第21卷第2期
2 0 2 1 年 2 月
REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING
38-42
厂+..+..+..+..+“+..+..+..+..+、
+ 制造・加工 +
|本栏目投稿邮箱：
[
********************.c n +
肖洪力 李业强吴俊鸿张守信
(珠海格力电器股份有限公司)
摘 要 为了满足空调器室外机提高风量和降低噪声的设计要求，基于CFD 仿真对导流圈结构参数进行 DOE 设计与响应面优化分析.以导流圈进口弧半径、弧长对应的圆心角、直线段长度、出口扩压段长度、出
口扩压角为优化变量，提高风量为优化目标.结果表明：在给定范围内，进口弧半径和弧长所对应的圆心角 对风量的影响最大，直线段长度次之；使用优化后导流圈结构参数组合方案制作的导流圈与原导流圈相比,
风量提升约3.5%，相同风量下噪声降低约2 dB(A)。导流圈的优化设计方法可为相关设计提供借鉴.
关键词 导流圈；风量；数值仿真；响应面优化
Optimal design on structural parameters of inlet shroud in
outdoor unit of air conditioner
Xiao Hongli Li Yeqiang Wu Junhong Zhang Shouxin
(Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai)
ABSTRACT In order to meet the design requirements of increasing the air volume and re
ducing the noise of outdoor unit of air conditioner, the design of experiment (DOE) and the response surface optimization analysis on the structural parameters of inlet shroud are
carried out based on CFD simulation. The variables of the inlet arc radius , the central an gle corresponding to the arc length, the length of straight line, the length of the exit df- fuser section and the outlet diffuser angle are optimized to increase the air volume. The re
sults show that within a given range , the inlet arc radius and the central angle correspond ing to the arc length have the greatest influence on the air volume, followed by the length of the straight line; the air volumes of the inlet shroud made based on the combined opti
mization scheme of structural parameters are increased by about 3.5% than that of the
original inlet shroud, and the noise is reduced by 2 dB(A) under the same air volume. The
optimization design method of inlet shroud can provide references for the related design.
KEY WORDS inlet shroud;air volume ;numerical simulation ；response surface optimization 空调器室外机的噪声是影响用户实际体验的
重要因素之一，而导流圈作为室外机风机系统的 主要导流部件，其对室外机的噪声起着至关重要 的作用.因此，研究人员针对导流圈的设计和仿 真等做了大量的研究工作.赵亮等：1：对室外机风
道部件导流圈进行数值模拟和试验研究，得到影 响导流圈型线的几个重要因素；郭宝坤等⑵利用
CFD 技术分析导流圈切割产生的缺口对室外机风
量及流场带来的影响；庞丰⑶通过试验研究了导风
圈的高度、长度和弧形段等结构参数对室外机风
量及噪声的影响；胡小文等⑷以家用空调器室外机 轴流式风机导风圈的结构模型为研究对象，通过
室外机噪声测试和室外机气动性能试验，研究了
导风圈覆盖率对空调器室外机风道系统噪声和气 动性能的影响；丁国良等页通过仿真计算和试验验 证的方法分析了导流罩宽度、导流罩导弧对室外
收稿日期：2020-08-31，修回日期：2020-10-22
作者简介：肖洪力，硕士，主要研究方向为制冷空调设备CFD 仿真、热设计与噪声优化
。
第2期肖洪力等：空调器室外机导流圈结构参数优化设计-39-
机流场和噪声的影响；杨娟等对导流圈结构参
数影响的流场特征和噪声给出了全面的描述。
基于以上分析发现，空调器室外机的导流圈
设计，主要通过经验设计或对导流圈结构参数的
单因素仿真分析和试验研究，此类方法存在设计
效率低、准确性差等问题。因此，到一种导流圈
全参数化建模和自动仿真优化的方法对于提高设
计效率和准确性具有重要意义。笔者采用CFD仿
真对导流圈进行DOE设计与响应面优化分析，以风量为评价指标对各种参数组合进行数值仿真，根据数值仿真结果优化得到导流圈的参数组合，并制作导流圈样件进行试验验证，达到提高风量、降低噪声的目的。
1室外机及导流圈结构
某款1.5匹家用空调器室外机结构如图1所示，包括机壳、冷凝器、电机支架、电机、轴流风叶、导流圈以及压缩机区域。导流圈作为室外机风道系统的主要部件，其结构参数对室外机的风量和噪声具有重要影响。导流圈的主要结构参数有：进口侧进口弧半径R(20mm)；进口侧弧长所对应的圆心角9 (90°)；直线段长度H(30mm)；出口扩压段长度L (19.6mm)；出口扩压角0(15°)。
2仿真计算
2.1物理模型与计算方法
为保证仿真计算的准确性，计算物理模型(见图2)考虑冷凝器、电机支架等对气流的影响。此外，为保
证室外机出口边界的流动均匀性，在室外机的出口加上延伸段，延伸段为圆柱体，其半径为风叶直径的3倍，其长度为风叶直径的5倍，基于导流圈全参数化进行建模，便于后续导流圈结构参数的修改。由于室外机内部流场复杂，对计算物理模型采用四面体非结构网格划分，其中旋转区域单独进行网格划分，并对叶片表面和叶顶间隙的网格进行局部加密，旋转区域与内流场其他区域通过interface交换数据。考虑到电机及其支架对气流具有阻塞作用，对电机及其支架附近的网格进行适当加密，进出口延伸域采用六面体结构化网格划分。
选择压力进出口边界条件，采用SIMPLE算法差分格式和k-e双方程湍流模型进行求解，旋转区域采用多重旋转坐标系，换热器采用多孔介质模型，固壁采用无滑移壁面条件。综合考虑计算机性能和计算时间，对仿真网格进行网格无关性检验，得到整个模型的网格数为240万个左右，其中风叶所在的旋转区域网格数量为140万个左右。仿真计算残差低于10-6，认为计算收敛。
2.2仿真可靠性验证
为验证仿真的可靠性，对导流圈进行不同转速下的出口风量仿真计算，并进行导流圈的室外机风量测试，仿真计算结果与测试结果对比如图3所示。从风量对比可知，仿真风量较试验风量稍大，这与仿真换热器处多孔介质阻力系数设置有一定关系，但二者之间的误差均在5.4%以下，满足工程允许误差范围的要求，认为该仿真模型具有一定的可靠性。
(qMI)
、*<
1800----------------------------------------------------------------
700750800850900
转速/(r/min)
图3仿真风量与试验风量对比
2.3仿真优化流程
ANSYS Workbench可以控制ANSYS不同工具(几何建模/网格剖分/求解器/后处理)之间的数据传输，因此，只需要通过Workbench界面中的工作流程图即可管理整个项目，
从而很方便地
第21卷・40・
实现自动化的仿真流程，进一步实现参数化分析和设计优化分析。笔者基于Workbench优化模块Design Exploration中的响应面优化法对导流圈进行参数化优化，仿真优化流程如图4所示。
图4响应面优化分析流程2・4DOE及响应面优化分析
DOE(designofexperiment)是研究和处理多因子与响应变量关系的一种科学方法。它通过合理地挑选试验条件、安排试验，并通过对试验数据的分析出总体最优的改进方案［11］。根据导流圈的主要结构参数选定其重要的设计参数，对其进行DOE，基于自动化的仿真流程实现不同参数组合的仿真计算，以出口流量为评价指标对参数间的组合进行响应面优化方法寻优。
充分考虑计算成本和效率，选取导流圈进口侧进口弧半径进口侧弧长所对应的圆心角9，直线段长度H，出口扩压段长度L和出口扩压角"五个因素为设计变量，根据加工工艺等限制，设置输入参数的可变范围分别为：10〜30mm,70°〜110°,10〜50mm,0〜30mm,10°〜30°；采用CCD (中心复合设计)方法进行试验设计，每个因素选取3个水平，试验方案及结果如表1所示。
表1试验方案及计算结果
试验编号
因素响应值
圆心角9/(°)
出口
扩压角/?/(°)
直线段
长度H/mm
出口扩压段
长度L/mm
进口弧
半径R/mm
风量/(m3/h)
19020302020235 2020302020204 3110203020202755 490103020202727 590303020202747 690201020202717 79020502020265 890203010202713 990203030202 1090203020102654 119020302030296 12010101030269 13110101010102596 140301********* 15110301010302708 160105010102351 1110105010302802 18030501030248 19110305010102691 200101030102289 2
1110101030302785 220301********* 23110301030102689 240105030302765 25110105030102724 260305030102503 2110305030302838
根据试验方案及计算结果，对导流圈结构参数进行敏感度分析。如图5所示，在给定的范围内，进口弧半径对风量的敏感度最大，进口侧弧长所对应的圆心角次之，出口扩压角最小；各参数的敏感度排序为R>9>H>L>B，且各参数与出口流量成正相关。因此，在进行导流圈设计时对敏感度大的结构参数应重点关注。
导流圈作为轴流式风机的主要部件，
对风机
第2期肖洪力等：空调器室外机导流圈结构参数优化设计・41厂
4()
30
20
10
结构参数
图5结构参数灵敏度分析
办公自动化原理及应用R
系统具有整流和减小涡流等作用，优化导流圈提
高风机风量，对改进噪声具有重要意义。因此笔
者将一定转速下的风机出口风量最大化作为优化
目标进行响应面优化，优化设置如下：优化算法为
Screening，样本数为1000，最大候选点数为3个,
整机出口风量最大值为优化目标。
响应面优化程序推荐3个候选方案和计算结
果，如表2所示。优化导流圈的型线如图6所示,
对优化得到的3组导流圈结构参数进行仿真计算，
并与优化方案的风量预测结果进行对比分析。由
表2可知，优化方案的风量预测结果与仿真结果的
偏差在0.4%以内，表明响应面优化结果的可
靠性。
表2优化导流圈与原导流圈结构参数对比
参数原导
流圈
优化方案
方案一方案二方案三
圆心角9/()90110110110出口扩压角0/()15181515直线段长度H/mm30.048.545.013.出口扩压段长度H/mm19.26.015.014.进口弧半径R/mm20.22.530.030.0导流圈总长,/mm70979057预测风量/(m3/h)—283928332816仿真风量,/(m3/h)2720283028212802
(c)方案三
可编程序控制器原理及应用图6优化导流圈型线参数
由表2知，进口弧半径和进口侧弧长所对应的圆心角对风量影响较大，直线段长度次之，出口扩压段长度和出口扩压角敏感度最小。优化得到的导流圈方案风量最大为2830m3/h左右，较原导流圈风量提高了约4%。
3试验分析与验证
按照上述优化方案制作导流圈试验样件(见图7)，并进行风量和噪声测试，与原始导流圈进行对比，试验在风量测试实验室和和半消声噪声实验室完成，满足GB/T7725—2004《房间空气调节器》关于房间空气调节器风量、噪声试验要求。
(a)方案一(b)方案二(c)方案三
图7优化导流圈样件
图8〜图10所示为优化导流圈与原始导流圈的试验数据。由图8可知，尤化方案导流圈均较原导流圈风量提高，同转速(850r/min)下方案一风量高80m3/h，方案二风量高60m3/h，方案三风量高50m3/h，优化导流圈风量较原始导流圈提升约3.5%，与响应面优化结果吻合度高。由图9可知，尤化方案导流圈均较原导流圈功率低，同风量(2200m3/h)下方案一功率低4W，方案二功率低3W，方案三功率低2W。由图10可知，优化方案
3200
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
口流
一
二
湖南科技学院图书馆三
导
案
案
案
M-
方
方
方
850
图8优化方案与原方案风量对比
900
-口
第21卷
-42・7065
6055
504540
3530
252Q I I I I I I 1 600 1 800 2 000 2 200 2 400 2 600 2 800
北京空调器厂(m 3/h)
图9优化方案与原方案功率对比
(v
) a p 'K
蹴
5250484644424038361
60
1 800
2 000 2 200 2 400 2 600 2 800
风量 / (nf/h)
10优化方案与原方案噪声对比
图导流圈噪尸较原导流圈低，同风量(2 200 m 3/h)下 方案三噪声低2 dB(A)，方案二噪声低1.4 dB
(A)，方案一噪声低1 dB(A)o
综合对比优化方案的风量和噪声数据可知,
当圆心角和进口弧半径相当时，导流圈总长度加
长可进一步提高风量、降低功率，但噪声总值减小 幅度降低。因此，以减小噪声为目标时，满足圆心
角和进口弧半径较优后应尽量控制导流圈的总 长度.4结论
采用CFD 仿真对导流圈进行DOE 设计与响
应面优化，以风量为评价指标对各种结构参数组
合进行数值仿真，根据数值仿真结果优化得到导 流圈的结构参数组合。 制作优化导流圈 样件进行 试验，得到以下结论：
1) 由结构参数敏感度分析，在给定的范围内,
进口弧半径对风量的敏感度最大，进口侧弧长所
对应的圆心角次之，出口扩压角最小，各结构参数 与出口风量成正相关。
2) 使用基于响应面优化分析得到导流圈的结
构参数组合方案制作的导流圈相比原导流圈，风
量提升约3.5%，相同风量下噪声降低约2 dB(A)o
3) 对比风量和噪声数据可得，当圆心角和进
口弧半径相当时，导流圈总长度加长可进一步提
高风量、降低功率，但噪声值减小幅度降低。因 此，以减小噪声为目标时，满足圆心角和进口弧半 径较优后应尽量控制导流圈的总长度。
参考文献
［1］ 赵亮，刘中杰，刘利娜.家用空调器室外机导流圈对内 流场影响分析［J ］.制冷与空调,2010,10(5) ：35-38.
［2］
郭宝坤，李跃飞，马丽华.导流圈干涉处理对空调室外
机流场的影响［J ］.制冷技术,2016,36(6) ：68-72.［］庞丰.空调室外机的导风圈结构对风量噪音的影
响研
究［J ］.家电科技,2018(4)62-65.
［］胡小文，胡斯特，张辉.家用空调室外机导风圈覆盖率
对风道性能和噪声影响的实验研究［C ］〃2018年中 国家用电器技术大会论文集.2018.
［］丁国良，胡俊伟.导流罩对空调器室外机噪声的影响
［J ］.机械工程学报,2006,42(3):136-141.
［6］
杨娟，赵可可，刘江，等.以导风圈参数对比分析为例
的室外流场计算及优化研究［C ］〃第十届全国电冰箱
(柜)、空调器及压缩机学术交流大会论文集.2011.
［7］
陆志伟.导流罩对轴流风扇性能的影响［D ］.武汉：华
中科技大学,2015.
［8］ 王巍雄，莫顺华，陈馨，等.导流罩安装位置对轴流冷
科学与技术的区别却风扇性能的影响［J ］.风机技术，2007(1) ：5- 7 .
［］陆志伟，杨昆，王嘉冰.弧形锯齿进口导流罩对轴流风
扇性能的影响［J ］.工程热物理学报，2016,3 7 (2)：
6- 9 .
［10］
水晶报表申江，汪倍倍，李堃.导流罩结构参数对轴流风机性
能影响的仿真研究［J ］.低温与超导，2019,47 (2)：
91-95.
［11］
刘文卿.实验设计［M ］.北京：清华大学出版社,2005
.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议