空调室外机气动与声学特性的研究.pdf

7 2 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 5， 2 01 3 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 0 5 0 0 7 20 4 空调室外机气动与声学特性的研究 秦静静。 杨启容 ， 王翠苹 。 王卫东 青岛大学 ， 山东青岛 2 6 6 0 7 1 摘要 采用 C F D模拟方法对空调室外机风道系统进行了模拟计算。根据计算结果分析了室外机风道系统的流场， 比较了不同声源下的噪声频谱， 从而得出不同声源对噪声的影响。同时， 对中隔板的孔和缝隙上的噪声进行了分析 ， 提 出了降低噪声的方法。将整个室外机的噪声频谱与室外机振动模态频率进行比较， 找出共振区域， 为室外机噪声的降低 提供了参考。 关键词 室外机； C F D模拟 ； 气动特性； 振动模态； 噪声 中图分类号 T H 4 3 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 1 6 I n v e s t i g a t i o n o f Ac o u s t i c a n d Ae r o d n a mi c No i s e i n Ai r Co n d i t i o n e r Ou t d o o r Un i t Q I N J i n g - j i n g ， Y A N G Q i r o n g ， WA N G C u i p i n g ， WA N G We i d o n g Q i n g d a o U n i v e r s i t y ， Q i n g d a o 2 6 6 0 7 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e me t h o d o f C F D w a s u s e d t o s i mu l a t e a i r c o n d i t i o n i n g o u t d o o r u n i t a i r d u c t s y s t e m．T h e fl o w fi e l d o f t h e o u t d o o r u n i t a i r d u c t s y s t e m wa s a n a l y z e d a c c o r d i n g t o t h e r e s u l t s a n d c o mp a r e s n o i s e s p e c t r u ms i n d i ff e r e n t s o u n d s o u r c e s ． T h e n t h e e ff e c t s o n n o i s e c a u s e d b y d i f f e r e n t s o u n d s o u r c e s we r e o b t a i n e d ．A t t h e s a me t i me， n o i s e o f h o l e s a n d s l i t s i n s e p a r a t o r wa s a n a - l y z e d an d me t h o d s o f r e d u c i n g n o i s e wa s p u t f o r w a r d ．C o mp a r i n g t h e n o i s e s p e c t r u m o f t h e e n t i r e o u t d o o r u n i t an d t h e o u t d o o r u n i t v i b r a t i o n mo d e f r e q u e n c y ，t h e r e s o n a n c e r e g i o n w a s i d e n t i fi e d ．I t p r o v i d e s r e f e r e n c e t o r e d u c e n o i s e o f t h e o u t d o o r u n i t ． Ke y wo r d s o u t d o o r u n i t ； CF D s i mu l a t i o n； a e r o d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s ； v i b r a t i o n mo d e ； n o i s e 1 前言 随着人们生活水平和国家能效标准的不断提 高 ， 空调室外机的噪声问题 已经越来越受人们 的 关注。相关学者已经在如何降低空调室外机的噪 声方面做出了一些研究。丁国良、 胡俊伟等分析 了导流罩和出风网钢丝直径对空调室外机噪声的 影响⋯； 王兴双等对轴流式风机进行了数值模 拟， 并提出新的叶轮形式来降低噪声 ； 刘秋洪 等对空调室外机气动噪声进行了数值分析 ； 王 洪磊等对空调的噪声也进行了研究 。但是 从噪声产生的机理出发 ， 对整个 室外机不 同声源 条件下的噪声研究还较少， 将气动噪声频率与振 动模态频率结合起来分析降低噪声的研究更是少 之又少。而通过研究不同声源下 的噪声来分析噪 声类型， 使从噪声机理上降低噪声成为可能； 分析 收稿 E t 期 2 0 1 21 1 1 6 修稿 日期 2 0 1 30 4-0 7 气动噪声频率和振动模态频率能够为有效地减少 共振带来的噪声提供依据和方法。本文建立包括 出风网、 导流罩、 电机 、 中隔板等关键部件组成的室 外机模型， 并对模型进行模拟计算 ， 详细地分析计 算结果 ， 对如何降低室外机噪声提出可行性建议。 2 室外机结构分析与简化 某空调室外机结构主要由冷凝器 、 轴流风机 、 导流圈、 导风罩 、 电机及支架 、 中隔板 和压缩机区 域组成。由于室外机的气动噪声与风道系统有 关 ， 因此可以忽略压缩机 区域 ， 将模 型进行简化 。 3 模型建立与计算 3 ． 1 模型的建立 7 4 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 5， 2 01 3 4 ． 2 关键部件的噪声分析 宽频噪声主要 由随机特性 的脉动力 所引起 的， 主要包括紊流边界层引起的表面压力场 、 运动 流体 中物体表面的漩涡脱落引起的脉动力和当叶 片在原本 是紊流 的流体 中运动 时所 产生 的脉 动 力。离散噪声主要 由动叶周期性地扰动空气机器 与静 叶交互作用引起 的， 主要包括 叶片厚度噪声 和叶片定常载荷和非定常载荷引起的噪声。将噪 声机理与电机 、 导流罩 和叶轮等部件对噪声类 型 的贡献结合起来 ， 对 针对性地改善噪声具有重要 的指导意义 。 噪声频谱的频率范围根据非稳态计算的时间 步长确定。其最高频率的计算式为 f1 ／ △ f 在本计算 中， 时间步长为 0 ． 0 0 0 1 s ， 则频谱范 围为 0 5 0 0 0 H z 。 叶轮 、 电机 、 导流罩等结构是室外机结构中的 关键部件 ， 在优化噪声上主要从这 些关键部件进 行优化。在优化噪声前， 应该清楚这些部件所产 生的噪声类型 离散还是宽频 ， 根据 噪声类型 ， 从产生的机理上进行优化 ， 能够更便捷地找到优 化方案。首先 以所有部件为噪声源计算在声源接 受点 的噪声频谱 ， 然后分别依次 除去 电机 、 导流 罩 、 叶轮 ， 来计算在相 同声源接受点 的噪声频谱 。 结果如图 5 8所示。 蔓 96 忙 频率 1 0 3 H z 图5 声源为所有部件时的噪声频谱 从图5可以看出， 室外机噪声是由宽频噪声 和离散噪声叠加而成的。 离散噪声的基频为 fn z ／ 6 0 式中n 叶轮转速 ， r ／ mi n z 风轮叶片数 本文所计算的室外机叶轮转速为 8 3 9 r ／ mi n ， 叶片数为 3 ， 故离散噪声的基频为 4 1 ． 9 5 H z 。从 图 5所示的噪声频谱 中可 以看 出， 噪声频谱在十 四 倍基频处有明显的峰值， 可见在该频率下室外机 的噪声中离散噪声占主要部分 。 7 5 ∞ 警5 5 缸 0． O 2 ． 5 5 ． 0 频率 1 0 r t z 图 6 声源为除电机以外的噪声频谱 l 08 ∞ l ∞ 姐 92 巅 出 粗 O． O 2． 5 5． 0 频率 1 0 H z 图7 声源为除导流罩以外的噪声频谱 0．O 2． 5 5 ． 0 频率 1 0 Hz 1 图 8 声源 为除叶轮以外的噪声频谱 从图6 可以看出， 在忽略电机的情况下， 噪声 频谱的峰值明显减小， 由此可知， 电机的存在大大 增加了离散噪声 ； 从 图 7可以看出 ， 在无导流罩的 情况下， 声压级仍较大， 但噪声频谱变得平滑些， 即宽频噪声增加 ， 这说 明导风罩主要是降低 宽频 噪声 ； 从图 8可 以看 出， 在无叶轮 的情况下 ， 峰值 明显减小且峰值个 数也减少 ， 由此可知叶轮主要 2 0 1 3 年第 4 1 卷第 5 期 流体机械 7 5 是增加室外机的离散噪声。 从 图 58中可 以看 出， 室外机噪声的能量 主 要集中在低频区， 随着频率升高， 声压级降低。 4 ． 3 室外机的噪声频谱与振动模态频率 为了分析室外机的噪声频率与振动模态频率 是否引起共振， 首先计算出室外机的振动模态频 率。室外机的振动分析采用 h y p e r m e s h 软件， 根据 建立的室外机模型和室外机的材料确定杨氏模量 、 质量密度 、 泊松 比， 在 h y p e r m e s h中输入 限定的边 界条件， 计算前十二阶模态频率 ， 见表 2 ， 并与以由 室外机离散噪声的基频为基准的频率进行比较。 表2 不同阶次下的室外机模态频率 阶次 振动模态频率 H z l 2 0 ． 8 5 2 3 7． 4 4 3 4 6 ． 4 4 4 5 2 ． 6 8 5 5 8． 1 8 6 6 5． 6 4 7 6 7 ． 1 5 8 74． 71 9 7 9．1 7 l O 8 2 ． 2 6 1 1 8 9 ． 3 1 1 2 9 3 ． 8 9 室外机离散噪声 的基频为 4 1 ． 9 5 H z ， 二 次谐 波时的频率为 8 3 ． 9 H z ， 比较可知离散噪声二次谐 波时的频率与室外机的十阶模态频率非常接近， 这样就容易引起共振， 增大噪声。为了避免共振， 应该适 当地增加室外机 的模态频率。板厚 、 挂钩 的位置和挂钩的角度是影 响室外机模态频率的主 要因素， 因此适当增加室外机的厚度， 改变螺栓连 接与挂钩连接的位置来改变箱体的模态特征。 5结论 1 室外机噪声主要 由离散噪声 和宽频噪声 组成， 离散噪声主要分布在低频区； 2 室外机 中隔板上安置线路 的孔和缝隙处 的噪声较大 ， 改变线路安置方式 ， 除去中隔板上的 孔和缝隙， 将会大大降低噪声 ； 3 室外机的关键部件中， 叶轮主要是增加 室外机的离散噪声， 导流罩主要是降低室外机的 宽频噪声 ， 电机主要是增加室外机的离散噪声， 根 据各个部件对噪声类型的贡献 ， 从 噪声产生的机 理出发 ， 可以为降低噪声提供针对性 的研究方 向 和改进方法 ； 4 将基于 C F D计算的离散噪声和基于 h y - p e r m e s h 计算的振动模态频率， 在离散噪声的二 次谐波时的频率和室外机的十阶模态频率相近， 容易引起共振， 适当增加室外机的厚度， 改变螺栓 连接与挂钩连接的位置来改变箱体的模态特征。 参考文献 [ 1 ] 丁国良， 胡军伟． 导流罩对空调室外机噪声的影响 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 6 ， 4 2 3 1 3 6 - 1 4 1 ． [ 2 ] 王兴双， 李学敏， 王军， 等． 空调室外开式轴流风机数 值模拟与性能测试[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 0 ， 3 8 1 2 5 - 8 ． [ 3 ] 刘秋洪， 宋亚辉， 汤永光． 空调室外机气动噪声的数值 分析[ J ] ． 科学技术与工程， 2 0 1 1 ， 1 1 6 1 1 5 9 1 1 6 5 ． [ 4 ] 王洪磊， 向东， 段广洪， 等． 分体式空调室外机风道系 统的流场分析[ J ] ． 流体机械， 2 O O 9 ， 3 7 6 6 5 - 6 9 ． [ 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 ， 2 0 0 5 ， 1 6 1 2 1 0 6 1 - 1 0 6 4 ． [ 6 ] 邓明义， 孟鸣， 王军 ， 等． 多折热交换器及其局部倒 片降低空调室内机气动噪声的研究[ J ] ． 流体机械， 2 0 0 1 ， 9 i o 5 8 - 6 0 ． 【 7] M a a l o u m A， k o u i d r i S ， R e y R． A e r o a e o u s t i e p e r f o r m． a n c e e v a l u a t i o n o f a x i al f a n s b a s e d o n t h e u n s t e a d y p r e s s u r e fi e l d o n t h e b l a d e s u r f a c e [ J ] ． A p p l i e d A c o u s t i c s ， 2 0 0 4， 6 5 3 6 7 8 4 ． [ 8 ] J i a n g C L ， T i a n J ， O u y a n g H， e t a1． I n v e s t i g a t i o n o f a i r fl o w fi e l d s a n d a e r o a c o u s t i c n o i s e i n o u t d o o r u n i t f o r s p l i t - t y p e a i r c o n d i t i o n e r [ J ] ． J o u rnal of N o i s e C o n t r o l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ， 5 4 3 1 4 6 - 1 5 6 ． [ 9 ] 欧阳华， 田杰， 吴亚东， 等． 空调器室外机上下并联 轴流风机系统的气动及声学特性[ J ] ． 机械工程学 报， 2 0 0 7 ， 4 3 1 0 2 1 5 - 2 2 0 ． [ 1 0 ] 仲惟燕， 高峰． 空调室外机轴流风扇全流场数值模 拟[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 2 ， 4 0 4 8 5 - 8 8 ． [ 1 1 ] 王荣山， 任爱， 钱王洁， 等． 巴克豪森噪声在电站用 铁磁材料疲劳寿命评估领域的研究现状[ J ] ． 压力 容器， 2 0 1 2 ， 2 9 1 2 3 5 ， 5 6 - 6 0 ． [ 1 2 ] 郭幼丹， 吴春笃， 程晓农． 超薄塑料包装盒注塑模 具设计与注塑过程控制[ J ] ． 包装与食品机械， 2 0 1 1 ， 8 3 3 - 3 7 ． 作者简介 秦静静 1 9 8 9一 ， 女， 在读硕士， 主要研究方向为 家用电器的噪声研究与控制 ， 通讯地址 2 6 6 0 7 1山东青岛市宁夏 路 3 0 8 号青岛大学机电工程学院。