不同回风口对空调室内机风道系统影响的研究

刘 起



不同回风口对空调室内机风道系统影响的研究

刘 起

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）

空调器室内机回风口形式的不同对于风道系统有着较大的影响，通过建立相关模型，设置控制方程进行数值计算，得到了两种不同回风口下的空调器室内机风道系统的流场、压力场等，分析并阐述了不同回风口形式对风道系统的影响情况，为室内机风道系统的优化提供理论依据。

风道系统；CFD；回风口；空调

0 前言

在空调外观不断多样化的今天，空调的噪声、送风均匀性问题已愈显突出，受到人们的普遍重视[1-3]。空调回风进入室内机风道系统首先通过回风口，回风口会干扰气流的流动，从而也会对整个风道系统造成影响。改变回风口设计可以改善送风均匀性，降低空调噪声，从而优化空调器[4]。

本文通过对空调器室内机风道系统的流场进行三维模拟计算，分析回风口的位置不同对风道系统流场、压力场的影响，进而了解贯流风机内流场的优劣及送风的效果，为进一步优化风道系统，改善空调舒适性，减少能耗提供理论依据。

1 物理模型

空调室内机的结构从整体来讲可以分为：进风格栅、换热器、贯流风机、蜗舌、蜗壳及调节板等[5]。室内机回风口一般为矩形格栅式，常设置过滤网来除去空气中的尘粒，回风口处不设置风量调节装置，风量的改变通过贯流风机的转速来实现。回风口的两种方式：下回风和后回风，如图1所示。

由图1可以看出，下回风和后回风送风方式，仅回风口的位置不同，其余的各部分参数均相同，在进行模拟计算时，选择相同的方程，设置相同的边界条件，就可以获得下回风和后回风两种不同回风方式下室内机风道系统情况。

图1 空调室内机结构示意图

2 计算模型及边界条件

2.1 模型的建立及网格的划分

考虑模型的对称性以及计算机的运算能力，故截取模型长度=30mm的一部分进行计算，同时将不参与计算的部分体去掉，得到简化后的模型[6,7]。

由于空调模型求解区域的复杂性，划分的网格不可能全部为结构化网格，因此部分采用非结构化网格划分。同时，为了便于网格的划分，将模型分为八个体：进风口至换热器上表面，换热器，换热器下表面至出风口（不包括贯流风机部分），进、出口分别延长一定的区域，贯流风机内外3mm区域，贯流风机内部区域，如图2所示（仅以方案a图说明）。

图2 流体域划分

其中，由于贯流风机叶片部分结构太小，需要进行网格加密而设置了贯流风机内外各3mm的区域；空调器进出口延长区域是为了能够获得更为接近实际的边界而作的处理；整个叶轮及内部区域设为旋转区域。

2.2 控制方程

控制方程包括连续性方程、动量方程、湍流动能方程，三方程都遵循守恒定律，可以表示如下通用形式[8]：

表1 公式中参数的取值

Table 1 The parameters in formula

控制方程选用-方程，湍流模型为标准-双方程。由于流动过程为等温流动，故能量方程不必考虑。

2.3 边界条件

流体流动按定常流进行计算，控制方程及边界条件设置如下[9,10]：

（1）为获得较好地收敛选择隐式算法，由于流体并非高速可压流体，故选择非耦合求解法。

（2）设置入口边界为压力入口，总压为0Pa，出口边界为压力出口，出口静压0Pa；

（3）考虑空气通过换热器翅片的阻力，根据经验假设换热器阻力损失系数为K=20；

（4）旋转区域设置：旋转方向沿Z轴负方向，贯流风机的转速=900rpm，其余各面按默认设置；

（5）压力-速度耦合采用SIMPLE算法，为获得较好的收敛，松弛因子的动量项、湍流动能项、湍流耗散率项分别设置为0.3、0.4、0.4，其余项采用默认值。

（6）残差设置：各项残差均为10-3，另外，设置出口处的面体积流量作为表面监视。

3 计算结果及分析

当出口处体积流量达到稳定时认为计算已收敛，通过对计算结果进行一系列后处理（考虑进出口外部区域并非研究重点，故后处理过程均未保留），选取Z轴方向中心截面（=15mm）处的静压云图：

图3 中心截面(Z=15mm)的静压云图

图3表明：（1）室内机风道内部静压的分布存在较大的变化，尤其在贯流风机内流区，静压值由上游到下游呈现递减趋势，在贯流风机出口处压力降至最小，而在室内机出口处压力又有所增加，从而在靠近蜗壳附近形成一压力低谷，即为常说的偏心涡。偏心涡周围压力存在较大波动，所以很容易形成压力脉动，产生噪声。（2）可以看到，下回风形式下静压变化范围为-82.18～16.91Pa，后回风静压变化范围为-109.47～16.78Pa，两种方式下的最高静压较为接近，但最小负压值相差较大，即后回风的最小静压远小于下回风。（3）偏心涡的大小和强弱是影响贯流风机性能的关键因素[13]，也对整个室内机风道系统有着较大影响。比较两种回风方式下，偏心涡区域的大小有所不同，下回风方式下偏心涡所包裹的叶片为12，小于后回风方式下的14片，故其出风状况优于后回风，这一点在图4的速度矢量图中也可以看出。

图4 中心截面(Z=15mm)的速度矢量图

图4为空调室内机风道中心截面（=15mm）处的速度矢量图，可以看出：（1）当气流由室内进入空调器的瞬间，由于惯性作用会沿着垂直入口方向前进，而在平行于入口面的方向上速度较小，当该方向的速度到壁面时减小为零，受压差作用，会沿壁面向回风口方向流动，形成涡流。对比两种回风方式，在下回风方式下，风道系统左上角区域速度较小，而后回风方式下，风道入口上下侧区域速度均很小，成为涡流区。（2）从贯流风机系统的流场情况看，在贯流风机的进气口处，下回风方式气流较为均匀，通流面积较大，主贯流区和副贯流区区分明显，贯流效果好；而后回风较为混乱，出现了明显的绕贯流风机的旋转，造成气流难以进入，在贯流风机的左上侧甚至还出现了部分内区空气回流至叶轮外，这部分回流称为进气回流，进气回流会阻碍气流的吸入，使得贯流效果差。（3）在蜗舌附近的挡板处以及出风口处由于偏心涡的作用，也有一部分流出的空气重新流回叶轮内，形成回流，这部分回流称为外回流，这种回流会造成很大的能量损失，而且回流所占的比例也很大程度上决定了贯流风机的效率[11]。从图4可可以看出，后回风方式下的回流较下回风方式下严重，送风气流不够均匀，因此，单从这一点讲，下回风优于后回风。

为了能够更清楚地观察两种回风方式下通过换热器的气流的均匀性，从而定性分析气流与换热器的换热情况，我们对两种情况下通过换热器的空气流量进行了统计，统计包括12个表面，各表面为两相邻冷媒管中心的连线形成的平面，各统计面位置如图5所示。

图5 各统计面位置

由图6流量分布图知道：（1）除却统计面的细微差别，两种送风方式下，曲线的趋势基本一致，即流经该三折换热器各截面的空气的流量基本一致。但也可以看出，对两种回风方式下流经换热器各截面的气流的流量波动很大，所以整体而言，空调器内部流场仍不够均匀。（2）分别来看两种回风方式下流经换热器各截面的流量统计情况，统计面4、9、10的流量都比较小。统计面4是由于面积较小，所以对应的流量都较小，而9和10则是由于外壳有一凸起结构，造成的气流难以抵达9、10两统计面，故在结构优化时应优先考虑这三个面。

4 结论

通过对空调器室内机下回风和后回风两种方式下风道系统流场的三维数值模拟，可以知道：

（1）对于现有空调器，无论是在下回风还是后回风方式下，空调风道系统流场都不够均匀，即文中所给两种回风方式都无法避免风道系统流场的品质较低的现状，气动噪声及出风不均匀也就无法避免。

（2）单纯比较两种回风方式下空调室内机流场，通过结果分析，下回风偏心涡区域较小，贯流风机吸入口气流均匀，不存在绕贯流风机的旋转，贯流效果较好，且回流较弱；从流经换热器各截面的气流流量情况来看，应优先考虑改善结构实现4、9、10三个面的优化。

[1] 刘飞,王嘉冰,胡亚涛,等.贯流风机涡结构与噪声特性的数值研究[J].工程热物理学报,2009,30(1):44-46.

[2] 区颖达,游斌.分体空调室内体贯流风机蜗舌间隙对气动特性的影响[J].风机技术,2001,(4):8-9.

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[4] 李志浩,李宁.我国房间空调器的发展动态[J].徐州建筑职业技术学院学报,2001,(2):1-4.

[5] 郝辉,陈旭,田杰等.热交换器布置方式对家用空调器噪声影响的理论分析[J].流体机械,2003,(7):43-46.

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[7] 张师帅,罗亮.空调用贯流风机叶轮几何建模的参数化[J].风机技术,2006,(5):14-16.

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[9] 韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用（第一版）[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

[10] 温正,石良臣,任毅如.FLUENT流体计算应用教程[M].北京:清华大学出版社,2008:23-25.

[11] Eck B.通风机[Z].北京:机械工业出版社,1983.

Study of Air Duct System of Indoor Air Conditioner with Different Return Air Inlet by Numerical Simulation

Liu Qi

( CRFSDI, Wuhan, 430063 )

The type of return air inlet for air conditioner has great influence on the flow field of the air duct system. The simulation is presented by Fluent with relative equations after modelling. The flow distribution and pressure distribution of two types of different return air inlet are obtained. Based on the simulation results, the influence of the different type of return air inlet on the air duct system is analyzed. The work will provide the basis for putting forward the optimization methods for air duct system.

System of air duct; CFD;Return air inlet; Air conditioner

1671-6612（2018）06-623-04

TU831.4

A

刘 起（1985-），男硕士，工程师，E-mail：liuyanqi1985@126.com

2018-02-26