基于仿真的掃風機構舒適性及可靠性研究

劉 漢 楊 杰 薛加新

（國家節能環保制冷設備工程技術研究中心 珠海 519070）

前言

隨著經濟的發展，以及全球變暖后極端天氣的頻繁出現，房間空調器日益成為人們生活必不可少的產品，送風舒適性是房間空調器的主要性能之一，其直接影響著房間空調器產品的市場競爭力。房間空調器送風舒適性的關鍵設計因素之一就是送風角度，較大的掃風角度有利于送風范圍的增加，從而可以提高房間氣流循環速度[1]。同時，使用人感系統觀測房間溫度分布，并結合房間空調器掃風機構對房間進行精確定向送風，是發展智能房間空調器的關鍵技術。但房間空調器送風角度與掃風葉片的大小和形狀、機構運動范圍、風道形式都密切相關，如果各結構設計彼此不匹配，容易造成送風角度不足或不準確等問題[2]。

目前，房間空調器掃風機構送風角度設計較多的依賴于實驗的反復驗證與優化，導致設計效率低下，房間空調器研發的成本及周期大幅上升。因此，本文通過應用仿真軟件，建立掃風運動機構的仿真模型，實現送風角度的正向設計，把握了掃風機構送風角度設計準確性，提升了房間空調器開發過程中的設計質量，并縮短了開發周期。

1 模型

1.1 靜力學仿真模型

空調器掃風機構主要由電機、曲柄、連桿、柔性掃風葉片組成。工作過程中，電機驅動曲柄旋轉，曲柄通過連桿拉動柔性掃風葉片變形，從而使掃風葉片偏轉一定角度，實現對風道中氣流進行導風的作用[3]。

掃風葉片根據葉片柔性區域的不同，每個葉片偏轉后的形貌也會產生差異。因此，本文利用有限元靜力學仿真軟件，根據實際零件間連接關系設置邊界條件，通過設置電機旋轉角度，可分析確定掃風葉片變形后的具體形貌，如圖1所示，也可在計算結果中分析電機處的反作用力矩，得到電機旋轉該角度所需的驅動力矩大小。

圖1 房間空調器掃風機構運行后狀態

1.2 流體仿真模型

房間空調器掃風葉片的大小、形狀、彎曲程度直接影響著風道內氣流的流向，由于影響因素過多，理論計算已無法滿足產品快速開發的需求。流體仿真的有限元計算方法，可以快速評估結構對氣流的影響，并且得到可視化的云圖與豐富的數據結果。因此，可采用流體仿真軟件對房間空調器掃風機構送風舒適性進行研究，分析房間空調器氣流組織與掃風機構之間的關系，實現掃風運動機構的舒適性正向設計。

首先通過三維建模軟件建立房間的三維模型，由于無法直接導出變形后掃風葉片模型提供流體仿真使用，因此需在Creo中對掃風葉片通過扭曲特征進行變形處理，從而獲得變形后的柔性掃風葉片模型，具體操作如圖2所示。

圖2 使用扭曲特征的柔性掃風葉片

根據變形后的柔性掃風葉片模型，可建立提供流體仿真的房間空調器整機模型。

將房間及具有變形后掃風葉片的房間空調器導入流體仿真軟件，然后進行網格劃分、設定邊界條件。

設定的邊界條件為房間空調器正常運行工況，出口風量為650 m3/h，室內初始溫度為30 ℃，出風溫度為16 ℃。房間長度設定為4.5 m，寬度為3.5 m，高度為3 m，房間空調器安裝高度為2.3 m，安裝于房間寬度中間位置。

進氣區域為房間空調器風機出口，回流區域為房間空調器進氣口。

完成以上設置，就建立完成房間空調器掃風機構流體仿真模型，可計算不同掃風葉片旋轉角度對氣流組織的影響。

2 仿真模型校核

2.1 靜力學仿真模型校核

圖3 房間尺寸及房間空調器安裝位置

按照上述掃風葉片靜力學仿真模型進行計算，設定掃風葉片旋轉40 °，可得到所需電機力矩為5 N·cm。利用扭矩測試儀（如圖4所示）對掃風機構進行測試可知，掃風葉片旋轉40 °所需力矩為5.2 N·cm，誤差為4 %，考慮摩擦力因素，計算結果與實測數據較為吻合，靜力學仿真模型較為準確。

2.2 流體仿真模型校核

流體仿真軟件后處理可生成氣流流線圖，可分析掃風葉片對房間空調器氣流整體流向的影響，如圖5所示[4]。

圖5 送風趨勢流線圖

對距離壁掛機出風口0.5 m水平距離的豎直平面風速分布云圖進行分析，如圖6所示。通過云圖可知，該房間空調器掃風葉片在旋轉40 °時，風速中心位于出風口中心右側0.2～0.4 m處，最高風速達到1.7 m/s。

圖6 0.5 m豎直面風速分布仿真云圖

根據仿真工況，在同樣的房間尺寸、安裝尺寸、運行工況的實驗條件下，在距離房間空調器出風口0.5 m豎直面上，采集各點風速進行分析。

由表1實驗數據可知，該房間空調器掃風葉片位于仿真設置的角度時，風速中心位于出風口中心右側0.2～0.4 m處，最高風速達到1.7～1.8 m/s，與仿真結果基本保持一致，表明流體仿真模型較為準確，仿真精度較高。

表1 0.5 m豎直面風速分布測試數據（單位：m/s）

3 舒適性及可靠性分析

采用以上仿真模型，可研究掃風葉片旋轉角度對房間空調器出風氣流組織的影響，分析其是否滿足人體熱舒適性需求；也可研究掃風葉片旋轉角度對電機力矩的要求，分析其是否會影響電機長期運行的可靠性。

為保證房間內溫度均衡，房間空調器左右掃風覆蓋范圍需涉及房間70 %以上[5]，才能讓氣流在房間內充分擾動，避免溫差過大。但掃風葉片旋轉角度受到運動機構設計的限制。如圖1所示采用的四連桿機構存在運行效率問題，因此葉片的左右旋轉角度不能過大，否則電機會因力矩不足而無法驅動葉片到達設定位置，也使得電機存在長期運行可靠性問題[6]。

3.1 可靠性分析

利用上述靜力學仿真模型，可計算旋轉掃風葉片到一定角度所需要的電機力矩。設定掃風葉片旋轉角度為60 °進行仿真，計算結果如圖7所示。

圖7 掃風葉片力矩仿真變化曲線

由計算結果可知，掃風葉片旋轉角度越大時，所需電機力矩越大，房間空調器掃風機構采用的電機力矩最大值為9 N·cm，為保證長期運行可靠性，通常會設置1.5倍安全系數。因此機構所需力矩需控制在6 N·cm以內。

由圖7可知，掃風葉片旋轉角度為30 °、45 °、60 °的所需電機力矩分別為4 N·cm、5.7 N·cm、6.9 N·cm，因此，只有30 °、45 °才能電機可靠性要求。

3.2 舒適性分析

利用上述流體仿真模型，可計算掃風葉片旋轉一定角度后，房間空調器在房間內的實際送風覆蓋區域[7]。分別設定掃風葉片旋轉角度為30 °、45 °、60 °進行仿真，分析房間內1.1 m高度水平面內大于0.3 m/s風速的氣流分布范圍，計算結果圖8所示。

圖8 不同掃風葉片旋轉角度形成的室內送風范圍仿真結果

根據計算結果可知，掃風葉片旋轉角度30 °、45 °、60 °時，其在房間的送風范圍覆蓋率分別為49.5 %、74.2 %、82.8 %。由此可知，當掃風葉片旋轉角度為45 °及60 °時，其左右送風覆蓋區域滿足人體熱舒適性需求[8]。

結合上述可靠性分析結果，掃風葉片旋轉45 °為最優狀態，既可滿足房間送風區域70 %覆蓋率，也可滿足電機力矩1.5安全系數可靠性要求。

5 結論

通過有限元仿真軟件，分別建立房間空調器掃風機構靜力學仿真模型和流體仿真模型。結合實驗測試結果，表明建立的仿真模型誤差在5 %以內，滿足準確性要求，可以實現對掃風葉片可靠性及舒適性的仿真預估，指導產品設計。

利用該仿真模型，研究某款掃風葉片旋轉角度對電機可靠性及氣流組織的影響可知，在旋轉45 °時，人體熱舒適性及電機可靠性都能達到最優狀態，從而為后續房間空調器產品的掃風葉片旋轉角度的選擇提供理論依據。