空调室外机气动与声学特性的研究进展.pdf

2 0 1 5年第 4 3卷第 7期 流体机械 6 7 文章编号 1 0 0 50 3 2 9 2 0 1 5 0 7 0 0 6 7 0 5 空调室外机气动与声学特性的研究进展 杨启容 ， 秦静静 ， 吴荣华 ， 王硕 1 ． 青岛大学， 山东青岛2 6 6 0 7 1 ； 2 ． 海信 山东 空调有限公司， 山东青岛3 7 0 2 0 0 ； 3 ． 中国石油大学 华东， 山东青岛2 6 6 5 8 0 摘要 空调室外机噪声包括机械噪声、 电磁噪声和气动噪声， 其中机械噪声和电磁噪声在常规状态下影响较小， 气动 噪声是空调室外机风道系统的主要噪声。本文回顾了国内外关于空调室外机气动噪音的研究历史与现状 ， 结合文献着 重从数值模拟、 试验研究以及模态分析几个方面进行了分析。经过分析总结 ， 提出了进一步降噪需要开展的工作。 关键词 空调； 噪声 ； 数值模拟； 试验研究 ； 振动模态分析 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 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 5 ． 0 7 ． 0 1 4 Ad v a n c e s i n I n v e s t i g a ti o n o f Ac o u s tic a n d Ae r o d y 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 Y A N G Q i r o n g ， Q I N J i n g - j i n g ， WU R o n g h u a ， WA N G S h u o 1 ． 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 ； 2 ． Hi s e n s e s h a n d o n g A i r C o n d i t i o n i n g C o ， L t d ． Q i n g d a o 3 7 0 2 0 0， C h i n a ； 3 ． C h i n a U n i v e rs i t y o f P e t r o l e u m， Q i n g d a o 2 6 6 5 8 ， C h i n a Ab s t r a c t No i s e i n a i r c o n d i t i o n e r o u t d o o r u n i t i n c l u d e s me c h a n i c a l n o i s e ． e l e c t r o ma g n e t i c n o i s e a n d a e r o d y n a mi c n o i s e ． T h e e f f e e t s o f me c h a n i c a n d e l e c t r o ma g n e t i c n o i s e a r e mi n o r b u t a e r o d rn a mi c n o i s e e ff e c t i S t h e k e y i n t h e d u c t s y s t e m o f a i r c o n d i t i o n e r o u t d o o r u n i t ． T h e h i s t o r y a n d U ． t o d a t e d e v e l o p me n t o f n o i s e i n a i r c o n d i t i o n e r o u t d o o r u n i t w e r e r e v i e we d． T h e d e t a i l a n aly ． s i s i s c a r r i e d o u t f r o m t h r e e w a y s o f me t h o d s o f n u me ri c a l mo d e l i n g ， e x p e rime n t a l s t u d i e s a n d mo d al a n aly s i s a c c o r d i n g t o r e f e r - e n e e s ． On t h e b a s i s o f t h e a n a l y s i s a n d s u mma r y ． t h e f u r t h e r n e e d e d wo r k o f n o i s e r e d u c t i o n a r e p u t f o r wa r d ． Ke y wor d s a i r c o n di t i o n e r ； n o i s e； n ume ric a l s i mu l a t i o n； e x p e rime n t al s t u di e s； mo da l v i br a t i o n an aly s i s 1 前言 空调噪声 已成为消费者购买空调时考虑的关 键 因素之一 j 。据中央电视台报道 ， 2 0 0 0年夏天 投诉热点是空调器噪声 ， 主要是空调外机的噪声 严重影响了邻居的生活和休息 J 。 综上所述 ， 降低空调噪声已经成为当务之急。 分析空调噪声 的产生机理 ， 从根本上有效地控制 或降低噪声 ， 不仅提升了产品的质量 ， 也改善了人 们 的居住 环境 ， 会产 生显 著 的经 济效益 和社会 效益。 2 空调噪声产生的原因 为了降低噪声 ， 必须首先确定 噪声源 和噪声 收稿 日期 2 0 1 41 20 5 修稿 日期 2 0 1 5 0 6 2 5 基金项目 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 4 B A J 0 2 B 0 3 产生 的机理。只有这样 ， 空调 的设计和结构才能 被改善。空调室外机 噪声包括机械噪声 、 电磁噪 声和气动噪声 ， 其 中机械噪声 和电磁噪声在常规 状态下影响较小 ， 气动噪声是空调室外机风道系 统的主要噪声 ， 风机系统 的气动噪声属于偶极子 声源 ， 从噪声频谱上分析其 特点为宽频带上叠加 离散频率的频带， 因此气动噪声包括宽频噪声和 离散噪声 。宽频噪声主要 由随机性 的脉动力 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、 叶片在紊流的流体中运动 引起的 引起 的； 离散噪声主要 由动 叶与静 叶交 互作用引起 ， 包括叶片厚 度噪声和叶片定常载荷 与非定常载荷引起的噪声 。 空调室外机主要包括冷凝器、 轴流风扇 、 导流 罩、 出风网、 电机支架 、 中隔板 、 储液罐 、 压缩机、 四 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 43， No ． 7， 2 01 5 通换向阀和节流 阀 如图 1所示 。压缩机转 子 的振动引起压缩机、 箱体和四通阀的共振 ， 结构振 动的共振引起空气介质振动， 最后便产生了噪声。 空调室外机的风扇叶片的转动将会产生很大的噪 声。由于室外机的风扇属于低压轴 流风机 ， 在低 负荷 的情况下 ， 涡流损失也会带来非常大的噪声 。 导流罩和出风网是空调室外机的主要部件， 它们 的结构也能够影 响室外机内部流场的分布 ， 从而 引起空调的噪声 。室外机的电机支架的结构和数 目不合理 ， 也将会加大噪声 。总之 ， 通过研究这些 部件来降低噪声是非常有必要的。 热 交换 器 导流罩 图 1 空调室外机的结构示意 3 空调噪声问题的研究现状 3 ． 1 空调噪 声问题现状 根据强制性国家标准 家用和类 似用途 电器 噪声限值 规定， 从 2 0 0 8 年 8 月 1日起， 空调根据 其匹数大小对噪声值要求有所不同 即 国家规定 制冷量在 2 0 0 0 W 大约 1匹机 以下 的空调室 内 机噪声不应大于4 5 d B ， 室外机不大于5 5 d B ； 5 0 0 W 至 4 5 0 0 W 大约 1匹以下至 2匹机 的分体空调 室内机 噪声不 大于 4 8 d B， 室外 机不 大于 5 8 d B 。 在美国噪声标准用 N C 表示， 制冷量在2 0 0 0 W 大 约 1匹 机 以下 的 空调 室 内机 噪声 不 应 大 于 4 0 N C， 室外机不大于 5 0 N C； 5 0 0 W 至 4 5 0 0 W 大约 1匹以下至 2匹机 的分体空调室内机噪声不大 于 4 3 N C， 室外机不大于 5 3 N C。各大 空调厂家一 直都在为减少噪声而努力， 但是在空调制造行业， 降低空调室内机噪声相对来说比较容易， 如果要 降低室外机噪声却相对较困难。因为空调的压缩 机、 旋转风叶等大件都装在室外， 室外机运转起来 噪声不可避免 。市场上销售的空调产品 ， 厂家所 标称 的室外机噪声值大都在 5 0 d B左右 ， 有 的甚 至更高。另外， 安装不到位、 多年不清洗等多种外 部因素也会让噪声加重。 3 ． 2 空调噪声问题的国内外研究现状 空调噪声问题的研究方法很 多， 主要有数值 模拟、 试验研究 、 模态分析等方法。本文结合 国内 外研究成果分别从数值研究 、 试验研究 、 模态分析 综述噪音问题的研究发展过程。 3 ． 2 ． 1 空调噪音问题的数值研究 在空调室外机的研究中， 目前常用的方法就 是数值模拟与试验相结合。1 9 8 6 年， T ． F u k a n o 等 运用 C F D方法研究 了混合流动风机和低压轴 流 风机叶顶间隙 的改 变对流场 的影 响 J 。研究结 果认为叶顶间隙随着 叶顶间隙的减小 ， 尤其是间 隙的截面形状为翼形时， 风机在最大效率点运行 时或者远离设计点运行 时， 其气动噪声得到 了显 著提升 。因此要尽量避免转子轴的偏心和管道变 形 。1 9 9 0年 F u k a n o 等对研究 了不同导风罩的形 状对噪声的影响 ， 同时也探讨 了风机 转子前 缘的安装距离以及叶顶问隙对噪声产生 的影响 ， 发现在低风量时， 旋窝 出现在导风罩的上游区域。 由于导风罩形状会影响叶顶 区域的旋 涡流动 ， 因 此要合理选择导风罩的形状。1 9 9 7年 K a me i e r 和 N e i s e 也研究了叶顶间隙的噪声情况 ， 发现在间隙 的回流区域 中叶顶 间隙噪声很 明显 。1 9 9 8年 黄其柏和卢文祥针对对轴流风机周围流场进行分 析 ， 发现叶轮进 口流体 的非对称绕流是造成离散 频率噪声的增加重要原因 7 3 。2 0 0 0年 S ． M o r e a u l 和 S ． C a r o对宽频噪声进行 了计算 ， 计算采用的模 型为 F u k a n o的基本声学模型 ， 假定整个流场为湍 流 ， 利用 R A N S N a v i e r S t o k e s 方程以及两方程的 湍流模型， 对风机转子周 围的流体流动进行了模 拟 ， 得到了宽频噪声的有关信息 _ 8 ] 。2 0 0 1年王东 宝等 ， 采用三维数值模拟 的方法研究 了轴流风机 叶片附近流场情况 ， 得到了叶片边界层 的有关参 数， 用这些参数代替 L e e 平板模型中采用的边界 层近似参 数 ， 通 过计 算 ， 得到 了宽频 噪声 的结 果 J 。Me y e r 和 K r o g e对轴流风机风扇 叶片附近 的流动进行了数学建模 ， 并利用该模 型模拟 了叶 片上 、 下游的流动 ， 最后将模拟结果与实验结果做 了对比， 证 明了模型的正确性 _ 】 。王军等， 模拟 了分体式空调器室外机轴流风扇系统的气体流 动 。S ． Mo r e a u h和 M． R o g e r借助于单翼线 性 化理论研究了宽频噪声 ， 得到了宽频噪声 的声学 公式 。2 0 0 4年伍光辉等通 过数值模拟 方法 ， 对前缘弯掠轴流风扇进行数值模拟 ， 发现在 2 5 ％ 叶顶弦长位置出产生 的叶尖 涡会 卷吸附近 的流 体， 使得涡沿着一条与旋转方向相反的斜线向下 2 0 1 5年第 4 3卷第 7期 流体机械 6 9 游发展 。B e l a m fi和 Wa n g通过 C F D软件 分 析 了低 速轴流 风机 的径 向压 力分布 ， 同时使用 L o w s o n模型模拟了轴流风机气动噪声 ， 并 与试验 结果进行 了 比较 。A． Ma M o u m等分析 了叶 片 表面非定常压力场的气动声学性能 ， 采用的方 程为 F w H方程。2 0 0 5年姜彩玲等针对分体空 调室外机空气侧流场和声场的特点 ， 采用计算流 体动力学的方法对该系统的气体流动进行数值模 拟 ， 详细分析 了轴流风扇流道 内部和出 口的速 度分布 ， 并利用激光微粒 图像i 贝 0 速 P I V 手段 ， 验 证数值模拟结果 ， 在 C F D数值模拟 的基础上 ， 运 用 L o w s o n模型预估 了系统的离散频率噪声 ， 预估 值与测量值吻合较好， 同时验证了C F D技术能够 有效地分析室外机空气侧流场特性 ， 并为进行气 动声学分析提供依据。 2 0 0 6年丁国良和胡俊伟利用数值模 拟 的方 法对室外机内部气体流动进行了计算 ， 研究 了 室外机 出风口相对湍流强度的变化 ， 分析 了导流 罩宽度 、 导流罩导弧对室外机噪声的影响， 证明了 空调器室外机导流罩的宽度存在一个最佳值使室 外机的噪声最小 ； 同时， 根据导流罩导弧对室外机 噪声影响的规律设计出双导弧导流罩 ， 经过试验 验证分析 ， 表明了双导弧导流罩与 目前普遍使用 的导流罩相 比具更好的气动性能 ， 能进一步降低 空调器室外机 的噪声。2 0 0 7年欧 阳华等采用计 算流体力学方法对空调器室外机上下并联轴流风 机系统的气动和声学特性进行了研究 ， 研究发 现上下并联轴流风机系统 的离散频率噪声的基频 和高次谐波频率均不等于任何一个单体叶轮 的基 频及其高次谐波分量 ， 而是正 比于上下叶轮频率 差的整数倍 。2 0 0 9年王洪磊等利用 F l u e n t 软件 ， 建立了多部件耦合的分体式空调室外机风道系统 的有限元模 型_ 2 0 J ， 根据计算结果 ， 对原外机风道 系统的流场进行 了分析 ， 找 出了影响出 口涡流 的 关键耦合部件风扇罩 ， 对其进行 了结构优化 ， 通过试验验证了模型和优化结果 的有效性 ， 提高 了原室外机的出风量 ， 降低 了涡流噪声。2 0 1 0年 王兴双等应用不可压缩 N a v i e r S t o k e s 方程和湍流 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 的性能试验 ； 讨 论 了 2种叶轮匹配 同一室外机 时对 内部流场 的影 响 ， 新设计的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。 2 0 1 1 年刘秋洪等采用雷诺平均数值模拟方法对 空调室外机内部的三维黏性非定常流动进行 了计 算 ， 获取了用于噪声分析 的气动声源 ； 在此基 础上 ， 依据 L o w s o n方程对脉动压力产生的气动声 场进行 了仿真 ， 预测 了空调室外机各部位气 动声 源对声场的贡献 ， 并对锯齿轴流风叶的降噪效果 进行了分析 ； 为了识别偶极子声源 ， 对固体壁面处 的静压脉动进行 了分析 ， 证 明了静压脉动的相位 一 致是采用偶极子声源强度进行声源识别 的前提 条件 ； 室外机噪声数值预测结果与试验在定性上 吻合较好 ， 说 明噪声数值分析方法具有 良好 的工 程应用价值。李庆宜、 朱自强、 刘顺隆、 赵兴艳 和 苏铭 德 在 数 值 研 究 方 面也 进 行 过研 究 。 - 2 7 ] 。 H a o Wa n g 等通过重新设计喇叭口轮廓 ， 对空调室 外 机螺 旋桨 风 扇 的空 气动 力 学性 能进 行 了研 究 引。 3 ． 2 ． 2 空调噪声 问题 的试验研究 很多学者在对空调室外机进行模拟计算分析 时 ， 通过试验进行验证 ， 对于一些简单的问题直接 通过试验进行研究分析。 目前 ， 采用试验方法或 者试验与模拟计算相结合的方法进行空调噪声分 析的研究 主要有 K i n o s h i t 等以及 K i k u y a n l a等使 用激光多普勒测速仪测量 了转子 内外部 的涡流 动 。1 9 9 7年 Wu和 S u用一个半经验公式对 自由场中的轴流风扇进行了噪声频谱 的预钡 0 。被 预测 的噪声频谱与风扇实测 的频谱有很好的一致 性 。王华定等实验研究 了降噪方法 ， 认为增大 动静 叶 间 的轴 向距 离 可 以 降低 旋 转 噪声 。 B e n c z e等使用 多普 勒测速仪测试 了单轴流 风扇 转子的三维流场 。1 9 9 9年 D u n n等利用边 界 积分方程法对管道 内的轴流风扇 噪声进行 了预 测 ， 并 通 过 实 验 对 该 方 法 的 准 确 性 进 行 了 验 证_ 3 。2 0 0 0年 T ． F o k a n o等对叶尖涡与噪声的关 系进行 了分析 ， 研究过程采用 了跟随叶片旋转 的 两热线系统测量方法 ， 发现 叶尖涡是宽频 噪声 和 离散频率噪声 的重要 因素 。2 0 0 2年吴亚东等 采用基于实验的 C F D计算对带格栅空调器室外 机 的宽频噪声特性进行 了研究 ， 研究发现进气 紊流噪声和尾缘涡脱落噪声是带格栅空调室外机 的主要噪声源， 并采用基于 C F D计算结果以及实 验测量结果的进气紊流噪声模型以及改进后适用 于格栅的尾缘涡脱落噪声预测方法计算了空调室 外机总声压级 ， 误差小于 1 d B A， 满足实际工程应 用的要求 。2 0 0 4年 M a a l o u m实验测试 了轴流风 7 0 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 4 3， No． 7， 2 01 5 机管道进 口以及轮毂前缘形状对 风机噪声 的影 响 。2 0 1 0年王军、 邱 鑫等针对 目前 空调室外 轴流风机噪声较大 的问题 ， 利 用 3种不同叶轮结 构进行整机试验 ， 讨论 了在 同一条件下轴 向位 置变化 ， 径 向间隙， 叶片形状对整机噪声的影响 ， 并给出了一个优化方案 ， 为空调室外轴流风机的 优化匹配提供 了试验依 据。X i n g Z h a o等采用 数值模拟和实验研究相结合的方法对分体式空调 室外机的气动和声学性能进行了分析 ， 得 出结 论 ， 风扇几何修正可以有效降噪。 3 ． 2 ． 3 空调室外机的模态研究 对机械设备的振动分析研究 中， 有限元分析 软件扮演了重要的角色。大批通用和专用的分析 软件涌现出来 ， 其 中用得较为普遍 的是 A N S Y S 、 法国的 S Y S T U S 、 德国的 A S K A、 美 国的A B Q U S 、 英 国的 P A F E C 、 S T A R D Y N E、E L A S 、 M A R C等， 这些 软件的出现， 极大地提高了研究者们 的研究效率 ， 产生了巨大的经济效益 ， 在机械 、 能源动力、 化工、 航天 、 生物 、 水利等研究领域得到了广泛应用。 2 0 0 8年刘元峰用有 限元 分析的方 法研究 了 空调器配管的振动特性 ， 通过大 型商业有限元软 件 A N S Y S对配管系统进行 了模态分析 ， 分析其各 阶固有频率和振型 。2 0 0 9年薛玮飞 、 舒乐 华等对空调室外机实际管道结构建立力学模型 后， 用有限元程序对其模态分析， 得出了该管道结 构固有频率值 和对应 固有频率 下 的振 型 图 。 为验证配管模态分析结果的可靠性 ， 进行了配管 固有频率测试。测试值与仿真值在前几阶是相吻 合 ， 进一步验证了配管理论的正确性 ， 这对节约空 调成 本和提 升空调产 品质量具 有重要 的意义。 2 0 1 1 年黄磊等研究了室外机箱体薄板 的厚度 、 挂 钩分布位置 以及挂 钩形状 对薄板振动特性 的影 响， 同时探讨了螺栓连接薄板以及挂钩连接薄板 的非线性 问题 j 。2 0 1 1年杨元涛对空调压缩机 及其管路系统的振动激励源进行 了受力分析 ， 确定了振动载荷的加载方法 ， 对空调室外机的单 机和整机建立 了分析模 型， 利用有 限元软件 A N ． S Y S对 系统进 行了动力学模 态分析 和谐 响应分 析 ， 并通过振动测试实验对样机的数据进行了测 试 ， 然后将测试结果和仿真结果进行了对 比验证 。 这些结果对空调器的结构设计具有指导意义。 4 结 语 1 空调室外机的主要噪声源是压缩机和轴 流风机。导风罩、 出风网和 电机支架 的结构对 噪 声影响较大 ； 2 不同的叶片形式 、 出风 网的直径 、 导风罩 的宽度和导弧形式 已经被优化来降低噪声。根据 空调室外机的发展和噪声问题 ， 还有很多部件需 要被进一步优化， 如箱体、 换热器等； 3 研究人员在数值研究、 试验研究和振动 模态分析上已经取得了一定的研究成果。但在振 动模态分析上的研究较少 ， 研究压缩机 的振动模 态分析更是少之又少。 通过对空调室外机气动与声学特性研究的综 述可知， 在降低空调室外机的噪声研究方 面还有 很多工作要做 ， 主要有 管内介质的流动对室外机 噪声影响的研究 ； 压缩机振动模态分析的研究 ； 室 外机所用材料的研究与开发 ； 采用参数化方法对 空调室外机的结构， 包括换热器 、 箱体结构 、 中隔 板等结构的优化等 ， 其中采用参数化 的方法对研 究空调室外机的噪声具有重要意义。 参考文献 [ 1 ] 人大代表． 北京市环境噪声污染管理办法 [ z]． 2 0 1 0 ． [ 2 ] 王瑞强． 空调器室外机的降噪研究 [ D] ． 武汉 华 中 科技 大学 ， 2 0 1 1 ． [ 3 ] F u k a n o T， T a k a ma t s u Y， K o d a m a Y． T h e e f f e c t s o f t i p c l e a r a n c e o n t h e n o i s e o f l o w p r e s s u r e a x i a l a n d mi x e d fl o wf a n s [ J ] ． J o u ma l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n ， 1 9 8 6 ， 1 0 5 2 2 9 1 3 0 8 ． [ 4 ] 深野微 ， 福原稔， 川越和浩， 等． E x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e n o i s e r e d u c t i o n o f a p r o p e l l e r f a n ． 1 s t R e p o r t ． Ae r o - 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5 5 ． [ 3 3 ]V a d J ， B e n c z e F ． T h r e e ． d i m e n s i o n al fl o w i n a x i a l fl o w f a n s o f n o n f r e e v o r t e x d e s i gn[ J ] ． I n t e rna t i o n al j o u rna