某貫流風(fēng)機空調(diào)器氣流組織的全尺度數(shù)值模擬

張旭 康釗 胡松濤 朱輝 陳紀敏 張鳳嬌

1.海信空調(diào)有限公司 山東青島 266100；2.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 山東青島 266520

0 引言

全球性溫室效應(yīng)的發(fā)展帶來了一系列氣候問題，尤其是近年來愈演愈烈的熱浪事件（heat waves），給人們的健康和生命安全帶來了嚴重威脅[1]。在全球變暖和極端氣候事件頻發(fā)的背景下，空調(diào)對于人們的日常生活和生產(chǎn)尤為重要，尤其是環(huán)境脆弱性人群，如老人、兒童、病人等。因此，空調(diào)系統(tǒng)的研究和優(yōu)化依然是領(lǐng)域內(nèi)研究的重點。

壁掛式空調(diào)作為常見的家用空調(diào)，被很多普通家庭所使用。在夏季和冬季空調(diào)的使用率一般會急劇上升，所以空調(diào)房間的氣流組織問題越來越引起人們的關(guān)注。壁掛式空調(diào)的氣流組織效果對空調(diào)性能（如熱舒適、節(jié)能性）起著決定性的作用，因此通過優(yōu)化空調(diào)氣流組織的仿真來提高空調(diào)性能具有重要意義。

空調(diào)器氣流組織模擬仿真是預(yù)測和優(yōu)化空調(diào)器熱舒適性和節(jié)能性的重要手段，在早期設(shè)計階段可以進行仿真預(yù)測并優(yōu)化設(shè)計方案，提高研發(fā)效率，節(jié)省試驗成本。如早在1998年Murakami[2]等學(xué)者便開始采用計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)進行了空調(diào)熱負荷的計算，并在后續(xù)研究中對動態(tài)熱負荷進行了數(shù)值模擬，為后續(xù)CFD技術(shù)在空調(diào)行業(yè)的發(fā)展應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。近年來，有學(xué)者對我國東部地區(qū)日益增多的盒式空調(diào)通風(fēng)方式進行了調(diào)查，并通過CFD技術(shù)分析了其氣流組織形式同時簡化了模型[3-4]。在空調(diào)的熱舒適性方面，有學(xué)者研究了壁掛式空調(diào)制熱的舒適問題，通過改變空調(diào)的送風(fēng)溫度來改變熱舒適，并提出雖然較高的送風(fēng)溫度可以提高系統(tǒng)的制熱能力，但是由于高風(fēng)量引起的氣流組織失穩(wěn)，室內(nèi)熱舒適的改善效果有限[5-8]。

在送風(fēng)角度方面國內(nèi)外學(xué)者也開展了一系列研究工作，發(fā)現(xiàn)壁掛式空調(diào)器的送風(fēng)導(dǎo)流板的設(shè)計較大地影響著空調(diào)的熱舒適性，尤其是在制冷工況下。劉丙磊等對單層和雙層導(dǎo)流板進行了對比，發(fā)現(xiàn)雙層導(dǎo)流板可以有效地降低送風(fēng)噪聲[9]。此外對于導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)和葉輪轉(zhuǎn)速的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流板一方面可以改變主流方向和分散射流速度軸心區(qū)，使室內(nèi)流場和溫度場更加均勻；另一方面當導(dǎo)流板角度不合適時可能阻礙送風(fēng)[10-11]。

通過總結(jié)現(xiàn)有文獻資料發(fā)現(xiàn)，針對貫流風(fēng)扇室內(nèi)掛機目前行業(yè)內(nèi)的熱舒適性仿真方法主要有三維整機仿真、二維風(fēng)道仿真、等效出風(fēng)仿真三種，但均存在室內(nèi)流場分布誤差較大的問題（統(tǒng)一采用垂直風(fēng)向，室內(nèi)風(fēng)速，溫度失真），使仿真數(shù)據(jù)缺乏參考性。目前在空調(diào)器熱舒適性仿真領(lǐng)域，如何在保留貫流風(fēng)機、完整風(fēng)道、實驗室尺寸等比例建模的前提下高精度預(yù)測空調(diào)器的熱舒適性能參數(shù)（包括風(fēng)速、溫度、濕度）是行業(yè)難題。

綜上所述，目前針對貫流風(fēng)機空調(diào)器室內(nèi)氣流組織缺乏一套成熟的仿真方法。上述三種相關(guān)的仿真方法均未能計算出高精度的室內(nèi)熱舒適性流場分布情況，其主要原因在于計算域的邊界條件理論研究欠缺；網(wǎng)格劃分問題需系統(tǒng)優(yōu)化；算法適配問題亟待解決，例如：換熱器邊界溫度、風(fēng)速不均分布的附加，濕度的附加、耗散的影響等。因此，本研究從以上問題出發(fā)，采用計算流體力學(xué)技術(shù)對某型號壁掛式貫流風(fēng)機空調(diào)器的室內(nèi)氣流組織進行全尺度的數(shù)值模擬，旨在解決傳統(tǒng)模擬方法的一系列局限和問題，為新產(chǎn)品的開發(fā)和優(yōu)化提供參考。

1 研究方法

模擬對象為某標準熱舒適性實驗室，該實驗室的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中門為木制門，窗為雙層玻璃窗，墻體為標準的混凝土磚墻。其中輻射板僅在該實驗室進行輻射供冷/供熱試驗時使用。本研究對空調(diào)掛機與房間進行全尺度等比例建模，并導(dǎo)入CFD軟件進行仿真計算。

圖1 模擬對象

1.1 網(wǎng)格劃分方案

在網(wǎng)格劃分過程中，對于房間內(nèi)的流體域采用六面體網(wǎng)格進行劃分，但是由于房間空調(diào)器遠端不需要重點觀察，因此房間流體域的網(wǎng)格間距按照1.05倍的比例逐漸變大（如圖2所示）。考慮到貫流風(fēng)機為整個數(shù)值模擬的動力源，該部分的流場涉及到整個仿真的準確性，需要重點關(guān)注。因此在網(wǎng)格劃分過程中，對于貫流風(fēng)機和換熱翅片進行網(wǎng)格加密處理。由于貫流風(fēng)機的邊界極其復(fù)雜，因此采用四面體網(wǎng)格以減少網(wǎng)格劃分工作量，而換熱器部分采用六面體網(wǎng)格（如圖3所示）。對于空調(diào)器內(nèi)除了貫流風(fēng)機外的其他流體域，采用六面體網(wǎng)格進行劃分。最后生成網(wǎng)格數(shù)量為690萬，網(wǎng)格質(zhì)量滿足CFD軟件的計算要求。

圖2 房間內(nèi)流體域的網(wǎng)格劃分方案

圖3 換熱器和貫流風(fēng)機的網(wǎng)格劃分方案

1.2 湍流模型與離散方法

本數(shù)值模擬主要針對受限空間內(nèi)部三維穩(wěn)態(tài)流動問題?？紤]到計算效率問題排除RSM、LES模型，最終選擇SST k-Ω湍流模型。SST k-Ω模型同時適用于轉(zhuǎn)捩流和低雷諾數(shù)流動，可以針對性地求解本問題中的貫流風(fēng)機旋流、室內(nèi)空間的渦旋以及室內(nèi)空間的部分區(qū)域（如空調(diào)遠端、角落等）的低速流體運動，適用于本數(shù)值模擬的對象特征[12]。其次，對于本數(shù)值模擬針對的穩(wěn)態(tài)問題，模擬過程中選擇壓力速度半隱式耦合算法SIMPLEC來進行求解[13]。SIMPLEC算法與經(jīng)典的SIMPLE算法的基本思路一致，僅在通量修正方法上有所改進，因而加快了計算的收斂速度。

1.3 邊界條件

本模擬主要針對制冷工況，邊界條件設(shè)置如下：對于貫流風(fēng)機采用旋轉(zhuǎn)邊界，分別設(shè)置三個模擬工況下的轉(zhuǎn)速為600 r/min、1200 r/min和1500 r/min。

為了簡化網(wǎng)格劃分和計算，換熱器處采用多孔介質(zhì)模型來代替翅片管。多孔介質(zhì)設(shè)置模塊中采用慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)法，其中Y、Z方向慣性阻力系數(shù)和粘性系數(shù)為同一數(shù)量級。X方向上的慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)假設(shè)為無窮大，因為換熱器翅片流道極大地限制了氣流在X方向上的擴散。

將換熱器滲透率設(shè)置為1（全部通過），通過測試該制冷系統(tǒng)下的出風(fēng)口溫度指定通過換熱器的流體（空氣）溫度為17.3℃。設(shè)置壁面為常熱流密度（第二類熱邊界條件），熱流密度值源自于試驗過程中的測量值：四周圍護壁面的熱流密度折算為30 W/m2，地面設(shè)置為絕熱壁面。此外，在參考條件中，對空氣密度、重力加速度進行了相應(yīng)設(shè)置，并采用Boussinesq假設(shè)來精確模擬溫度驅(qū)動的浮升力對流場和溫度場的作用[14]。

2 模擬結(jié)果

2.1 貫流風(fēng)機流場

圖4為不同導(dǎo)流葉片（送風(fēng)角度）情況下，空調(diào)器內(nèi)部的二維流場分布情況。由圖可知，在無導(dǎo)流片、3導(dǎo)流片和4導(dǎo)流片的情況下，空調(diào)器內(nèi)部流場分布相似，并且在貫流風(fēng)機的蝸舌處均出現(xiàn)了偏心渦。偏心渦是貫流風(fēng)機原理的重要特征，這說明空調(diào)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的精確度，可以保證動力源處流場的精度，從而保證整個房間內(nèi)部氣流組織的準確度。

圖4 貫流風(fēng)機流場

其次，從圖4可以看出，空調(diào)器出口處（送風(fēng)口）的流場因?qū)Я髌霈F(xiàn)一定的差異。對于無導(dǎo)流片的情況，空調(diào)器出口流體出現(xiàn)上揚現(xiàn)象，易引起回風(fēng)短路，而對于3導(dǎo)流片和4導(dǎo)流片的情況，上揚現(xiàn)象受到明顯抑制，并且導(dǎo)流片越多，抑制效果越顯著。這印證了空調(diào)器送風(fēng)口處設(shè)置導(dǎo)流片的必要性和重要性：出口導(dǎo)流葉片可以在一定程度上抑制短路的產(chǎn)生，可有效地將渦旋對稱線“下壓”，從而使得空調(diào)機正下方的渦旋負壓區(qū)較大，通過“拖曳”作用抑制回風(fēng)短路現(xiàn)象產(chǎn)生。

2.2 600 r/min的流場和溫度場

圖5為貫流風(fēng)機600 r/min時的三維數(shù)值模擬結(jié)果。由圖5 a) 可知，出風(fēng)口流體的水平射流距離達到了房間的50%左右的距離，可以保證處于房間中間位置的人員有一定的吹風(fēng)感以滿足熱舒適需求。但是流場的分層現(xiàn)象并不顯著，這可能導(dǎo)致整個室內(nèi)溫度場的集中程度較高，如圖5 b) 所示。室內(nèi)溫度出現(xiàn)了一定的分層現(xiàn)象，但是靠近壁面處具有較厚的熱邊界層。尤其在空調(diào)器遠端的壁面處溫度分層不明顯，可能出現(xiàn)局部溫度偏高，影響熱舒適度。因此低風(fēng)量情況雖然可以抑制回風(fēng)短路，但是室內(nèi)溫度場的分布并不理想，適用于冷負荷較小的情況。最后從圖5 c) 可以直觀地發(fā)現(xiàn)，整個空調(diào)房間以出風(fēng)射流線為中心，形成了上下兩個接近堆疊的大渦旋，有效抑制了出風(fēng)口回風(fēng)短路的現(xiàn)象，但帶來的后果是溫度分層現(xiàn)象不理想，可能影響房間壁面附近的熱舒適性。

圖5 600 r/min時的模擬結(jié)果

2.3 1200 r/min的流場和溫度場

圖6 為貫流風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1200 r/min時的氣流組織和溫度分布情況。由圖6 a) 可知，隨著貫流風(fēng)機轉(zhuǎn)速的增大，送風(fēng)的水平射流距離增大到房間遠端處，并且出現(xiàn)了較明顯的速度分層現(xiàn)象。這說明隨著送風(fēng)速度的增加，室內(nèi)氣流的擾動，即湍流度進一步增大，利于更均勻的溫度場的發(fā)展。圖6 b) 印證了這一現(xiàn)象，由圖6 b) 可知，送風(fēng)量的增大可提高整體房間內(nèi)的溫度均勻度，同時也使得溫度分層現(xiàn)象更加明顯。即使在空調(diào)器的遠端也有著較舒適的空氣溫度和送風(fēng)速度，有利于保證空調(diào)房間的整體熱舒適性。圖6 c) 為1200 r/min的轉(zhuǎn)速下的流線分布情況?？梢园l(fā)現(xiàn)送風(fēng)速度的增加在一定程度上破壞了低送風(fēng)速度下渦旋的對稱性，但是由于射流距離的增加，渦旋的尺度變得更大。

圖6 1200 r/min時的模擬結(jié)果

2.4 1500 r/min的流場和溫度場

圖7為貫流風(fēng)機轉(zhuǎn)速1500 r/min時的氣流組織和溫度分布情況。由圖7 a) 可知，送風(fēng)速度的增大進一步引起了射流距離的增加，并且速度分層現(xiàn)象更加顯著。這表明送風(fēng)速度的增加引起了更大的湍動能和耗散現(xiàn)象，有利于房間內(nèi)出現(xiàn)更加均勻的溫度。圖7 b) 為轉(zhuǎn)速1500 r/min送風(fēng)下的溫度分布情況，可以發(fā)現(xiàn)空調(diào)器遠端壁面處出現(xiàn)了明顯的溫度分層現(xiàn)象，整個空調(diào)房間內(nèi)人員活動區(qū)域的溫度場更加理想。因此，大送風(fēng)量更加適用于房間冷負荷較大的工況，如空調(diào)房間的壁面為外墻，具有較高的太陽輻射得熱等工況。圖7 c) 為轉(zhuǎn)速1500 r/min的送風(fēng)下室內(nèi)流體的流線圖?？梢园l(fā)現(xiàn)送風(fēng)速度的增加破壞了渦旋的對稱性，左下側(cè)大渦旋底部向房間遠端擴散，而右上側(cè)大渦的空間被壓縮。

圖7 1500 r/min時的模擬結(jié)果

3 模擬結(jié)果準確度驗證

為了驗證模擬結(jié)果的準確度，進行了相同邊界條件下中風(fēng)速工況（轉(zhuǎn)速1200 r/min）下的對標試驗，并將該工況下的出口質(zhì)量流量、溫度場的試驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進行了對比。

3.1 質(zhì)量流量

本次仿真監(jiān)測了空調(diào)出風(fēng)口的流量，用以檢驗仿真結(jié)果與實際情況的一致性。通過CFD軟件提取空調(diào)器出風(fēng)口的面積加權(quán)平均質(zhì)量流量為0.2057 kg/s。根據(jù)該模擬值計算得到穩(wěn)態(tài)工況下空調(diào)器的出口體積流量為V=604 m3/h，與風(fēng)量臺實測風(fēng)量578 m3/h的相對誤差約為4.5%。

3.2 溫度場

對標試驗過程中，在實驗室長、寬、高三個方向上分別布置了7×6×5只熱電偶，共210只，實時連續(xù)獲取穩(wěn)態(tài)制冷工況下室內(nèi)的溫度分布（如圖8所示）。模擬過程中，在CFD軟件中同樣設(shè)置了對應(yīng)的210個點，用于獲取穩(wěn)態(tài)制冷時室內(nèi)各個位置的溫度分布情況，如圖9所示。

圖8 實驗室測點分布圖

圖9 模擬過程中設(shè)置的溫度點

本研究中分別獲得210個溫度實測值與模擬值。兩者的誤差計算方法為：（模擬值－實測值）/實測值。210個測點的總體誤差分布如圖10所示。由圖10可知，模擬結(jié)果和試驗實測結(jié)果偏差度基本分布在5%左右，但是也存在局部數(shù)據(jù)異常點，數(shù)量為4個，約占210個溫度點數(shù)量的2%，幾乎可以忽略不計，具體的結(jié)果對比如表1所示。

表1 1200 r/min工況下的熱電偶溫度測點與對應(yīng)位置模擬溫度點的相對誤差值（單位：%）

圖10 模擬值與實測值誤差分布

表1給出了所有210個溫度點的實測值與模擬值的誤差情況，由表可知，制冷工況、1200 r/min工況條件下，數(shù)值模擬和試驗測試所獲得的210個溫度點中僅有4個溫度異常點（誤差超過10%的溫度點）出現(xiàn)。通過核查試驗結(jié)果，其中3處異常點可能是熱電偶發(fā)生故障欠校準導(dǎo)致的，具體表現(xiàn)為該處熱電偶實測值異常高。此外，46個溫度點的誤差處于5%～10%之間，其余160個測點的誤差均處于5%以內(nèi)。

4 結(jié)論

本研究在三種不同的送風(fēng)速度下（轉(zhuǎn)速），采用CFD方法研究了帶有貫流風(fēng)機空調(diào)器房間內(nèi)部的氣流組織和溫度分布情況。研究表明，采用CFD二維仿真技術(shù)計算空調(diào)內(nèi)部及空調(diào)房間內(nèi)全尺度流場時，觀察到了貫流風(fēng)機靠近蝸舌的葉片處出現(xiàn)明顯的偏心渦，并且經(jīng)后續(xù)三維仿真驗證，風(fēng)量誤差控制在5%以內(nèi)，說明使用本數(shù)值模擬方法具有較好的仿真精度。

其次發(fā)現(xiàn)，無導(dǎo)流葉片的二維全尺度風(fēng)機自循環(huán)流場仿真極易發(fā)生回風(fēng)短路現(xiàn)象，而適當增加導(dǎo)流葉片數(shù)量可有效地將渦旋對稱線“下壓”，從而使得空調(diào)機正下方的渦旋負壓區(qū)較大，通過“拖曳”作用抑制回風(fēng)短路現(xiàn)象產(chǎn)生，但最終不能避免此現(xiàn)象產(chǎn)生。這可能與二維風(fēng)機自循環(huán)仿真模式下氣流分布缺少一個維度的流動補償、容易上下波動、回吸現(xiàn)象被明顯放大有關(guān)。

此外，在三維仿真時，室內(nèi)流場出現(xiàn)兩個對稱的大型渦旋，且渦旋的對稱性受到送風(fēng)速度的直接影響，送風(fēng)速度的大小也影響到了室內(nèi)的溫度均勻性，在高冷負荷時需要大送風(fēng)速度來改變渦旋對稱性，使得人員活動區(qū)域具有較均勻的溫度，從而保證熱舒適性。

最后，通過對比1200 r/min工況下試驗測試數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)210個溫度點中有160個的誤差低于5%，誤差異常點的數(shù)量僅有4個，約占總數(shù)的2%，因此本文的模擬方法具有較高的精度，其結(jié)果可為空調(diào)產(chǎn)品的開發(fā)和優(yōu)化提供參考，具有一定的應(yīng)用意義，并且高精度的氣流組織模擬方法有利于空調(diào)熱舒適性機理研究工作的深入開展。