上下并联轴流风机室外机气动声学预测模型(1)

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本文基于CFD模拟方法，分析了空调器室外机上下并联轴流石家庄风机系统噪声源分布，建立了室外机气动声学预测方法。研究发现，上下并联轴流石家庄市风机厂系统由宽频和离散频率噪声组成，宽频噪声是影响室外机噪声总声压级的重要因素。涡声分析表明，涡脱落噪声是宽频噪声的主要影响因素。基于CFD的叶片尾缘涡脱落噪声预测方法计算得到宽频声压误差为2 dB，考虑离散频率影响时，室外机A计权总声压级预测误差小于2 dBA。基于CFD的点源时域预测模型，捕捉到了上下并联轴流石家庄市风机厂系统的离散频率噪声峰值，且在上下叶轮前二阶谐波处预测值与实验值吻合较好。与传统的单转子轴流石家庄市风机厂室外机相比，上下并联轴流石家庄市风机厂辐射噪声总声压级更大，对其气动噪声的研究越来越引起人们的重视。目前大量的研究应用于室外机单转子轴流石家庄市风机厂的流动和声学预测中，SATO等1|、JANG等采用LDV详细测量了叶片顶部与导风罩间复杂流场，为石家庄市风机厂叶片及导风罩优化设计提供了依据。文献[3]中采用PIV测量了室外机内部流动，基于CFD模拟方法，分析了室外机单转子轴流石家庄市风机厂的气动噪声预测方法。对室外机上下并联轴流石家庄市风机厂系统，文献[4]采用PIV和CFD模拟方法分析了室外机气动和声学特征，上下叶轮间流场干涉对总声压级和噪声频谱特性均无明显的影响。本文以商用3．7 kw分体式空调器室外机为研究对象，在文献『41基础上，采用基于CFD模拟的涡声理论分析室外机气动噪声源分布，并由涡脱落噪声模型得到室外机总声压级。同时，采用基于CFD数值模拟的点源时域噪声模型预测空调器室外机离散频率噪声。
1研究对象及研究方法
1．1研究对象本文研究的上下并联双转子室外机系统由压缩机室、换热器、电动机及其支架、导风罩和上下并联轴流石家庄市风机厂等组成，如图1所示。轴流石家庄市风机叶片为大弦长、小展弦比的前掠叶片，叶片数3，叶轮外径470 mm，轮毂比0．340，室外机内两个轴流石家庄市风机厂呈上下并联布置。实验过程中室外机压缩机关闭，出口格栅未安装。测试工况为室外机最高挡运行工况(HH工况)，上下叶轮转速分别为752 r／min、838 r／min，流量系数分别为o．251、o．248。1．2数值分析方法室外机内部流动CFD数值计算基于商用FLU—ENT软件，包括定常和非定常，均为求解不可压缩雷诺平均Navier—Stokes方程。定常计算中对流项采用二阶中心差分格式，扩散项采用二阶迎风格式，压力一速度的耦合采用SIMPLE方法。湍流模型采用标准k一￡模型，近壁面采用标准壁面函数。非定常计算采用大涡模拟(Large eddy simulation，LES)，其中小尺度涡的模拟采用基于Prandle混合长度理论的亚格子Smagorinsky模型。非定常计算的压力一速度耦合采用PISO方法。计算采用多重旋转坐标系，风扇与室外机内部静止部件之间的动静交接面置于风扇叶尖间隙的中间位置。对于定常计算，采用多参考坐标系(Multiple reference frame，MRF)模型处理动静交接面；对于非定常计算，采用滑移网格技术求解动静干涉非定常效应。CFD计算中室外机上游远场进口给定流量边界条件，下游远场给定压力边界条件。定常CFD计算的收敛准则为计算残差￡<10～。在定常计算收敛的基础上进行非定常计算。非定常计算时间步长为10～S，计算参数呈现周期性变化后即认为收敛，取叶轮旋转10圈后的准周期结果进行分析。CFD数值计算精度在文献f41中通过PIV实验测量验证，在本文的研究中，直接应用CFD模拟结果进行进一步涡声分析以及气动声学预测。
2研究结果分析
2．1室外机噪声源分析典型的空调器室外机噪声频谱如图2所示，室外机辐射气动噪声由离散频率噪声和宽频涡流噪声组成，宽频噪声频率范围在20 Hz一10 kHz，离散频率噪声主要表现在300 Hz以下的低频部分，对应峰值频率分别为38．68 Hz、77．18 Hz、97．16 Hz、129．57Hz、153．99 Hz、193．87 Hz。由室外机噪声频谱计算得到宽频和离散频率噪声总声压级分别为52．23、47．55dBA，相对室外机总声压级53．5 dBA，离散频率噪声的影响约为1．23 dBA。因此，室外机噪声总声压级主要来自于宽频噪声分量。