分体式空调室外机空气流场特性

1、第39卷第8期2005年8月上海交通大学学报JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYVol.39No.8Aug.2005文章编号:100622467(2005)0821226203分体式空调室外机空气流场特性姜彩玲,陈江平,陈芝久,田杰,欧阳华,杜朝辉(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030)摘要:针对分体空调室外机内的空气流场特性,采用有限容积法,对三维不可压缩Navier2Stokes方程,在旋转坐标系中进行了非定常求解;,采用滑移网格技术来求解动静非定常作用.(PIV),学(CFD)数值模拟结果,.关键词:空调器室外机;轴流风机;中图分类号:TM9

2、25.12:Air2FlowFieldsinOutdoorUnitforSplit2TypeAirConditionerJIANGCai2ling,CHENJiang2ping,CHENZhi2jiuTIANJie,OUYANGHua,DUZhao2hui(SchoolofMechanicalEng.,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200030,China)Abstract:Accordingtotheperformanceofairflowinsideanoutdoorunitofsplit2typeairconditioner,thetransientthre

3、e2dimensionalincompressibleNavier2Stokesequationsinarotatingcoordinateweresolvedbasedonafinite2volumemethod.Aslidingmeshtechniquewasusedattheinterfaceofrotatingbladesandthestationaryfield.Numericalresultswereevaluatedbythelaserparticleimagevelocimetry(PIV)method.analysis.Keywords:outdoorunitofaircon

4、ditioner;axialflowfan;computationalfluiddynamics(CFD);particleThenumericalmodeldevelopedinthispaperwillbenefitthefurtheraerodynamicacousticimagevelocimetry(PIV)制冷装置的噪声已成为衡量产品性能的指标之一1,2,各空调器厂家正在积极地寻求解决噪声问题的方法.从结构上看,分体式空调器室外机空气侧的结构似乎比较简单,但仍存在以下问题:换热器是矩形的,而风机是圆形的,造成两者面积的不匹配,气动性能降低;气流经过肋片密集的换热器后进入风机,使得风

5、机进口截面上气流处于复杂状态3,在这种条件下工作的系统,无论气动性能还是噪声,收稿日期:2004208209都有一定程度的恶化.流场分布的好坏,直接影响空调器的换热和气动性能.近年来,针对空调用风机的研究很多46,但包括风机和换热器等的研究较少.由于流场测试的费用昂贵,而计算流体动力学(CFD)方法可以方便灵活地改变初始条件、边界条件以及几何边界条件,获得整个流场任意点处的详细信息,大大节约研制周期和费用.本文采用CFD方法对空调器室外机组内部气流组织进行分析,以获取其在不同工作点的流作者简介:姜彩玲(19772),女,山西永济人,博士生,主要研究方向为分体式空调室外机流场和声场特性、制冷装置

6、的CFD分析及优化等.陈江平(联系人),男,教授,博士生导师,电话(Tel.):021262933242;E2mail:jpchen.第8期姜彩玲,等:分体式空调室外机空气流场特性1227场特性,为空调设计提供参考.1分体空调室外机物理模型CFD分析模型中分体式空调器室外机组的系统结构如图1所示,主要由轴流风机、电动机及其支架、导风圈、室外机前后挡板和散热器等组成.与固定区域(包括换热器、导风圈、电动机及其支架等)的交接面处,采用了滑移网格技术来求解由于动静干涉引起的非定常作用.在本文中换热器区域只用来模拟其对气流的影响,没有必要对换热器的翅片进行详细的模拟,故换热器区域被简化为多孔介质.2.

7、2边界条件计算时由于对室外机进出口分别进行了延伸,如图3(a)所示,延伸部分根据实验风室的实际尺寸确定,故简化了边界条件的提法,计算中室外机进口,FGambit软件块结构化网格,将整个计算区域分为3部分:轴流风机区域、室外机其他区域(除轴流风机外)以及进出口延伸区域.本文研究对象的几何形状比较复杂,计算中完全采用非结构化网格,在几何形体复杂的叶片表面采用了贴体网格,使其更能逼近叶片表面,并对叶片表面的网格采用了加密技术,如图3(b)所示,以提高数值模拟准确性.本模型总网格单元数为1567878,风机区域网格单元数为330876.图1分体式空调室外机结构简图Fig.1Theconfigurati

8、onviewofoutdoorunitforsplit2typeair轴流风机(见图2)区别于传统轴流风机,其结构特点:风扇进口风圈很短,入口受电动机支架和换热器的影响,动叶片数少且无后导叶,出口为大气状态.因此很难沿用传统轴流风机的设计和性能预测方法.图3计算区域和叶片表面网格划分Fig.3Thecomputationaldomainandgridcellsonblade3试验装置及计算结果分析图2轴流风机系统图Fig.2Theaxialflowfansystem3.1试验装置2数值模拟2.1计算方法采用LES(LargeEddySimulation)湍流模型求流场测量在上海交通大学涡轮机实

9、验室进行,使用二维微粒图像测速(PIV)系统,主要由大功率的集成化激光器、灵活的光路传输装置、快速充放电的CCD摄像机、同步控制及图像数据分析系统等部分组成.3.2计算结果与分析3.2.1室外机内部气流分布计算中采用定时间步长t(t=1.20192ms),由库朗特数确定.计算解Reynolds时均N2S方程,用Simple算法来求解速度与压力的耦合7,由于各个变量之间的强烈非线性关系,迭代求解均采用亚松弛方法.为了模拟叶片运动,采用多重旋转坐标系,在随叶片旋转的区域过程持续到一个准稳定状态,在该状态下,气流的运1228上海交通大学学报第39卷动有两部分迭加而成:时均稳定流动,它反映稳定时的情况

10、,即足够长时间内的平均情况;脉动流动,它反映了气流运动的脉动起伏情况,在足够长的时间内脉动量的平均值将为零.到达这一过程通常需要叶轮旋转至少10圈以上.图4为非定常计算达到准稳态下,风机叶片位置与PIV触发位置相同时,内部流场计算值与测量值的比较.图4(a)显示了风扇叶片压力面侧2个和吸力面侧3个比较平面的位置.由于篇幅所限,文中仅列出压力面侧和吸力(c)所示面侧的平面2上的速度分布,如图4(b)、.图4Fig.4Tr由图4可见,这是,使得气流在两面之间形成压差流动,产生涡流,从速度矢量图上可以看出,室外机流场存在大涡,仿真过程与大涡模拟更加类似,从这点看,对整场采用LES模型进行仿真是适合的

11、,对室外机采用非定常模拟计算基本能够反映其实际流动.3.2.2轴流风扇出口速度分布风扇出口取了4个截面,各截面距轴流风扇出口平面的距离分别为0、10、20和30mm.由于篇幅所限,本文仅列出了距轴流风扇出口平面30mm处的轴向速度的周向平均沿半径方向的变化情况,如图5所示.4结语本文采用CFD方法对分体式空调室外机内部空气流动特性进行了数值分析,计算结果与PIV试验测试值相吻合.室外机流场中存在大的旋涡,模拟过程采用.数值LES模型对其进行非定常模拟计算是确切的计算与PIV测量均在风机叶顶吸力面侧捕捉到明显的涡流,这是由于叶顶间隙的存在,压力面与吸力面之间形成压差流动而产生的.涡流被主气流带走

12、,会产生涡流噪声.因此,在风机设计时应注意减小叶顶间隙,合理地选择间隙的尺寸从而避免涡流的产生,以降低风机的气动噪声,改善风机的气动性能.参考文献:1BrownellR,FlackRDJr.FlowcharacteristicsinthevoluteandtongueregionofacentrifugalpumpA.29thASMEInternationalGasTurbineConferenceandExhibitC.NewYork:ASME,1984.82-90.2KindR.Predictionofflowbehaviorandperformanceofsquirrel2cagecen

13、trifugalfansoperatingatmediumandhighflowrateJ.ASMEJournalofFluidsEngineering,1997,119(3):639-646.3王育生,钟芳源.高强度低尺寸紊流进气条件下低速图5轴向速度周向平均沿半径方向的变化Fig.5Thecircumferentialaverageofaxialvelocityalongtheradiusatfanoutlet在风扇出口,轴向速度在风扇中径处最大;向风扇轮毂和叶尖方向,轴向速度减小.由图5可见,CFD计算与实验的趋势基本一致,计算值略大于实验值,最大的计算误差在20%左右,CFD非定常计算

14、基本能够反映室外机流场的流动趋势.本文所建轴流风机的噪声研究J.哈尔滨工程大学学报,1996,17(3):73-81.WANGYu2sheng,ZHONGFang2yuan.StudyoflowspeedaxialfannoisecausedbyhighintensitysmallscaleinletturbulenceJ.JournalofHarbinEngineeringUniversity,1996,17(3):73-81.(下转第1239页)第8期刘相艳,等:基于并行感知器的制冷系统故障诊断分析1087-1097.12394GrimmeliusHT,WoudJK,BeenG.Onlin

15、efailurediagnosisforcompressionrefrigerantplantsJ.InternationalJournalofRefrigeration,1995,18(1):31-41.5GordonJM,NgKC.PredictiveanddiagnosticaspectsofauniversalthermodynamicmodelforchillersJ.InternationalJournalofHeatandMassTransfer,1995,38(5):807-818.6Stylianoumonitoring,M,faultNikanpourdetectionD.

16、andPerformancediagnosisof8PeitsmanHC,BakkerV.Applicationofblack2boxmodelstoHVACsystemsforfaultdetectionJ.ASHRAETrans,1996,102(1):628-640.9翁史烈,王永泓.基于热力参数的燃气轮机智能故障诊断J.上海交通大学学报,2002,36(2):165-168.WENGShi2lie,WANGYong2hong.IntelligentfaultdiagnosisofgasturbinebasedonthermalparametersJ.JournalofShanghaiJ

17、iaotongUniversity,2002,36(2):165-168.10RosenblattF.PrincipleofneurodynamicsM.Aethodsinneuralrk:VanNostrandWashingtonDC:SparrtanP1961.Wan.reciprocatingchillersJ.ASHRAETrans,1996,102(1):615-627.7HouseJM,LeeWY,ShinDR.Classificationtechniquesforfaultdetectionanddiagnosisofanair2handingunitJ.ASHRAETrans,

18、1999,105():.(4KimJtatingsdrivenbyaxisymmetricbladesincylinderJ.InternationalJournalofRotatingMachinery,1999,5(1):273-281.5MayersAJ,WardRW,BakkarA.Adigitalparticleimagevelocimetryinvestigationofflowfieldinstabilitiesofaxialflow632.6蔡娜,李地,钟芳源.弯掠动叶气动声学优化设impellersJ.ASMEJournalofFluidsEngineering,1997,1

19、19(3):623-designandexperimentonskewed2sweptrotatingbladesJ.JournalofShanghaiJiaotongUniversity,1997,31(2):81-85.7苏秀平,陈江平,陈芝久,等.间冷式冰箱风扇区域流场的数值模拟和优化J.上海交通大学学报,2003,37(7):1133-1136.SUXiu2ping,CHENJiang2ping,CHENZhi2jiu,etal.NumericalsimulationandoptimizationoffanareaflowfieldinindirectcoolrefrigeratorJ

20、.JournalofShanghaiJiaotongUniversity,2003,37(7):1133-1136.计及实验研究J.上海交通大学学报,1997,31(2):81-85.CAINa,LIDi,ZHONGFang2yuan.Optimum(上接第1232页)5王平阳,程惠尔,谈和平.半透明复合隔热涂层的瞬态JINJie,ZHUGu2jun,XUNan2rong,etal.Numericalsimulationofinfraredradiationcharacteristicsforaeroenginehigh2speedexhaustsystemJ.JournalofAerospacePower,2002,17(5):582-585.8郝金波,董士奎,谈和平.固体火箭发动机尾喷焰红外thermalanalysisforsemitransparent热分析J.上海交通大学学报,2002,36(2):180-184.WANGPing2yang,CHENGHui2er,TANHe2ping.Transientco