CN101976276B - 一种空调器风道结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空调器风道结构优化设计方法，包括以下步骤：1、建立至少2种风道模型；2、分别将各种风道模型的生成文件进行网格划分，并把生成的网格文件导入CFD软件；3、在CFD软件中设定模型参数以及变量参数；4、CFD软件模拟空气流动达到准稳态后，计算出噪声以及风量；5、比对出各种风道模型中风量大且噪声小的模型，并将其作为预选方案，然后对所述预选方案做至少一次风道模型修改，返回步骤2，确定最终风道模型；6、结合所述的最终风道模型生产空调器样机，进行噪声实验和风量实验。采用本发明的空调风道结构优化设计方法，可以降低空调器风道结构设计成本，缩短参数测试时间，使用方便。

Description

一种空调器风道结构优化设计方法

技术领域

本发明属于空调器结构优化设计方法技术领域，具体地说，是涉及一种针对空调器风道结构的优化设计方法。 

背景技术

在现有的空调器风道结构设计中，一般都是技术人员根据已有经验，制造出具有不同风道结构的多种空调器样机，然后进行噪声实验和风量实验，测量出可以反映风道优劣的性能参数：空调器噪声以及单位时间内空调器风道吹出的风量，进而根据测量结果，比对出单位时间内吹出的风量大而且噪声小的空调器风道结构作为最终的风道设计方式，进行空调器成品的生产。采用这种方法来设计空调器风道结构，需要首先制作出大量的空调器样机，达不到要求的样机即被淘汰掉，从而造成了巨大的资源浪费，增大了生产成本。而且，从制作样机到测量出参数结果需要较长的时间，比较耗时。 

因此，如何研发出一种空调器风道结构的优化设计方法，既能节省成本，又能节省时间，是本发明需要解决的一项主要问题。 

发明内容

本发明为了解决现有空调器风道结构设计方法生产成本高、测试周期长的问题，提供了一种空调器风道结构的优化设计方法，降低了成本，缩短了测试时间。 

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现： 

一种空调器风道结构优化设计方法，包括以下步骤： 

(1)、利用建模软件建立至少2种不同结构的空调器风道模型，所述风道模型至少由风扇、蒸发器、涡壳和涡舌围成； 

(2)、分别将各种风道模型的生成文件导入GAMBIT软件包，进行网格划分，并把网格划分后生成的网格文件导入CFD软件； 

(3)、在CFD软件中设定运算所需要的模型参数以及变量参数；其中，所述模型参数包括内流场的湍流模型参数和蒸发器处空气流动模型参数，变量参数包括离散压力、动量、湍动能、湍动能耗散率以及时间变量参数； 

(4)、在CFD软件中风道模型的风道出口处任意设置一条横截风道出口的直线，通过所述CFD软件绘制出所述直线处的压力曲线或者质量流量曲线；当出口压力或者质量流量曲线平稳时，视为CFD软件模拟空气流动达到准稳态，启动CFD软件中的FW-H声学模型，分别选定风扇、涡舌和涡壳区域为计算声源区域，选择国标规定的噪声测试点为接收点，进而通过CFD软件计算出噪声以及单位时间内风道模型出口吹出的风量； 

(5)、比对出各种风道模型中风量大且噪声小的模型，并将其作为预选方案，然后对所述预选方案做至少一次风道模型修改，返回步骤(2)，确定最终风道模型； 

(6)、结合所述的最终风道模型生产空调器样机，进行噪声实验和风量实验，测量出国标规定的噪声测试点处的噪声以及空调器样机风道出口吹出的风量，与CFD软件计算出的噪声以及单位时间内风道模型出口吹出的风量进行比对，确定出空调器成品的风道结构。 

优选的，步骤(1)所述的建模软件为PROE软件。 

进一步的，步骤(2)所述生成文件为STEP文件，所述网格文件为*.msh文件。 

优选的，步骤(3)所述内流场的湍流模型采用Realizable^k-ε模型。 

优选的，步骤(3)所述蒸发器处空气流动模型参数为多孔介质区域流动模型参数。 

又进一步的，步骤(3)中还包括对所述的变量参数进行离散的步骤，为了使离散精度更高，离散方法优选采用二阶迎风格式。 

再进一步的，步骤(5)中，所述的风道模型修改可以是对涡舌的形状进行修改；也可以是对涡壳的形状或者弧度进行修改；当然，也可以是对风扇与涡舌的间距进行修改。 

更进一步的，当所述的风道模型修改是对风扇与涡舌的间距进行修改时，若所述风道模型为壁挂式空调器室内机中的风道模型，则所述风扇与涡舌的间距优选设计在6-7mm之间。 

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的空调器风道结构优化设计方法，利用PROE软件对空调器的风道结构进行建模，设计多种具有不同风道结构的空调器模型，然后把模型的STEP文件导入CFD软件中，通过建立合适的湍流模型以及蒸发器处空气流动模型，以及设置相关参数，CFD软件便可以计算出空调噪声和单位时间内空调吹出的风量，无需事先制造出样机再进行参数测量，从而节省了生产成本，同时整个过程只需花费少量的时间，大大缩短了开发周期，提高了研发效率。 

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。 

附图说明

图1是本发明所列举的两种空调器风道结构模型； 

图2是图1中直线处的压力曲线图； 

图3是拟合的Δp和υ的关系曲线； 

图4是确定的最终空调器风道结构模型。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。 

实施例一，参见图1所示，为本实施例首先利用PROE软件建立两种不同结构的空调器风道模型，所述PROE软件的操作平台为计算机。在本实施例的 空调器风道模型中可以具体包括蒸发器、风道、涡壳和涡舌四个部分；其中空调器风道模型一包括风扇1，蒸发器2，涡壳3，涡舌4，以及由风扇1、蒸发器2、涡壳3以及涡舌4围成的风道5，为了方便描述两种风道结构，本实施例定义涡舌4的三个特征点：涡舌4伸向蒸发器2部分的最高点4-1，涡舌4离涡壳3最近点4-2，以及涡舌4离风扇1最远点4-3。图1中还包括空调器风道模型二，包括风扇1，蒸发器2，涡壳3，和涡舌4’，风道5’由风扇1、蒸发器2、涡壳3以及涡舌4’围成。涡舌4’与涡舌4的区别在于：增大点4-2到涡壳3的距离。具体操作方法为：把点4-2处所在的板削掉约1mm²，且把点4-1与点4-2之间的距离减少1mm，点4-1与4-2连线和点4-1与点4-3连线之间的夹角增大至65°。 

用PROE软件建模完成后生成STEP文件，分别将各种风道模型生成的STEP文件导入GAMBIT软件包，进行网格划分，并设置计算域半径为所述风扇1的叶轮外径的10倍。由于空调器室内机结构复杂，本实施例对空调器风道采用三角形的非结构化网格进行划分。为了减少总体网格数，风道外部采用四边形的结构化网格进行划分。划分网格完成后生成*.msh文件，把所述的*.msh文件导入CFD软件。 

在CFD软件中设定运算所需要的模型参数以及变量参数；其中，所述模型参数包括内流场的湍流模型参数和所述蒸发器处空气流动模型参数。考虑到Realizable^k-ε模型在模拟旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流动时有较好的表现，本实施设定Realizable^k-ε模型为湍流模型。为了模拟蒸发器2对气流的阻碍作用，本实施例将所述蒸发器处空气流动模型参数为多孔介质区域流动模型参数。 

所述的变量参数包括离散压力、动量、湍动能、湍动能耗散率以及时间变量参数，还包括对所述变量参数的离散。为了使离散精度更高，离散方法优选采用二阶迎风格式。 

参见图1所示，在CFD软件中风道模型的风道出口处任意设置一条可以横截风道出口的直线，CFD软件便可以绘制出所述直线处的压力曲线或者质量流量曲线，为本实施例直线处的压力曲线，参见图2所示。当曲线趋于平稳时，即曲线为图2中幅度较小的波浪线P时，视为CFD软件模拟空气流动达到准稳态，此时启动CFD软件中的FW-H声学模型，分别选定风扇1、涡舌4和涡壳3区域为计算声源区域。选择国标规定的噪声测试点为接收点，由于风扇1的有效长度为596mm，所以将模型中的声源相关长度设为596mm。CFD软件便可以计算出噪声以及单位时间内风道模型出口吹出的风量。计算结果参见表1所示： 

表1 

表1为本实施例的两种不同风道结构的空调器风道模型噪声以及单位时间内风道模型出口吹出的风量对比表。从表1中可以看出，模型二的风量增加了48m³/h，而且整机噪声变化不大。 

根据比对结果，将模型二作为预选方案，然后对所述预选方案做至少一次风道模型修改，将修改后的风道模型所生成的STEP文件导入GAMBIT软件包重复上述步骤，并计算出修改后的风道模型的噪声以及单位时间内风道模型出口吹出的风量，与所述预选方案进行比对。通过比较，确定出最终的风道模型方案。 

结合所述的最终风道模型生产空调器样机，进行噪声实验和风量实验，测量出国标规定的噪声测试点处的噪声以及空调器样机风道出口吹出的风量，与CFD软件计算出的噪声以及单位时间内风道模型出口吹出的风量进行比对，若空调器样机的噪声以及单位时间内风道模型出口吹出的风量与模型的噪声和单位时间内风道模型出口吹出的风量是一致的，说明设计的空调器风道结构具有较强的可靠性，便可以生产成品，如果比较结果不一致，则返回最初的风道模 型创建步骤，查找原因。 

所述的多孔介质流动的处理就是假设多孔介质区域的流动存在如下关系： 

$s_i=-(\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\α}}{\mathrm{\υ}}_i+C_2\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}|\mathrm{\υ}\left|{\mathrm{\υ}}_i\right)---\left(1\right)$

其中，s_i为单位蒸发器厚度压力损失；μ为常数；υ为气流进入蒸发器前的速度；ρ为空气密度； 为粘性阻尼系数；C₂为惯性阻尼系数。若计算出 

和C₂，便可以根据方程(1)计算出多孔介质区域单位蒸发器厚度压力损失。 

又由于s_i与压强损失Δp和蒸发器2厚度Δn之间存在如下关系： 

Δp＝-s_iΔn    (2) 

因此，如果已知Δp和υ的关系，就可以求出需要输入的两个参数： 

和C₂。 

本实施例假设蒸发器2的厚度为0.0272m，利用焓差实验室拟合Δp和υ的关系曲线，如图3所示。图3中曲线回归方程为： 

Δp＝5.2434v²+7.8231v    (3) 

结合方程(1)、方程(2)和方程(3)，便可以计算出 

C₂＝314.7。 

对于其他参数条件的设定，本实施例采用以下方式：由于风扇1的转速较低，本实施例将空气流动按不可压流动处理，且不考虑温度对空气密度等的影响；所述空调器风道模型的壁面采用无滑移边界条件，并且使用增强型壁面函数来接近壁面网格和对应的湍流区网格；另外，为了更好的模拟近壁面区域的空气流动情况，离壁面最近的一层网格必须处在对数层中；为了模拟所述风扇1的叶片运动并且考虑非稳态影响，叶片的动静结合面采用滑移网格；此外，所述风道的空气进、出口处取大气压为压力边界条件。 

本实施例通过改变空调器风道模型中涡舌4的形状，比对出具有最优的涡舌形状的风道模型，作为最终风道模型，然后按照最终风道结构生产样机，进行噪声实验和风量实验，测量出国标规定的噪声测试点处的噪声以及空调器样机风道出口吹出的风量，与CFD软件计算出的噪声以及单位时间内风道模型出 口吹出的风量进行比对，确定最终模型生产成品，从而有效地节省了制作样机的成本和缩短了确定最终模型的时间。 

实施例二，参见图4所示，设涡舌间隙h为风扇1和涡舌4之间的距离。本实施例与实施例一的区别在于不改变涡舌4结构，通过优化改进涡舌间隙h的值，实现对空调器风道结构优化设计。 

首先，利用PROE软件建立两种不同的空调器风道模型，分别记为模型三、模型四，所述的两种空调器风道模型的涡舌间隙h分别为3mm和4mm。对于生成文件的导入、模型参数以及变量参数的设定、其他参数的设定等与实施例一所述的操作方法一致，在此不做赘述。 

通过CFD软件分别计算出两种空调器风道模型的噪声以及单位时间内风道模型出口吹出的风量，计算结果参见表2所示： 

表2 

根据表2中显示的计算结果可以发现：涡舌间隙h从3mm增加至4mm，噪声从43.3dBA降至38.3dBA，得到有效的降低，而风量减少相对较小，在可调控范围之内。本实施例说明增大涡舌间隙h可以有效降低噪声，然而对于壁挂式空调器机型来说，考虑到降低噪声的需求，所以对空调器做进一步优化，继续增大涡舌间隙，分别将涡舌间隙h分别增大至5mm、6mm、以及7mm，得到计算结果如表3所示。 

表3 

根据表3中显示的结果可知，随着涡舌间隙h的增大，风量减少量在增大，而噪声的减少量在降低。虽然涡舌间隙h对噪声的影响较大，但是也不能无限增大涡舌间隙h的值，因此，涡舌间隙h的设计应综合考虑风量和噪声的要求，对于壁挂式空调器机型来说，6-7mm的涡舌间隙比较理想。 

此外，对空调器风道模型的修改还包括对涡壳3的曲线和弧度修改，可以根据实际需要对所述的涡舌4形状、涡舌间距h和涡壳3的曲线和弧度的至少一种做修改，进行空调器风道结构优化设计。 

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种空调器风道结构优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、利用建模软件建立至少2种不同结构的空调器风道模型，所述风道模型至少由风扇、蒸发器、涡壳和涡舌围成；

(2)、分别将各种风道模型的生成文件导入GAMBIT软件包，进行网格划分，并把网格划分后生成的网格文件导入CFD软件；

(3)、在CFD软件中设定运算所需要的模型参数以及变量参数；其中，所述模型参数包括内流场的湍流模型参数和蒸发器处空气流动模型参数，变量参数包括离散压力、动量、湍动能、湍动能耗散率以及时间变量参数；

(4)、在CFD软件中风道模型的风道出口处任意设置一条横截风道出口的直线，通过所述CFD软件绘制出所述直线处的压力曲线或者质量流量曲线；当出口压力或者质量流量曲线平稳时，视为CFD软件模拟空气流动达到准稳态，启动CFD软件中的FW-H声学模型，分别选定风扇、涡舌和涡壳区域为计算声源区域，选择国标规定的噪声测试点为接收点，进而通过CFD软件计算出噪声以及单位时间内风道模型出口吹出的风量；

(5)、比对出各种风道模型中风量大且噪声小的模型，并将其作为预选方案，然后对所述预选方案做至少一次风道模型修改，返回步骤(2)，确定最终风道模型；

(6)、结合所述的最终风道模型生产空调器样机，进行噪声实验和风量实验，测量出国标规定的噪声测试点处的噪声以及空调器样机风道出口吹出的风量，与CFD软件计算出的噪声以及单位时间内风道模型出口吹出的风量进行比对，确定出空调器成品的风道结构。

2.根据权利要求1所述的空调器风道结构优化设计方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，所述的建模软件为PROE软件。

3.根据权利要求1所述的空调器风道结构优化设计方法，其特征在于：在 所述步骤(2)中，所述生成文件为STEP文件，所述网格文件为*.msh文件。

4.根据权利要求1所述的空调器风道结构优化设计方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，所述内流场的湍流模型采用Realizable^k-ε模型。

5.根据权利要求1所述的空调器风道结构优化设计方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，所述蒸发器处空气流动模型参数为多孔介质区域流动模型参数。

6.根据权利要求1所述的空调器风道结构优化设计方法，其特征在于：在所述步骤(3)中还包括对所述的变量参数进行离散的步骤，离散方法采用二阶迎风格式。

7.根据权利要求1所述的空调器风道结构优化设计方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，所述的风道模型修改是对涡舌的形状进行修改。

8.根据权利要求1所述的空调器风道结构优化设计方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，所述的风道模型修改是对涡壳的曲线或者弧度进行修改。

9.根据权利要求1所述的空调器风道结构优化设计方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，所述的风道模型修改是对风扇与涡舌的间距进行修改。

10.根据权利要求9所述的空调器风道结构优化设计方法，其特征在于：所述风道模型为壁挂式空调器室内机中的风道模型，所述风扇与涡舌的间距为6-7mm。 

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