空調(diào)器室外機(jī)軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜流動及其氣動聲學(xué)研究.pdf

1、含導(dǎo)風(fēng)罩的部分管道式軸流風(fēng)扇系統(tǒng)大量應(yīng)用于民用和商用空調(diào)器中，其結(jié)構(gòu)特點與全管道式以及全開式軸流風(fēng)扇系統(tǒng)有很大的不同，為了提高空調(diào)室外機(jī)的性能以及降低噪聲，對部分管道式軸流風(fēng)扇系統(tǒng)的氣動聲學(xué)及其流動特點的研究已經(jīng)成為室外機(jī)研究的主要方向之一。 論文以分體式空調(diào)器室外機(jī)內(nèi)部含導(dǎo)風(fēng)罩的部分管道式軸流風(fēng)扇系統(tǒng)為研究對象，采用先進(jìn)的實驗分析和CFD數(shù)值計算相結(jié)合的研究手段詳細(xì)研究了均勻進(jìn)氣情況下部分管道式軸流風(fēng)扇系統(tǒng)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)單轉(zhuǎn)子和上

2、下并聯(lián)雙轉(zhuǎn)子室外機(jī)的氣動－聲學(xué)性能。分析了部分管道式軸流風(fēng)扇內(nèi)部復(fù)雜三維湍流流場，特別是葉頂區(qū)域葉尖渦的形成、發(fā)展，及其與導(dǎo)風(fēng)罩干涉后的拉伸和破裂現(xiàn)象。提出了基于低速等熵流渦聲理論和CFD數(shù)值計算方法相結(jié)合的部分管道式軸流風(fēng)扇系統(tǒng)氣動噪聲源辨識方法，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了基于CFD的渦脫落噪聲預(yù)測模型。采用近場CFD計算非定常脈動力和遠(yuǎn)場非齊次FW-H方程相結(jié)合的氣動聲學(xué)混合計算方法，分別在時域和頻域?qū)κ彝鈾C(jī)軸流風(fēng)扇離散頻率噪聲及其噪聲譜進(jìn)行

3、了預(yù)測研究，并分別對時域預(yù)測模型和頻域預(yù)測模型展開了討論。本文的主要研究工作包括： 1.建立了一套軸流風(fēng)扇氣動－聲學(xué)實驗裝置。采用聲強(qiáng)法對室外機(jī)噪聲源分布進(jìn)行了詳細(xì)的測量，結(jié)合頻譜分析手段分析了室外機(jī)主要噪聲頻譜特征。采用粒子圖像測速儀(Particleimagingvelocimetry，PIV)和熱線風(fēng)速儀(HotwireAnemometer，HWA)對含導(dǎo)風(fēng)罩的部分管道式軸流風(fēng)扇系統(tǒng)內(nèi)部流場進(jìn)行了詳細(xì)的測量。實驗結(jié)果結(jié)合三

4、維CFD數(shù)值模擬研究了部分管道式軸流風(fēng)扇系統(tǒng)葉尖渦、尾緣渦特征，及其在室外機(jī)內(nèi)部的流動變化。 2.室外機(jī)中主要噪聲來自于軸流風(fēng)扇系統(tǒng)出口產(chǎn)生的氣動噪聲，噪聲源表現(xiàn)為偶極源分布特征。室外機(jī)噪聲頻譜由寬頻和離散頻率噪聲組成，寬頻噪聲起主導(dǎo)作用，離散頻率噪聲峰值在葉片通過頻率及其諧波處。上下并聯(lián)雙轉(zhuǎn)子室外機(jī)離散頻率噪聲峰值分別對應(yīng)上下葉輪通過頻率及其諧波處，室外機(jī)內(nèi)部上下葉輪間流場干涉對室外機(jī)總聲壓級影響較小。 3.含導(dǎo)風(fēng)罩的

5、部分管道式軸流風(fēng)扇系統(tǒng)，在葉輪前緣由于吸力面和壓力面壓差產(chǎn)生葉尖渦，隨葉輪旋轉(zhuǎn)往下游和流道內(nèi)部發(fā)展。當(dāng)流經(jīng)導(dǎo)風(fēng)罩時，葉尖渦受導(dǎo)風(fēng)罩?jǐn)D壓，渦結(jié)構(gòu)發(fā)生拉伸和破裂現(xiàn)象從而輻射噪聲。當(dāng)軸流風(fēng)扇置于室外機(jī)內(nèi)部時，葉尖渦在子午面上的軌跡愈發(fā)向中部葉高方向發(fā)展。室外機(jī)不均勻進(jìn)氣導(dǎo)致室外機(jī)進(jìn)出口流場表現(xiàn)出明顯的不對稱性，該不對稱性使得葉輪旋轉(zhuǎn)一周的脈動增大。室外機(jī)不同時刻葉片表面壓力分布表明，葉尖渦與導(dǎo)風(fēng)罩干涉是室外機(jī)中葉片表面非定常力脈動的主要原因，

6、影響室外機(jī)離散頻率噪聲。對上下并聯(lián)雙轉(zhuǎn)子室外機(jī)，進(jìn)出口上下葉輪間流場干涉較小。 4.采用葉尖渦渦心軌跡分析方法得到了不同安裝角葉輪葉尖渦與導(dǎo)風(fēng)罩干涉作用，建立了渦運動與聲學(xué)輻射的關(guān)聯(lián)。基于數(shù)值模擬的低速等熵流渦聲理論分析表明，對于均勻進(jìn)氣的部分管道式軸流風(fēng)扇系統(tǒng)，葉輪出口尾緣渦是噪聲輻射的主要方面。對于室外機(jī)，除尾緣渦影響外，氣流流經(jīng)換熱器產(chǎn)生湍流對軸流風(fēng)扇進(jìn)口湍流噪聲有一定影響。熱線測量表明，氣流流經(jīng)換熱器產(chǎn)生湍流，經(jīng)過與主流

7、摻混作用，在到達(dá)葉片前緣時較小，產(chǎn)生的進(jìn)氣湍流噪聲對低壓軸流風(fēng)扇的噪聲輻射影響小。 5.基于三維定常數(shù)值模擬的渦脫落噪聲預(yù)測模型，計算得到空調(diào)室外機(jī)的寬頻噪聲及噪聲總聲壓級。噪聲預(yù)測與實驗結(jié)果對比分析表明，在葉片下游5mm處提取尾跡流動參數(shù)，預(yù)測得到噪聲較準(zhǔn)確。單轉(zhuǎn)子室外機(jī)誤差在2dBA，對于上下并聯(lián)雙轉(zhuǎn)子室外機(jī)，不考慮干涉影響下，預(yù)測誤差在3dBA以下，預(yù)測方法滿足工程應(yīng)用需要?；贔W-H方程和三維非定常數(shù)值模擬的混合方法，

8、對室外機(jī)離散頻率噪聲進(jìn)行時域和頻域求解。通過精細(xì)的數(shù)值模擬計算，減少了時域噪聲預(yù)測所需時間。對頻域模型中Bessel函數(shù)的數(shù)值分析表明，對低馬赫數(shù)的低壓軸流風(fēng)扇，僅二階以下Bessel函數(shù)對離散頻率噪聲預(yù)測有影響，簡化了頻域預(yù)測模型。聲學(xué)緊湊的分析及其與片條理論預(yù)測結(jié)果的對比，驗證了旋轉(zhuǎn)點源預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。時域和頻域預(yù)測結(jié)果在葉片通過頻率及其低階諧波處吻合較好，且與實驗結(jié)果相比誤差小，說明了離散頻率噪聲預(yù)測模型在室外機(jī)應(yīng)用中的準(zhǔn)確性。