扇改为边缘锯齿、凹凸表面的三叶片轴流风扇。图6与图7为优化前后室外侧速度云图对比，从图中可知原方案中，最大噪音值明显较新方案大，新方案中，叶片表面凹坑和边缘锯齿减少了吸力面的附面堆积与分离，涡流减少，从而降低噪音。

4　结论

对于窗机整机的噪音优化，室内侧采用后向式离心风机，室外侧则应采用边缘锯齿、凹凸表面的三叶片轴流风扇来降低气动噪音。通过仿真数据对比和实验结果验证，优化后的方案在整机性能上差异不大，噪音显著下降，室内侧噪音降低约3dB，室内侧噪音降低约4dB。

图4　原方案室内侧速度矢量图

图5　新方案室内侧速度矢量图

图6　原方案室外侧宽频噪音云图

图7　新方案室外侧宽频噪音云图