基于仿真的扫风机构舒适性及可靠性研究

刘 汉 杨 杰 薛加新

（国家节能环保制冷设备工程技术研究中心 珠海 519070）

前言

随着经济的发展，以及全球变暖后极端天气的频繁出现，房间空调器日益成为人们生活必不可少的产品，送风舒适性是房间空调器的主要性能之一，其直接影响着房间空调器产品的市场竞争力。房间空调器送风舒适性的关键设计因素之一就是送风角度，较大的扫风角度有利于送风范围的增加，从而可以提高房间气流循环速度[1]。同时，使用人感系统观测房间温度分布，并结合房间空调器扫风机构对房间进行精确定向送风，是发展智能房间空调器的关键技术。但房间空调器送风角度与扫风叶片的大小和形状、机构运动范围、风道形式都密切相关，如果各结构设计彼此不匹配，容易造成送风角度不足或不准确等问题[2]。

目前，房间空调器扫风机构送风角度设计较多的依赖于实验的反复验证与优化，导致设计效率低下，房间空调器研发的成本及周期大幅上升。因此，本文通过应用仿真软件，建立扫风运动机构的仿真模型，实现送风角度的正向设计，把握了扫风机构送风角度设计准确性，提升了房间空调器开发过程中的设计质量，并缩短了开发周期。

1 模型

1.1 静力学仿真模型

空调器扫风机构主要由电机、曲柄、连杆、柔性扫风叶片组成。工作过程中，电机驱动曲柄旋转，曲柄通过连杆拉动柔性扫风叶片变形，从而使扫风叶片偏转一定角度，实现对风道中气流进行导风的作用[3]。

扫风叶片根据叶片柔性区域的不同，每个叶片偏转后的形貌也会产生差异。因此，本文利用有限元静力学仿真软件，根据实际零件间连接关系设置边界条件，通过设置电机旋转角度，可分析确定扫风叶片变形后的具体形貌，如图1所示，也可在计算结果中分析电机处的反作用力矩，得到电机旋转该角度所需的驱动力矩大小。

图1 房间空调器扫风机构运行后状态

1.2 流体仿真模型

房间空调器扫风叶片的大小、形状、弯曲程度直接影响着风道内气流的流向，由于影响因素过多，理论计算已无法满足产品快速开发的需求。流体仿真的有限元计算方法，可以快速评估结构对气流的影响，并且得到可视化的云图与丰富的数据结果。因此，可采用流体仿真软件对房间空调器扫风机构送风舒适性进行研究，分析房间空调器气流组织与扫风机构之间的关系，实现扫风运动机构的舒适性正向设计。

首先通过三维建模软件建立房间的三维模型，由于无法直接导出变形后扫风叶片模型提供流体仿真使用，因此需在Creo中对扫风叶片通过扭曲特征进行变形处理，从而获得变形后的柔性扫风叶片模型，具体操作如图2所示。

图2 使用扭曲特征的柔性扫风叶片

根据变形后的柔性扫风叶片模型，可建立提供流体仿真的房间空调器整机模型。

将房间及具有变形后扫风叶片的房间空调器导入流体仿真软件，然后进行网格划分、设定边界条件。

设定的边界条件为房间空调器正常运行工况，出口风量为650 m3/h，室内初始温度为30 ℃，出风温度为16 ℃。房间长度设定为4.5 m，宽度为3.5 m，高度为3 m，房间空调器安装高度为2.3 m，安装于房间宽度中间位置。

进气区域为房间空调器风机出口，回流区域为房间空调器进气口。

完成以上设置，就建立完成房间空调器扫风机构流体仿真模型，可计算不同扫风叶片旋转角度对气流组织的影响。

2 仿真模型校核

2.1 静力学仿真模型校核

图3 房间尺寸及房间空调器安装位置

按照上述扫风叶片静力学仿真模型进行计算，设定扫风叶片旋转40 °，可得到所需电机力矩为5 N·cm。利用扭矩测试仪（如图4所示）对扫风机构进行测试可知，扫风叶片旋转40 °所需力矩为5.2 N·cm，误差为4 %，考虑摩擦力因素，计算结果与实测数据较为吻合，静力学仿真模型较为准确。

2.2 流体仿真模型校核

流体仿真软件后处理可生成气流流线图，可分析扫风叶片对房间空调器气流整体流向的影响，如图5所示[4]。

图5 送风趋势流线图

对距离壁挂机出风口0.5 m水平距离的竖直平面风速分布云图进行分析，如图6所示。通过云图可知，该房间空调器扫风叶片在旋转40 °时，风速中心位于出风口中心右侧0.2～0.4 m处，最高风速达到1.7 m/s。

图6 0.5 m竖直面风速分布仿真云图

根据仿真工况，在同样的房间尺寸、安装尺寸、运行工况的实验条件下，在距离房间空调器出风口0.5 m竖直面上，采集各点风速进行分析。

由表1实验数据可知，该房间空调器扫风叶片位于仿真设置的角度时，风速中心位于出风口中心右侧0.2～0.4 m处，最高风速达到1.7～1.8 m/s，与仿真结果基本保持一致，表明流体仿真模型较为准确，仿真精度较高。

表1 0.5 m竖直面风速分布测试数据（单位：m/s）

3 舒适性及可靠性分析

采用以上仿真模型，可研究扫风叶片旋转角度对房间空调器出风气流组织的影响，分析其是否满足人体热舒适性需求；也可研究扫风叶片旋转角度对电机力矩的要求，分析其是否会影响电机长期运行的可靠性。

为保证房间内温度均衡，房间空调器左右扫风覆盖范围需涉及房间70 %以上[5]，才能让气流在房间内充分扰动，避免温差过大。但扫风叶片旋转角度受到运动机构设计的限制。如图1所示采用的四连杆机构存在运行效率问题，因此叶片的左右旋转角度不能过大，否则电机会因力矩不足而无法驱动叶片到达设定位置，也使得电机存在长期运行可靠性问题[6]。

3.1 可靠性分析

利用上述静力学仿真模型，可计算旋转扫风叶片到一定角度所需要的电机力矩。设定扫风叶片旋转角度为60 °进行仿真，计算结果如图7所示。

图7 扫风叶片力矩仿真变化曲线

由计算结果可知，扫风叶片旋转角度越大时，所需电机力矩越大，房间空调器扫风机构采用的电机力矩最大值为9 N·cm，为保证长期运行可靠性，通常会设置1.5倍安全系数。因此机构所需力矩需控制在6 N·cm以内。

由图7可知，扫风叶片旋转角度为30 °、45 °、60 °的所需电机力矩分别为4 N·cm、5.7 N·cm、6.9 N·cm，因此，只有30 °、45 °才能电机可靠性要求。

3.2 舒适性分析

利用上述流体仿真模型，可计算扫风叶片旋转一定角度后，房间空调器在房间内的实际送风覆盖区域[7]。分别设定扫风叶片旋转角度为30 °、45 °、60 °进行仿真，分析房间内1.1 m高度水平面内大于0.3 m/s风速的气流分布范围，计算结果图8所示。

图8 不同扫风叶片旋转角度形成的室内送风范围仿真结果

根据计算结果可知，扫风叶片旋转角度30 °、45 °、60 °时，其在房间的送风范围覆盖率分别为49.5 %、74.2 %、82.8 %。由此可知，当扫风叶片旋转角度为45 °及60 °时，其左右送风覆盖区域满足人体热舒适性需求[8]。

结合上述可靠性分析结果，扫风叶片旋转45 °为最优状态，既可满足房间送风区域70 %覆盖率，也可满足电机力矩1.5安全系数可靠性要求。

5 结论

通过有限元仿真软件，分别建立房间空调器扫风机构静力学仿真模型和流体仿真模型。结合实验测试结果，表明建立的仿真模型误差在5 %以内，满足准确性要求，可以实现对扫风叶片可靠性及舒适性的仿真预估，指导产品设计。

利用该仿真模型，研究某款扫风叶片旋转角度对电机可靠性及气流组织的影响可知，在旋转45 °时，人体热舒适性及电机可靠性都能达到最优状态，从而为后续房间空调器产品的扫风叶片旋转角度的选择提供理论依据。