空调室外开式轴流风机数值模拟与性能预测
２０１０年第３８卷第１２期
文章编号：１００５—０３２９（２０１０）１２－０００５一０４
流体机械
５
空调室外开式轴流风机数值模拟与性能预测
王兴双１．李学敏１。王军１。何志强２
（１．华中科技大学，湖北武汉４３００７４；２．海信科龙（广东）空凋有限公司，广东顺德５２８３１Ｉ）
摘要：应用不可压缩Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和ＲＮＧＫ一８湍流模型对空调用轴流风机的内部流动特性进行了数值模拟计
算，并进行了相应的性能实验。讨论了两种叶轮匹配同一室外机时对内部流场的影响。研究结果表明，新设计的Ｂ叶轮
的叶顶涡流区得到了明显的缩小，并且有外移的趋势，减小了涡流的存在而产生的对内流场的阻塞，内流状态得到了较大的改善；在设计工况点，Ｂ叶轮在气动性能基本保持不变的情况下降低了噪声。关键词：轴流风机；叶轮；流场模拟；性能预测中图分类号：ＴＨ４３
文献标识码：
Ａ
ｄｏｉ：１０．３％９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—０３２９．２０１０．１２．００２
ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＯｐｅｎ－ｔｙｐｅＡｘｉａｌＦｌｏｗ
ＦａｎｉｎＡｉｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒＯｕｔｄｏｏｒＳｅｔ
ＷＡＮＧＸｉｎｇ－ｓｈｕａｎ９１，ＬＩＸｕｅ．ｍｉｎｌ，ＷＡＮＧＪｕｎｌ，ＨＥＺｈｉ－ｑｉａｎ９２（Ｉ．Ｈｕａｚｈｏｎｇ
２．Ｈｉｓｅｎｓｅ
ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；
Ｋｅｌｏｎ（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ）ＡｉｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｕｎｄｅ５２８３１１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｎｅｒｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅａｘｉｓｌｆｌｏｗｆａｎｕｓｅｄｉｎｔｈｅａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒｏｎｔｄｏｏｒｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＲｅｙｎｏｌｄｓ—ａｖｅｒａｇｅｄＮａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓｍｅｎｔａｌｌｙ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅ
ｏｎ
ｓｅｔ
ｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｂｙｓｏｌｖｉｎｇ
ｅｑｕａｔｉｏｎｓ诵ｔｈｔｈｅＲＮＧｔ（一ｅｔｕｒｂｕｌｅｎｔｍｏｄｅｌ．ａｎｄｔｈｅｆａｎｉｓｍｅａｓｕｒｅｄｅｘｐｅｒｉ—
ｋｉｎｄｓｏｆｉｍｐｅｌｌｅｒｍａｔｃｈｉｎｇｔｈｅｓａｍｅｏｕｔｄｏｏｒ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｔｈｅｉｎｎｅｒｆｌｏｗｆｉｅｌｄｆｏｒ
ｔｗｏ
ｓｅｔｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ
ａｎ
ｈａｖｅｄｉｓｃｌｏｓｅｄｔｈａｔｔｈｅｔｉｐｖｏｒｔｉｃｅｓｆｌｏｗｒｅｇｉｏｎ
ｏｆｔｈｅ
ｎｅｗ
ｉｍｐｅＨｅｒ
Ｂｉｓｄｉｍｉｎｉｓｈｅｄｏｂｖｉｏｕｓｌｙｗｉｔｈ
ＳＯ
ｏｕｔｓｏｕｒｅｉｎｇｔｅｎｄｅｎ－
ｃｙ．Ｔｈｅ
ｉｎｎｅｒｆｌｏｗｆｉｅｌｄｂｌｏｃｋｉｎｇｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙ
ｔｈｅ
ｐｒｅｓｅｎｃｅ
ｏｆｅｄｄｙｈａｓｂｅｅｎｒｅｄｕｃｅｄ
ｔｈａｔｔｈｅｉｎｎｅｒｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｃｏｕｌｄｂｅｉｍ－
ｏｎ
ｐｒｏｖｅｄｇｒｅａｔｌｙ．Ｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｏｉｎｔ，ｔｈｅｎｏｉｓｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ
ｏｆｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒＢｃｏｕｌｄｂｅｒｅｄｕｃｅｄｗｉｔｈｏｕｔａｎｙｎｅｇａｔｉｖｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅ
ｔｈｅ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｏｆｔｈｅｆａｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｘｉａｌｆｌｏｗ
ｆａｎ；ｉｍｐｅｌｌｅｒ；ｆｌｏｗ
ｆｉｅｌｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
１引言现有样机叶轮基础上，通过ＣＡＤ／ＣＦＤ改进设计
得到新叶轮，采用商业ＣＦＤ软件Ｆｌｕｅｎｔ对两种叶轮匹配同一室外机时的风机流场进行了数值模拟，并对实机进行性能试验。通过叶轮的合理配置，改善风机的内流状况，为提高风量、降低噪声
轴流叶轮广泛应用于分体式空调室外机轴流
风机系统，除了要求系统结构紧凑外，对低噪声和高效率提出了更高的要求…。风机出风量的大小是空调换热效果的决定因素之一，而噪音低也是近年来的行业竞争趋势。国内外研究人员在叶轮优化改进方面进行了很多的探索，如轴流风机
提供依据。
可以通过合理选择叶片间距控制噪声特性，前缘
弯掠转子可以通过调整二次流分布改善转子的整体性能，提高效率，加大失速裕度等旧，３Ｊ。本文在
２室外机及轴流叶轮结构
模型针对某分体式空调器１．５Ｐ室外机轴流
收稿日期：２００９—１２—２８修稿日期：２０１０—０６—１２
基金项目：广东省顺德区财政科技经费扶持项目资助（２００７ｃｘｖ００６）
风机系统．结协如图１所ｗ；，主要包括巾隔板、冷
凝器、轴流风扁ｆＵ机及其支架导流罩以技风扇
罩等。
圈２
ＡＩＩ叶轮爪患
３数值模拟与试验研究
３
Ｉ数值模拟计算百法
在同一个室外机－ｈ分别时州叶轮进行ｒ数值模拟，计并Ⅲｔ对实机进｛ｒｒ适“１的站构简化．不母虑小ｎ防护网、电机驶Ｊ￡盘架的彤Ｊ自，ｆＨ考虐
侧进Ｍ
采丌１有限体积法离散控御厅程，埘整个室外机的ｔ维非定常流场进｛Ｊ分爵直隐Ｊｊ＝求解。ｊ』算
＿震用ＲＮＧＫ￡湍流模型求解Ｒｅｙｎｒ，ｌｄｓ时均Ｎ－Ｓ＾程，用ＳＩＭＰＬＥ算法求解谴Ｊ堑与压ＪＪ的耦台，洲流
动能、湍阱ｃ牦敞项、动世方程都束门】阶迎风格式
离；技冷凝器区域被简化为多孔介质１
３
２计算城和边界鲁件
ｍｆ‘肛乙扇系统的复ｊ：陀．整个｝Ｉ许：域均采ＪＩＩ
非±＾构化嗣格，对叶‘¨占【口１的州格进行ｊ’适当加密，以提高值模拟准确性．两模型总阿格单元数分别为２１６万、１９８万，风机旋转Ⅸ域早有
较多的网格数口，阿格单元数分别为１６７万、
Ｉ
２８万整体汁算域和旋转区域删格划分如图
３（ａ）（ｂ）所不，
（¨女＃ＨＨＨｍ
图３整体【｝杵域Ⅻ旋转Ｍ域月特
计算模型的道ｍ【』均采用Ｊ１；力边蚪条件，进口址为犬’０条件０Ｐａ＋给定不Ｉ刊的ｍＩ【静垭进行模拟试验。计算过程要持绩毋ｌ十准稳定状态，
选到ｊ点准稳定状恋的削晰依榭之一是』１：力随时卅
２０１０年第３８卷第１２期流体机械
７
的脉动趋于等幅振荡。３．３试验研究装置及方法
根据ＧＢ／Ｔ１２３６－２０００标准在全自动风量台上测试了室外机的气动性能，试验过程中空调室外机带冷凝器。在本底噪音为１６．８ｄＢ（Ａ）的半消音室内采用Ｂ＆Ｋ３５６０噪音测试系统按照ＧＢ７７２５—２００４标准测试了两者的噪声特性。４计算与试验结果分析
４．１
内流结果分析
针对上述两种模型和模拟方法，计算了室外机正常使用时出口静压０Ｐａ的结果。为考核内流的变化，图４给出风机出口后方３４ｒａｍ位置，即旋转区域Ｚ＝一５０ｒａｍ轴面的压力分布云图。可以看出，Ｂ叶轮压力面的高压区（２０Ｐａ）比Ａ叶轮明
显的缩小，吸力面的低压区也更加趋于均匀，因此
而形成的叶轮两表面的压差得到了很大幅度的减
小。相比之下，Ａ叶轮肜吸力面间的压差较大，
而且高压区靠近压力晦叶顶位置，这很容易引起叶顶间隙的回流，不利于噪声的降低。
图４
Ｚ＝一５０ｍｍ轴面压力分布云图
轴流叶轮只在叶轮顶端后缘附近带有导风
圈，风机叶顶吸力面侧捕捉到睨显的涡流是由于
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，会产生涡流
噪声【５】。轮的前半部分，叶顶区域气流由外向内流动，和主流作用产生干涉，形成叶顶涡流。叶尖涡旋转方向与叶轮转向相反。图５示出风机旋转
区域Ｚ＝一５０ｒａｍ（风机出口后方３４ｍｍ）轴面上的
流线分布，可以看出，Ｂ叶轮的涡流影响区域小于
Ａ叶轮。
图５Ｚ＝一５０ｍｍ轴面流线分布
图６示出两叶轮叶顶间隙区域径向回转面的
图７示出风机旋转区域子午面的流线分布，的涡流区，Ｂ叶轮在该区域的涡流得到了明显的流线分布，可以看到Ｂ叶轮的叶顶涡流区较Ａ叶轮明显的缩小，并且有外移的趋势，减小了涡流的存在而产生的对内流场的阻塞。
可以看出，Ａ叶轮导风圈附近叶顶区域存在较大抑制，其大部分流线平行人流，在整个叶轮区内部
气流的流动状态趋于平稳，内流状态得到了较大
的改善。
ＦＩｌＩＩｎＭＡＣＩＩＩＮＥＲＹ
ｖｏ｜＿３８Ｎｕ
１２２０１０
轮风量比＾叫轮提高１０％～３０％
＠一
。｜篚
（ｂ）ＢⅢ＃
Ｎ鞫
溶—潮罗
Ｒ—
瓣≮
Ｊｃ
ａ¨¨／ｈｉ
圈８岍叶轮的计算与实验疏埘一静压特性Ⅲ溅
阿６叶顶Ｅ域衽向Ｈ转面流线分布
鬻
圈７
４
俐９ＭＩ】Ｉ轮的流监一功牢特性曲线
Ｍ机旋转Ｒ域ｒ”Ｉ血流线丹押
２外部性能预测与试验对比
阿９示出窜外机作叶轮转述（８３９ｒ／ｒａｉｎ）不
变，通过政变ｍ｜』背爪为０
５Ｉｏ１
５Ｐａ时室外机
（带冷凝器）出ｆ１Ｍ艟模拟汁算结果与试骑结果（０～３０Ｐａ）的比较曲线。ＡＩＩＩ轮汁算结粜与试验结粜非常吻合，Ｂ叫轮最人堤差约为６３％，在允许范围之内Ｈ此ｎ』以认为乖状¨轷能为搴外机
【Ⅺ１０州叶轮舯哚Ｊ：嘴性ｍ绒
罔】０示…掰叫轮帕流世功率特性曲线，町以
看出，杠高风量（＞１２００ｍ’／１１）情形下，１３叶轮比
Ａ叫轮功率消耗耍低ｏ～ｔＯ％，在设“Ｊ二况下（流
螭为Ｉ８００ｍ’／ｈ）．Ａ／ＢⅡ｜轮耗功６３Ｗ／５９Ｗ．８叫轮耗功降低６３％。数据表ｕ月Ｂ叶轮ｊ｝有定节能敛果
（下转第７２万）
流场分析提供“阵依据。
从图９的试骑仇曲线巾埘以看出，在ＯＰａｍ
口静压条件Ｆ．Ａ／Ｂ两时轮风量几ｆ相等；在静
压超过１０Ｐａ以后，在１５Ｐａ至２５１Ｎ范例内．Ｂｌ咔
７２ＦＬＵＩＤＭＡＣＨＩＮＥＲＹ
Ｖ０１．３８，Ｎｏ．１２，２０１０
动车相同。材料蓄热系数小，对室外温度波振幅衰减度小，再加上车外综合温度波不同，动态负荷有很大差异，高速铁路客车空调最大围护结构传热量比普通铁
高速铁路客车与普通铁路客车单节车厢围护
结构传热量比较如图３所示。
路客车小，而且出现的时间不同。
４结论
良
翻豢
车
（１）高速铁路客车空调在设计时如果参照中低速客车设计，制冷量偏大；
（２）高速铁路客车空调负荷变化不同于中低
啦
武成汉宁
长沙
衡
阳韶关广州
速客车，应据实际情况制定其制冷量调节方案；
（３）高速铁路客车车外综合温度波起伏大，要
站点
图３单节车厢围护结构传热量比较
加强车体的保温隔热能力，减小车内温度的波动。
参考文献
［１］林生．动车组车体上的学问［Ｊ］．铁道知识，２００７，
（２）：３０－３１．［２］
刑双军．建筑物理［Ｍ］．浙江：浙江大学出版社，
２００８．
从图４可以看出：对于武广线，无论是高速铁路客车还是普通铁路客车，从始发站开出，１２ｈ以内都可以到达终点站，由于运行时间不长，普通铁路客车与高速铁路客车相比，虽然车外综合温度波有很大差别，但普通铁路客车车体的蓄热性好于高速铁路客车，在围护结构传热量曲线上都只有２个峰值，２个谷值，波形比较接近。普通铁路客车高速铁路客车空调负荷的２个峰值出现在长
沙区域和韶关区域，最大围护结构传热量为
［３］章音，滕兆武．车辆设计参考手册［Ｍ］．北京：中国
铁道出版社，１９９３．
［４］刘长远，武彤．铝合金车体隔热壁设计原理［Ｊ］．城
市轨道交通研究，２００８，（５）：３９－４２．
４９００ｗ左右，中低速铁路客车空调负荷的峰值出现在衡阳和韶关之间，最大围护结构传热量为５１００Ｗ左右。高速铁路客车由于车壁薄，轻量化
（上接第８页）
图１ｌ表示两叶轮的噪声特性曲线，Ｂ叶轮的噪声在整个测试流量范围内低于Ａ叶轮１．２—１．５ｄＢ（Ａ），试验测试风机叶轮的气动一声学性能表
作者简介：许建柳（１９７２一），男，博士研究生，从事制冷设备
节能方面的研究工作。通讯地址：２１０００４江苏南京市秦淮区来凤新村６４号５０５。
［１］王嘉冰，李荣，杨久铭．低压轴流风扇性能的改善
［Ｊ］．华中科技大学学报（自然科学版），２００７，３５（１）：７３－７６．［２】Ａｋａｉｋｅ
ｓ，鼬ｋｕｙ删Ｋ，Ｋｉｔａｄａ
Ｍ，ｅｔａ１．ＳｔｕｄｙｏｆＲｏｔａ－
Ｆｌｏｗ
明：设计的Ｂ叶轮在气动性能基本保持不变（设计
工况）的情况下降低了噪声，其性能优于Ａ叶轮。５结论
（１）将ＣＡＤ／ＣＦＤ耦合技术应用到空调室外机轴流风机系统的叶轮改进设计中，效果很好。
［４］
ｔｉｏｎａｌＮｏｉｓｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎｆｏｒＡｘｉａｌ
Ｆａｎ（ＡｎａｌｙｓｉｓＣｏｍｐｏｎｅｎｔ）
Ｂ，１９９６，３９
ａｎｄＥｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆＳｅｃｏｎｄａｒｙＦａｎ—Ｎｏｉｓｅ
［Ｊ］．ＪＳＭＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌ，Ｓｅｒｉｅｓ（３）：５９０－５９６．［３］Ｗａｄｉａ
ＡＲ，ＳｚｕｃｓＰＮ，Ｃｒａｌｌ
Ｄ
Ｗ．ＩｎｎｅｒＷｏｒｋｉｎｇｏｆ
Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ，
Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ
Ｓｗｅｅｐ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌｏｆ
１９９８，１２０：６７１－６８２．
王福军．计算流体动力学分析［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４．
新设计的Ｂ叶轮的内流状态得到了较大的改善，
消耗功率减少６．３％，且在气动性能基本保持不变的情况下降低了噪声，其性能优于Ａ叶轮。
［５］姜彩玲，陈江平，陈芝久．空调室外机流场特性研究
［Ｊ］．中国机械工程，２００５，１６（１２）：１０６１－１０６４．
（２）计算流体动力学分析（ＣＦＤ）软件Ｆｌｕｅｎｔ可有效地预测此类轴流风机系统的外部性能。
参考文献
作者简介：王兴双（１９８６一）。男，硕士研究生，主要从事流体机械优化设计研究，通讯地址：４３００７４湖北武汉市华中科技大学能源与动力工程学院流体机械及工程实验室。
空调室外开式轴流风机数值模拟与性能预测
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
王兴双， 李学敏， 王军， 何志强， WANG Xing-shuang， LI Xue-min， WANG Jun， HE Zhi-qiang
王兴双,李学敏,王军,WANG Xing-shuang,LI Xue-min,WANG Jun(华中科技大学,湖北武汉,430074) ， 何志强,HE Zhi-qiang(海信科龙(广东)空调有限公司,广东顺德,528311)流体机械
FLUID MACHINERY2010,38(12)
参考文献(10条)
1. 姜彩玲;陈江平;陈芝久 空调室外机流场特性研究[期刊论文]-中国机械工程 2005(12)2. 王嘉冰. 李荣. 杨九铭. 吴克启 低压轴流风扇性能的改善 2007(1)3. 王福军 计算流体动力学分析 2004
4. Akaike S. Kikuyama K. Kitada M Study of Rotational Noise Reduction for Axial Flow Fan (Analysis andEstimation of Secondary Fan-Noise Component) 1996(3)
5. Wadia A R;Szucs P N;Crall D W Inner Working of Aerodynamic Sweep[外文期刊] 1998(4)6. Wadia A R. Szucs P N. Crall D W Inner Working of Aerodynamic Sweep 1998
7. Akaike S;Kikuyama K;Kitada M Study of Rotational Noise Reduction for Axial Flow Fan (Analysis andEstimation of Secondary Fan-Noise Component)[外文期刊] 1996(03)8. 王福军 计算流体动力学分析 2004
9. 王嘉冰;李荣;杨久铭 低压轴流风扇性能的改善[期刊论文]-华中科技大学学报(自然科学版) 2007(01)10. 姜彩玲. 陈江平. 陈芝久 空调室外机流场特性研究 2005(12)
本文读者也读过(10条)
1. 姜彩玲. 田杰. 陈江平. 欧阳华. 杜朝辉. 陈芝久. Jiang Cailing. Tian Jie. Chen Jiangping. Ouyang Hua. Du Zhaohui . Chen Zhijiu 空调器室外机流场和噪声特性[期刊论文]-机械工程学报2005,41(9)
2. 王军. 邱鑫. 王兴双. 何志强 空调室外轴流风机结构匹配性能试验研究[期刊论文]-风机技术2010(2)
3. 欧阳华. 田杰. 吴亚东. 郑志明. 盐地纯夫. OUYANG Hua. TIAN Jie. WU Yadong. ZHENG Zhiming. SUMIO Shiochi 空调器室外机上下并联轴流风机系统的气动及声学特性[期刊论文]-机械工程学报2007,43(10)
4. 田杰. 欧阳华. 吴亚东. 杜朝辉. TIAN Jie. OUYANG Hua. WU Ya-Dong. DU Zhao-Hui 上下并联轴流风机室外机气动声学预测模型[期刊论文]-工程热物理学报2009,30(9)
5. 赵健仓. Zhao jiancang 风机叶轮焊接工艺的现状及展望[期刊论文]-风机技术2001(1)6. 林伯川. 陈恩鉴. 吴承康 煤粉低尘燃烧过程流场特性研究[会议论文]-2000
7. 何庆中. HE Qing-zhong 萝茨鼓风机风叶轮渐开线轮廓刨削加工工艺与胎具设计[期刊论文]-北京工商大学学报（自然科学版）2008,26(1)
8. 李芳芹. 李赫男. 任建兴. LI Fang-qin. LI He-nan. REN Jian-xing 330 MW旋流燃烧方式煤粉炉炉内速度场分布的数值模拟[期刊论文]-上海电力学院学报2010,26(4)
9. 田春. 张强. 谷嘉锦 横流风机流场与声场综合研究用装置的研制[期刊论文]-噪声与振动控制2002,22(1)10. 吴亚东. 欧阳华. 田杰. 杜朝辉 带格栅的空调器室外机的宽频噪声研究[会议论文]-2008
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ltjx201012002.aspx