基于ANSYS仿真分析的壁挂式空调器排水管结构研究

刘慧 周文伟

珠海格力电器股份有限公司家用空调技术开发部 广东珠海 519070

1 引言

目前，普通家庭中使用较多的是壁挂式空调器。但在此类空调器自身的运行过程中（特别是制冷或除湿工作模式），一旦蒸发器表面的温度低于空气露点温度，空气中的水蒸气就会在蒸发器表面产生凝露水，这些凝露水会通过空调器内部结构件已设计的水道再经过排水管排出室外，因此空调器排水管结构的可靠性就显得至关重要。

为进一步的分析优化空调器室内机排水管结构，本文主要从ANSYS WorkBench结构静力和Fluent分析出发，对比几种不同的排水管结构，从而选取一种最优的方案进行设计。

2 排水管漏水原因

引起空调器室内机漏水的原因有很多，排水管漏水就是其中之一。壁挂式空调器排水管漏水主要有7个原因。

（1）保温排水管脏堵：主要指用户长期不清洗空调器，长期积累后，较多的杂物或者体积较大的异物进入排水管通道内，造成排水管排水不通畅引发漏水问题；

（2）保温排水管老化：主要指排水管材料问题，排水管材料选取不合理，经过一段时间的使用后，排水管出现老化的现象；

（3）保温排水管开裂：主要指本身的强度不足，在长期使用的条件下出现开裂现象；

（4）保温排水管变形：主要指售后安装时走管扭曲变形，引起排水不通畅；

（5）吹塑排水管脏堵：主要指长期积累的杂物或者体积较大的异物进入排水管管道内部，造成其排水不通畅；

（6）吹塑排水管老化：与上述保温排水管老化情况基本相同；

（7）吹塑排水管开裂：与上述保温排水管老化情况基本相同。

3 排水管结构

壁挂式空调器排水管材料一般选用EVA或改制PE，只有EVA中醋酸乙烯的含量低于20%时，才能作为塑料使用。与EVA相比，PE在弹性、柔性、光泽性、透气性等性能方面均有改善，同时其应力开裂性也得到提高。本文中的排水管结构均指在材料相同的条件下进行对比分析，结构对比主要指在排水管长度、外径一致的情况下，环绕排水管外层的筋条形状不同，如图1、图2、图3所示。

本文所述的排水管结构主要指矩形齿筋条、半圆形筋条和螺旋形筋条。在筋条形式相同的情况下，筋条高度及列距可以不同，具体则需根据实际试验数据以及理论分析结果，综合选取某一种具体结构使用。

4 排水管ANSYS WorkBench静力分析

静力分析主要指构件的强度以及刚度。其中：刚度即指在载荷的作用下，构件抵抗变形的能力；强度即指在载荷的作用下，构件抵抗破坏的能力。本文中排水管的静力分析主要集中于分析不同结构排水管的刚度以及弯曲强度，本文中选取如表1中所示的排水管结构进行ANSYS仿真分析。

排水管1与排水管2仅外形筋条形状不同，排水管1为矩形齿筋条，排水管2为螺旋形筋条，排水管2与排水管3筋条形状相同，但筋条高度不同。3种排水管的材料均为EVA，EVA材料的拉伸强度为4.5Mpa，弹性模量为90Mpa，泊松比为0.1。

刚度主要是分析每个排水管的径向挤压受力情况，本文中的分析施加条件为在排水管径向方向上分别施加0.5mm的位移量，对比不同结构形式的排水管所需力F的大小，力F越大则说明排水管刚度越好。

弯曲强度主要指分析排水管一端固定不动，另外一端施加一定的弯曲角度变形，以此来对比不同结构形式的排水管所产生的最大等效应力的大小，产生的最大等效应力越大，则说明此种结构的排水越容易出现开裂的情况，即结构强度越差。

4.1 矩形齿排水管1结构ANSYS静力分析结果

矩形齿排水管1结构的径向刚度分析结果如图4所示，排水管1在径向发生0.5mm位移量的情况下所需的力F1大小为10.5N。弯曲强度分析结果如图5所示，排水管1在一端固定，另外一端弯曲10°时产生的最大等效应力为0.37Mpa。

4.2 螺旋形排水管2结构ANSYS静力分析结果

螺旋形排水管2结构的径向刚度分析结果如图6所示，排水管2在径向发生0.5mm位移量的情况下所需的力F1大小为10.1N。弯曲强度分析结果如图7所示，排水管2在一端固定，另外一端弯曲10°时产生的最大等效应力为0.42Mpa。

图1 矩形齿排水管

图2 半圆形筋条排水管

图3 螺旋形排水管

图4 径向刚度分析

图5 弯曲强度分析

图7 弯曲强度分析

图6 径向刚度分析

图8 径向刚度分析

表1 排水管结构区分表

表2 ANSYS静力分析结果

4.3 加高螺旋形排水管3结构ANSYS静力分析结果

加高螺旋形排水管3结构的径向刚度分析结果如图8所示，排水管3在径向发生0.5mm位移量的情况下所需的力F1大小为18.9N。弯曲强度分析结果如图9所示，排水管3在一端固定，另外一端弯曲10°时产生的最大等效应力为0.3Mpa。

4.4 不同排水管结构ANSYS静力分析结论

不同结构的排水管ANSYS静力分析对比结果如表2所示，加高螺旋形排水管3结构的径向刚度和弯曲强度都是最优的，因此在设计空调器排水管结构时应优先选取加高螺旋形排水管3的结构。

5 排水管Fluent分析

Fluent分析则主要指流体分析，流体力学是力学的一个分支，只要研究流体本身的静止状态、运动状态以及流体和固体界壁间相对运动时的相互作用和流动的规律。计算流体力学（CFD）是一种由计算机模拟流体流动、传热及相关传递现象的系统分析方法和工具。

本文中的Fluent分析主要指对表1中的排水管结构进行流体仿真分析，此次分析选择的湍流模型为标准k-w模型，单位全部设置为国标，介质为水。在Fluent正式仿真之前借助其他仿真工具对模型进行网格划分，待网格质量可以接受时（网格质量可以直接用相应的软件检查，一般数值需在0.8以上）再把划分网格之后的模型导入到Fluent中进行相关设置，开启Fluent仿真计算。

在划分网格的模型导入Fluent之前，还需设置流体入口、流体出口、流体入口检测面以及流体出口检测面，此后再在Fluent中进行相关选择设置，待所有设置完成后正式开启分析计算。

本文中所有的Fluent分析均是按照上述方法进行，以加高螺旋形排水管3为例进行仿真分析说明，最初给定的流速v为2.5m/s。

图9 弯曲强度分析

图11 压强云图C=P+1/2pv•v+G

图10 流速云图

图12 两检测面压强差图

管3流速云图以及压强云图如图10、图11所示。图10中中心区域的流速最大，往外依次递减，图11中，中心区域的压强最小，往外依次递增，此规律的变化可以通过伯努利方程C=P+1/2pv•v+G[1]来解释说明，其中，P代表某一点的压力势能，G代表此点的位置势能，中间项代表动能。在理想情况下，此三者之和等于一常量，也即总机械能为一常数。

图12为排水管两个检测面的压强差示意图，由上述伯努利方程[1]可知，两个检测面的压强差越大，流速降低的越快，即排水管内的阻力越大。根据以上分析方法同样可以计算排水管1、排水管2的流速变化状况，此处简略。

6 结论

空调器室内机排水管是空调器的重要组成部分，其结构设计也至关重要，稍有疏忽，就可能会出现漏水的情况，甚至引起售后投诉，因此，在设计环节需要加强排水管各方面的分析，争取将空调器排水管的结构设计到最优。