空调用贯流风机特性研究及性能优化.pdf

ing92图综述节能ENERGYCONSERVATIONNO.092023空调用贯流风机特性研究及性能优化李倍宇连彩云（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海519 0 7 0）摘要：贯流风机是小型分体式热泵空调器送风模块的重要组成部件，其流场特性、声场特性以及性能优化受到重点关注。通过整理分析国内外空调贯流风机的研究成果，总结贯流风机的流场特性和声场特性的研究现状，主要围绕贯流风机的流场、声场及其性能优化这3个方面的研究成果展开综述，对贯流风机今后的研究工作提出展望。关键词：分体空调；贯流风机；流场；声场；性能优化中图分类号：TM925.12文献标志码：A文章编号：10 0 4-7 9 48（2 0 2 3）0 9-0 0 9 2-0 5doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.026Research on characteristics and performance optimization of cross-flow fans for air conditionLI Bei-yuLIAN Cai-yunAbstract:The cross-flow fan is an important component of the air supply module of a mini-split heat pump airconditioner,and its flow field characteristics,acoustic field characteristics and performance optimization are focused on.By sorting out and analyzing the research results of air conditioning cross-flow fans at home and abroad,the current statusof research on the flow field characteristics and sound field characteristics of cross-flow fans is summarized,and theresearch results in three aspects of flow field,sound field and performance optimization of cross-flow fans are reviewed.The future research work of cross-flow fans is proposed.Key words:separated air conditioner;cross-flow fan;flow field;sound field;performance optimization引言空调器(AC)是建筑封闭空间内的气候调节设备。空调系统可以分为集中式空调、半集中式空调和分散式空调。随着小型分体式空调设备研究的持续推进，分体式空调室内机运行效果的评价主要集中在其气动性能和消音降噪两大指标。气动性能方面，要求设备在降低空调能耗的同时，提升室内侧蒸发器单位面积的换热能力和贯流风机的能效比；消音降噪方面，则要求风机在提高送风量的前提下降低风机噪声。分体式空调还需要满足舒适性、节能减排、智能居家等方面的要求。因此，有必要推动小型家用分体式空调器贯流风机的气动性能和消音降噪的相关研究。文中重点研究分体式空调器贯流风机的流场特性和声场特性，总结国内外学者提升贯流风机气动性能和消音降噪的优化方法，为通过贯流风机的优化设计提升空调器整体性能和新式风机的研发、应用与普及提供参考1贵贯流风机概况贯流风机的概念由法国工程师Mortier提出，为了便于实验研究和工业生产设计，Lazzarettol2对贯流风机的结构参数进行定义，包括蜗壳间隙、涡舌间隙、涡舌高度等。在风机的结构参数方面，Xiao3等研究发现，改变风机的结构参数会影响风机的性能和效率，通过大量的实验研究确定风机后续的优化方向和目标。此时，贯流风机(CFF)已初步具备合理的研究体系和设计标准。常见的空调风机主要包括贯流风机 4、离心风机 5 和轴流风机。空调用贯流风机结构如图1所示。进气栅格换热器O叶轮GyL-GxO蜗舌蜗壳出口图1空调用贯流风机结构相比其他两种风机，贯流风机的运行存在明显不足，气流进入叶轮内经过多次强制折转，造成压头损失，导致风机效率降低，这直接限制了贯流风机在高压通风场合的应用。但相比于其他两种风机，贯流风机的结构简单、体积轻巧、便于安装和装配。贯流风机在性能方面作者简介：李倍宇（19 9 4一），男，硕士，研究方向为空调制冷系统.收稿日期：2 0 2 2-12-0 5引用本文：李倍宇，连彩云.空调用贯流风机特性研究及性能优化 J.节能，2 0 2 3，42(9)：9 2-9 6.NO.092023节能ENERGYCONSERVATION93综述的优势包括：具有较高的动压系数，在长距离送风的要求下也能平稳输出气流和保持低运行噪声等。因此，贯流风机被大量应用于需要满足低压送风需求的各类民用电器和送风设备中。在多数大型中央空调的末端空气处理设备以及中小型空调设备中，普遍采用贯流风机作为送风装置的动力部件。此外，部分采用贯流风机的柜式空调以及其他衍生产品（加湿器、除湿器、空气净化器等）也不断走进人们的生活。随着行业的发展，贯流风机在民用电器和工业生产的应用领域必将日益全面和广泛。2贯流风机特性研究2.1贯流风机的流场特性研究贯流风机作为中小型空调设备送风装置的核心动力部件，承担着为输送风量提供动力的任务，因此其流场特性是其主要研究课题之一。早期研究人员通过实验手段研究风机，该方法的测量误差较大、周期长且实验经费投入大。无论采用何种测量方法，测量仪器均会对风机的内流场造成扰动，影响实验数据的准确性，无法真实还原风机的内部流场。随着计算机领域的快速发展，计算流体力学(CFD)成为研究流体动力学的另一重要途径 7。利用CFD进行流场仿真时，将计算区域进行离散化处理，利用计算域内的一系列计算节点代替空间内的流体微元，通过控制方程和能量方程即可求解得到风机内流场的分布规律。CFD计算结果的误差来源主要包括：物理模型的还原度、数学模型以及控制方程与真实流场的匹配度等 8。与传统的可视化实验研究相比，CFD在风机流场分析中具有实验经费少、可实现任意工况、模拟场景还原度高、误差精度可控性强等优势，应用CFD技术的空调风机流场研究不断涌现。Kumluas9等为了验证CFD软件计算结果的准确性，分别建立贯流风机二维模型和三维模型，在Standardk-湍流模型中，对比两个风机模型内部空间的温度场和流场的计算结果。研究结果表明，三维模型的还原度较高，更适合研究风机的流场特性。贯流风机中叶轮参数的设计对流场特性起到关键作用，利用CFD软件的二维稳态模拟技术，对风机叶轮的前后缘半径、叶片倾角以及叶片弯度角这3个关键技术指标进行模拟分析，研究发现，3个关键技术指标与叶片表面边界层的流场特性关联密切，能够决定叶轮内部流场偏心涡的位置、大小和强度 10 。利用CFD进行数值模拟时，湍流模型的选择会对风机流场计算结果产生影响，通过对比RNGk-E、R SM、DES和LES这4种常用瑞流模型在二维贯流风机模型中的非稳态模拟，分析风机流场的瞬态速度和瞬态涡量分布，研究发现，RNGk-e和RSM这两个流模型凭借着对网格质量要求不高以及节约计算机资源的优势，实际应用更广泛。研究分体式空调室内机结构参数对风机内流场的影响发现，在产品设计中应注重风机进气口尺寸、面板与换热器间隙、风道吸气角对风机性能的影响 2 。针对偏心涡的研究显示，一种新型可调叶片 3-11能够减少偏心涡能量以及调节偏心涡的区域，通过安装该叶片能够有效提高空调的性能和工作效率。对风机挡风板 15 的研究指出，在相同外界条件下双层导风板比单层导风板有更好的气流组织效果。导流板 6 可以进一步调节风机的送风方向和送风的轴心区，营造舒适的室内温湿度场。此外，再结合导风板17 的角度调节，可以实现风机在供热和制冷工况下均保持最佳送风作业工况。在影响贯流风机气动性能以及流场特性的众多因素中，风机的结构参数具有决定性作用，因此优化风机的结构设计是提高风机综合性能的重要途径。2.2贯流风机的声场特性研究随着气动声学的发展，声场特性逐渐成为贯流风机研究的另一热门课题。机械噪声和气动噪声是构成贯流风机运行噪声的主要部分，机械噪声主要由风机构件之间的摩擦、震动和碰撞产生，可通过结构设计进行优化；气动噪声由高速流动的气体与风机构件之间的摩擦和碰撞产生，需要通过优化风机的内部风道抑制。目前，贯流风机声场特性的研究热点是气动噪声。通过频谱分析发现，贯流风机的气动噪声包含宽频噪声和各阶谐波离散噪声，频谱分布极为复杂18 。宽频噪声的生成原因是风机流道内叶轮的转动形成大量不规则瑞流，流运动形成负压区并生成气流漩涡和回流，从而形成变化剧烈的压力脉动9。叶轮的周期运动使风机内部空间的局部压力形成一定频率变化，引起离散噪声 5。气动噪声与风机的流场特性密切相关，气动声学能够有效分析风机流道空间的复杂流动状况的流动参数，进而优化风机声场特性。气动声学的理论研究通过理想流体的连续性方程、流体运动方程以及考虑声波作用下的流体物态方程联立方程组，推导并求解该方程组可以在一定程度上解释均匀理想流体媒介在三维空间中的小振幅声波波动的传导问题 2 0 。有研究在N-S方程的基础上，结合声学类比的方法推导得到用于研究气体流动引起发声问题的Lighthill方程 2 1-2 。该方程的提出将理想流体流动引起的声波波动量与流场参数之间的联系转变成可以用数学解析的理论模型，标志着气动声学的诞生 2 3-2 4。Lighthill方程作为气动声学研究领域中最基础、最重要的解析模型之一，为气动声学学科的后续研究和发展奠定了理论基础。风机产生的风速大部分属于亚音速范围，其流场中的紊流产生的噪声源属于偶极子，通过因引用基尔霍夫Kirchhoff积分法 2 5，提出气动声学应用在静止固体边界的解决办法，就此推动圆柱绕流中由于涡旋脱落引起的噪声以及静止物体在流中产生的尾流噪声等现象的理论研究。在实际应用中，螺旋浆、风机叶片等运动固体NO.092023节能ENERGYCONSERVATION94综述的声学问题尤为关键。Powell建立的涡声理论为研究湍流发声奠定了理论基础 2 。通过对声场中的单极子、偶极子以及四极子源 2 7 在自由空间中的传播特性进行深入研究，提出关于螺旋桨、扇叶、旋翼等运动物体的噪声预测模型。上述研究成果旨在解决运动物体边界与流体之间的发声问题1969年，FfowcsWilliams和Hawkings通过应用广义函数法总结包括Curle在内的前人研究成果，将运动物体壁面噪声加入积分方程，提出了著名的FfowcsWilliams-Hawkings(FW-H)方程 2 8 。FW-H方程的提出，为气动声学的预测研究提供了重要的理论基础，但在实际应用中该方法的局限在于将传播声源的媒介假设为相对静止，为很多实际情况的预测计算带来限制条件。Goldstein通过Gree函数的方法，成功解决了均匀运动介质中运动物体的声源传播问题，推导了更具有实际应用价值的广义Lighthill 方程 2 9 。研究人员将计算流体力学的数值研究应用到气动声学领域，形成新的学科分支一计算气动声学(CAA)30-31。计算气动声学具有高效准确的求解能力，在求解可压缩流体气动声场的解析解时，只需推导计算对应的流动控制方程（Euler方程或N-S方程）。该理论体系的诞生极大地推动了汽车、航天、船舶等领域的快速发展，有助于研究实际工程的气动声学 32 3贯流风机性能的优化进展3.1贯流风机气动性能优化经典流体力学、实验流体力学以及计算流体力学共同构成了流体力学领域的三大主要学科分支。通过计算机数值求解以及类比模型实验验证相结合的方法，在一定的假设条件下能够替代经典流体力学以及实验流体力学，其求解方法和解析解经过验证获得了普遍认可和推荐。利用CFD研究贯流风机时首先需要解决风机的建模问题。为了便于数值求解，建立风机模型时可以将蜗壳、蜗舌及叶轮作为1个系统 。进行数值模拟时，风机的模型精度、流体域的网格模型、瑞流模型以及控制方程的选取 34，均会对风机流场的计算结果产生显著影响。Moon35等和Cho36等通过RNGk-e流模型研究二维横流风机的偏心涡形成方式，偏心涡由叶轮内回流流体与高速旋转的叶轮尾部之间相互作用形成的脱落蜗汇聚形成。风机内部的偏心涡主要呈现三维空间分布特性，在沿轴向的径向位置分布内有变化，而偏心涡的吸卷区会随着风机的负载增加而增大 37 。无蜗壳对流体的约束后，贯流风机内部的偏心涡位置变得无法确定，且流场呈现混乱无序的不稳定状态 38-39 。倪少松 40 研究发现，采用变半径蜗舌可以改善离心风机内部流动的速度场和压力场的不均匀度，在降低大涡量区域范围的同时减小蜗舌附近的涡核大小。通过研究光面蜗舌和齿状蜗舌对贯流风机流场的影响发现，齿状蜗舌更能调节风机内部风场特性，使得偏心涡的涡核更加贴近叶轮的内圆周表面，还能够有效减少回风量(41。结合电荷耦合器件(CCD)摄像机对微小示踪粒子的实验研究和数值模拟两种方法，研究贯流风机内部流场的物质交换和能量传递，结果显示，风机流场中变化平稳的贯流区和波动明显的偏心涡区之间不会发生流体的质量传递，但两个流体区域之间的能量传递现象十分明显，特别是风机叶轮后边缘的脱涡区与周围流体之间的能量交换最为集中 42 。为了提高贯流风机的性能，有研究指出 43，当风机转速固定时，存在一个最佳送风量；而当风机流量固定时，存在一个最佳转速，两种情况均使风机的流动损失最小，能效最佳。在此基础上进行研究发现，风机处于不同送风量工况下，风机蜗壳型线的改变以及蜗舌间隙的变化均会对其性能造成显著影响(4。通过设计手段优化风机的机械结构（蜗壳、蜗舌和叶轮）是提高贯流风机气动性能最为有效的途径。风机内部流场的研究热点集中在探究偏心涡的成因、分布及特性方面。偏心涡的风机内部风场的核心区域，不仅与风机内部风场的稳定性有关，还会直接影响风机的送风效果，是调节和改善风机综合性能的关键因素。贯流风机的气动性能优化较为复杂，但其是提升风机气动性能的关键。3.2贯流风机噪声特性优化为了研究贯流风机的声场特性，国内外学者进行了大量试验。贯流风机转动引起的噪声以及扇叶叶尖涡流噪声是贯流风机的主要噪声源 45-46 。利用 Realizable k-方程和LES方程（大涡模拟）分析不同叶片间距下蜗舌和叶轮处的噪声频谱图，研究发现，采用不等距叶轮的设计方法能够有效改善风机的运行噪声 47 。利用Lighthill声学类比法的FW-H方程研究贯流风机的气动噪声特性，通过改变风机的送风风量，探究不同风量下风机的噪声频谱的分布规律，该方法可以指导风机蜗舌间隙、内外周叶片角以及叶轮转速的设计，达到优化风机性能的目的 48-49 。基于二维非定常N-S 方程和噪声方程的数值模拟方法分析贯流风机内流场的运行噪声 50 ，发现在叶轮周期运作的过程中，流体会在风机蜗墙与后墙之间的空隙产生周期性的压力脉冲，这是贯流风机产生运行噪声的根本原因。研究风机材料学时 51，在保证蜗舌尺寸相同的情况下，使用不同材质的蜗舌会导致风机的气流分布和气动噪声频谱发生显著变化，影响风机的运行性能。在蜗舌的结构设计方面 52-53，采用多孔蜗舌能够在一定程度上抑制蜗舌处的压力波动，实现消声降噪效果。王建明 541等研究风机叶片的结构设计发现，贯流风机叶片外伸能够使风机全压性能提高3.8%，噪声能降低7 dB，其原因是叶片的外伸设计使偏心涡的位置向蜗舌偏移，减小了涡向量的影响范围，最终使风机声源减弱。Li5NO.092023节能ENERGYCONSERVATION95综述网等研究一种分节交错叶轮的离散噪声特性，在不改变气动性能的前提下，使用交错叶轮的风机能够有效降低频率噪声(BPF)，频率噪声的特性与叶轮的交错角度有关。Lim56等运用大涡模型研究贯流风机叶片转动过程中由压力波动产生的湍流小涡，风机叶片的声频特性主要由叶片涡流的不稳定运动频率决定，不稳定涡流的主要形式包括叶尖涡和叶片尾缘的分离涡等。Hao57等研究发现，通过在贯流风机的运行过程中加入调频控制可以降低风机的旋转噪声。贯流风机的实验研究和数值模拟研究结果显示，贯流风机的声场特性伴随着风机气动性能的研究，气动声学的发展将风机气动性能和声场特性紧密关联。与风机流场特性相似，风机的声场特性研究也从结构设计和偏涡心特性分析两个方面考虑，结构设计对声场特性起到关键作用。在后期的研究中应重点考虑风机关键部件的结构优化，根据实际需求综合衡量风机风场特性和声场特性的权重；现阶段的声场特性理论研究仍有待继续发展完善。随着人们对室内环境舒适性和品质要求的不断提高，对空调设备的综合性能提出了更高的要求，有必要通过研究进一步提升风机送风性能，实现降噪消音。4结语家用分体式空调结构紧凑，其流场特性和声场特性极其复杂且紧密关联。目前，大部分理论模型和设计方案源自实验模型或数值模型，无法为工程实际问题提供全面且完整的解决方案。在贯流风机性能优化方面，未来的研究可以考虑从以下几方面进行：风机的结构设计尤为重要，蜗壳、蜗舌、叶轮是影响贯流风机气动性能和噪声特性的关键部件，应重点对其加以优化设计；风机的材料应用仍比较单一，应重视风机部件材料的研究，推广新型材料的使用和研发工作；偏心涡的理论研究是解决贯流风机的综合性能的难点，也是必须攻克的研究课题；气动声学是贯流风机相关研究课题的重要研究突破口，是推动风机理论研究、产品设计、工艺制造快速发展的重要研究途径。参考文献1】李天正，周伟.各类场所空调系统分类及应用建议 J.中国感染控制杂志，2 0 2 0,19(4)：30 1-30 5.2 Lazzaretto A.A criterion to define cross-flow fan design parameters J.Journal 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