風機盤管機組風道優化設計的數值研究

賴鳳麟 梁 暉 張華強 彭惠生

（1.廣東西屋康達空調有限公司，廣東 佛山 528000；2.清華大學，北京 100084）

0 引言

隨著環境問題的日益突出，保護環境、節約資源的呼聲越來越高，中央空調就是日常生活中的耗電大戶。由于中央空調的整體能耗較常用分體式空調低，越來越多的家庭住宅也開始安裝中央空調。風機盤管作為中央空調系統在民用住宅中常用的末端設備[1-3]，在國內空調市場被廣泛使用，但是長期以來卻沒有得到很大的改進[4]。風機盤管具有體型小、布置安裝方便、控制靈活、噪聲小等諸多優點[5]。但是國內的風機盤管機組的風場均勻性問題卻一直未能很好地得到解決[6]。改善機組內部流場的均勻性，既能降低能耗，又能提高盤管的換熱效率，從而提高風機盤管機組的整體性能。研究表明[7]，提高盤管迎面風速的均勻性能可以提高系統的效率。通過對單風機盤管結構的數值模擬[8]發現，漸擴風道結構、添加導流板均能在一定程度上提高來流場的均勻性，而對于使用較普遍的雙風機盤管的風場研究幾乎沒有。本文將通過數值模擬的方法，對雙風機盤管機組內部流場進行計算，并且觀察盤管不同傾斜角度下的流場均勻性變化，從而指導結構設計，降低盤管機組能耗，提升盤管機組整體性能。

1 數值計算方法

1.1 模型構建

本文所選的研究對象是如圖1所示的雙風機離心式風機盤管機組。由于實際模型當中很多結構均是為了安裝方便而設計，尤其是機組外部結構，對于內部流場是沒有影響的，因此在構建計算域時，考慮把風機送風出口作為計算域的入口；機箱內部風場流道結構保留，與實際模型一致；實際盤管是由成百上千片的換熱鋁翅片組成的，這部分結構如果不做簡化，計算成本會很高，綜合考慮將盤管簡化為細長條的狹縫，這樣既能盡可能地保留實際盤管的結構特點，又能滿足實際計算能力。最終簡化得到的實際風機盤管機組的計算模型如圖2所示。

圖1 雙風機離心式風機盤管機組實物圖

圖2 三維計算模型簡圖

此次研究選取的盤管傾斜角度有0°、30°、40°和45°四種工況，如圖3所示。各個工況下的流場分布計算結果詳見下文。

圖3 模擬工況

1.2 求解方法

從風機進入的空氣在機組內的流動屬于三維湍流流動，在計算時需作如下假設：（1）空氣特性參數均為常數；（2）空氣流動為不可壓低速穩態流；（3）整個風場無換熱，為恒溫場。風機入口設為質量流量入口，設定為0.244 kg/s；出口設置為自由流邊界，其余均默認為絕熱固體邊界條件。根據計算模型和風場流動特點，在計算時采用了湍流計算中應用最廣泛的K-epsilon兩方程模型，該模型具有穩定性、經濟性和相對較高的計算精度等特點。該模型的適用于本次計算的數學控制方程的張量式如下所示：

連續性方程：

2 結果與分析

為方便展示盤管機組內部流場分布，截取了z=0 mm（俯視圖，中間截面）、y=200 mm（側視圖，右側風機入口中間截面）、x=0 mm（主視圖，中間截面）三個方向的截面，繪制了各個工況下的截面的速度云圖和流線圖。

圖4所示為z=0 mm截面4個模擬工況下的速度云圖和流線圖。從圖4（a）可以看出，由于雙風機入口結構的特點，兩個送風口之間是安裝電機的位置，導致中間沒有空氣直接輸入，需要兩側的空氣擴散填充，從而形成了中間的低速回流區。入口兩側也有低速回流區，主要是送風入口屬于突擴流道，氣流從較小的流道進入時很容易在兩側形成回流。正是由于這種結構，導致盤管迎面風速均勻性較差，表現出兩側流速高，中間流速低的不均勻現象。但是隨著盤管傾斜角度的不斷增大，可以看到中間低速區的平均速度大小是不斷增大的。從圖4（b）也可以發現，入口位置無論是中間的回流還是兩側的回流，均會隨著盤管傾斜角度的增大而減弱，但當傾斜角為45°時，出口位置中間和兩側出現了較明顯的回流現象，這會影響機組出口流場的均勻性。再觀察盤管位置的流場分布可以看到，正是由于送風口流場的不均勻性，導致在中間位置的翅片間空氣流速較低，而兩側的翅片間風速較高，使得中間位置的翅片利用率較低，在實際使用時換熱效果較差，而這種換熱不均勻的現象也會影響換熱翅片的使用壽命，降低盤管的整體性能。另外，隨著盤管傾斜角度的增加，中間位置的翅片間流速是逐漸增大的，流場的均勻性是逐漸得到改善的?？傮w來看，隨著盤管傾斜角度的增加，整個橫向流場的高速區范圍越來越大，低速區范圍越來越小，但是角度太大時出風口會出現回流降低均勻度，角度太小時整體橫向流場的不均勻性較大，平均速度也較低。

圖4 z=0 mm截面速度云圖和流線圖

圖5所示為y=200 mm截面的4種模擬工況下的速度云圖和流線圖。與入口橫向結構不同，縱向結構上表面是一個突擴流道，而下表面是漸擴流道，這就導致了上下流場的不均勻性。從圖中可以看到，當盤管傾斜角度為0°時，由于上下結構具有較好的對稱性，從而流場也表現出較好的均勻性；隨著盤管傾斜角度的不斷增大，上下結構的不對稱性增大，縱向流場無論是入口位置、盤管位置還是出口位置均表現出較大的不均勻性。特別是當盤管角度達到40°和45°時（圖5（b）），由于下表面的凹腔結構，逐漸出現低速回流現象，嚴重影響了機組出口流場的均勻性；另外，上表面出口位置也會出現小范圍的低速區。隨著盤管傾斜角度的增大，機組內部流場縱向的不均勻性會逐漸增大。

圖5 y=200 mm截面速度云圖和流線圖

圖6 所示為x=0 mm截面的速度云圖。該位置是盤管所在的截面，可以直觀地觀察到盤管位置的流場分布。從結果可以看到，當盤管傾斜角度為0°時，除了中間部分的流場，整個盤管迎面風場的均勻性較好；30°時整個流場也依然呈現出較高的均勻性，并且中間低速區范圍減??；當角度達到40°和45°時，上下位置流場不均勻性較嚴重。與側視（y=200 mm截面）結果類似，盤管傾斜角度的變化會嚴重影響機組內部縱向流場的均勻性，為保證縱向流場的均勻性，盤管傾斜角度不宜過大。

圖6 x=0 mm截面速度云圖

為進一步對比盤管不同傾斜角度下的流場的均勻性，對機組出口截面的橫向速度和縱向速度的均值進行對比分析，結果如圖7所示。從圖7（a）很明顯地可以看到，橫向流場確實表現出中間流速低、兩側流速高的不均勻現象。這是由于雙風機盤管機組送風入口結構導致的，在后續結構設計中需要重點考慮改善這部分缺陷，可以在風機送風口位置加導流板或者對送風口進行改造。當盤管傾斜角度為0°時，出口截面整體流速較低，并且中間低速區的范圍也較大；隨著盤管傾斜角度的增大，出口截面的整體流速在增大，中間低速區的范圍則不斷減小，但是從40°～45°的區域變化不是很明顯，特別是45°時中間低速區的最小速度較其他3種工況更低，最大最小速度間相差甚大，流場均勻性較差。而盤管傾斜角度為30°和40°時，兩者的最小速度相差不大，低速區的范圍40°的相對較小，但是最大速度兩者相差很明顯，從均勻性角度來說，30°的流場均勻性較40°的好。另外對比出口截面縱向流場的分布圖7（b），當盤管傾斜角度為0°時，縱向流場均勻性較高，但因為入口位置上下表面結構不對稱，導致此時速度分布也并不完全對稱；而隨著角度的增加，在出口上半部分（0.04～0.08 m）開始出現不同程度的低速區；其中45°工況由于下表面也出現了回流，導致在-0.08～-0.055 m位置也出現了低速區，流場的縱向不均勻程度更高；30°較40°的低速區范圍更小，整體的均勻性更高。

圖7 出口截面平均速度橫向（a）和縱向（b）分布對比

綜上，在分析對比了4種不同盤管傾斜角度后發現，角度為30°時為較理想的結構。同時也發現了雙風機盤管機組的結構缺陷，尤其是在兩個風機送風口間安裝電機存在的空白區，使得入口位置流場出現中間流速低、兩側流速高的不均勻現象，在后續結構設計中需要重點考慮改善這部分缺陷。另外，就是入口位置上下表面的不對稱性，下表面為漸擴流道，沒有回流現象，而上表面為突擴流道，有較強的回流，因此考慮將上表面設計成與下表面對稱的漸擴流道，對流場重新計算，得到的出口截面橫向和縱向平均速度與改造前的對比可見圖8。從結果可以看到，將

圖8 結構修改后出口截面平均速度橫向（a）和縱向（b）分布對比備注：藍線為改造前速度，紅線為改造后速度。

3 結語

本文選取了廣泛使用的雙風機盤管機組作為研究對象，利用計算流體力學的數值計算方法，探究了盤管傾斜角度為0°、30°、40°和45°的風場均勻度。在對比完不同方向的流場分布結果后發現，當盤管傾斜角度為30°時，整個風場的均勻度較高，整體流速也不低，可在后續盤管結構設計中參考。另外也發現了雙風機盤管機組的結構缺陷，尤其是風機兩個送風口間安裝電機的位置，導致風場入口中間流速較低、盤管中間位置的換熱翅片利用效率很低，造成了資源的浪費，建議在后續結構設計當中考慮在入口位置添加導流板或是重新設計送風口。最后將入口位置上表面的突擴流道改造為與下表面對稱的漸擴流道，結果表明能夠改善流場的均勻性，尤其是縱向流場。

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