空调室外机气动与声学特性的研究

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中图分类号： TH43 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.05.016Investigation of Acoustic and Aerod namic Noise in Air Conditioner Outdoor UnitQIN Jing-jing，YANG Qi-rong，WANG Cui-ping，WANG Wei-dong(Qingdao University，Qingdao 266071，China)Abstract： The method of CFD was used to simulate air conditioning outdoor unit air duct system.The flow field of the outdoorunit air duct system was analyzed according to the results and compares noise spectrums in diferent sound sources.Then theefects on noise caused by diferent sound sources were obtained.At the same time，noise of holes and slits in separator was ana-lyzed and methods of reducing noise was put forward.Comparing the noise spectrum of the entire outdoor unit an d the outdoor unitvibration mode frequency，the resonance region was identifed.It provides reference to reduce noise of the outdoor unit。

Key words： outdoor unit；CFD simulation；aerodynamic characteristics；vibration mode；noise1 前言随着人们生活水平和国家能效标准的不断提高，空调室外机的噪声问题已经越来越受人们的关注。相关学者已经在如何降低空调室外机的噪声方面做出了-些研究。丁国良、胡俊伟等分析了导流罩和出风网钢丝直径对空调室外机噪声的影响；王兴双等对轴流式风机进行了数值模拟，并提出新的叶轮形式来降低噪声 ；刘秋洪等对空调室外机气动噪声进行了数值分析 ；王洪磊等对空调的噪声也进行了研究 。但是从噪声产生的机理出发，对整个室外机不同声源条件下的噪声研究还较少，将气动噪声频率与振动模态频率结合起来分析降低噪声的研究更是少之又少。而通过研究不同声源下的噪声来分析噪声类型，使从噪声机理上降低噪声成为可能；分析收稿Et期： 2012-11-16 修稿日期： 2013-04-07气动噪声频率和振动模态频率能够为有效地减少共振带来的噪声提供依据和方法。本文建立包括出风网、导流罩、电机、中隔板等关键部件组成的室外机模型，并对模型进行模拟计算，详细地分析计算结果，对如何降低室外机噪声提出可行性建议。

2 室外机结构分析与简化某空调室外机结构主要由冷凝器、轴流风机、导流圈、导风罩、电机及支架、中隔板和压缩机区域组成。由于室外机的气动噪声与风道系统有关 ，因此可以忽略压缩机区域 ，将模型进行简化。

3 模型建立与计算3.1 模型的建立74 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，20134.2 关键部件的噪声分析宽频噪声主要由随机特性的脉动力所引起的，主要包括紊流边界层引起的表面压力尝运动流体中物体表面的漩涡脱落引起的脉动力和当叶片在原本是紊流的流体中运动时所产生的脉动力。离散噪声主要由动叶周期性地扰动空气机器与静叶交互作用引起的，主要包括叶片厚度噪声和叶片定常载荷和非定常载荷引起的噪声～噪声机理与电机、导流罩和叶轮等部件对噪声类型的贡献结合起来，对针对性地改善噪声具有重要的指导意义。

噪声频谱的频率范围根据非稳态计算的时间步长确定。其最高频率的计算式为：f1/△f在本计算中，时间步长为 0.0001s，则频谱范围为0-5000Hz。

叶轮、电机、导流罩等结构是室外机结构中的关键部件，在优化噪声上主要从这些关键部件进行优化。在优化噪声前，应该清楚这些部件所产生的噪声类型(离散还是宽频)，根据噪声类型，从产生的机理上进行优化，能够更便捷地找到优化方案。首先以所有部件为噪声源计算在声源接受点的噪声频谱，然后分别依次除去电机、导流罩、叶轮，来计算在相同声源接受点的噪声频谱。

蔓96忙频率(×103Hz)图5 声源为所有部件时的噪声频谱从图5可以看出，室外机噪声是由宽频噪声和离散噪声叠加而成的。

离散噪声的基频为：fnz/60式中 n--叶轮转速，r/minz--风轮叶片数本文所计算的室外机叶轮转速为 839 r/min，叶片数为3，故离散噪声的基频为41.95Hz。从图5所示的噪声频谱中可以看出，噪声频谱在十四倍基频处有明显的峰值，可见在该频率下室外机的噪声中离散噪声占主要部分。

75∞ 警5缸0.O 2.5 5.0频率(×10 rtz)图6 声源为除电机以外的噪声频谱l08∞ l∞ 姐92巅出粗O.O 2.5 5.0频率(×10 Hz)图7 声源为除导流罩以外的噪声频谱0.O 2.5 5.0频率(×10 Hz1图 8 声源为除叶轮以外的噪声频谱从图6可以看出，在忽略电机的情况下，噪声频谱的峰值明显减小，由此可知，电机的存在大大增加了离散噪声；从图7可以看出，在无导流罩的情况下，声压级仍较大，但噪声频谱变得平滑些，即宽频噪声增加，这说明导风罩主要是降低宽频噪声；从图 8可以看出，在无叶轮的情况下 ，峰值明显减小且峰值个数也减少，由此可知叶轮主要2013年第41卷第5期 流 体 机 械 75是增加室外机的离散噪声。

从图5-8中可以看出，室外机噪声的能量主要集中在低频区，随着频率升高，声压级降低。

4.3 室外机的噪声频谱与振动模态频率为了分析室外机的噪声频率与振动模态频率是否引起共振，首先计算出室外机的振动模态频率。室外机的振动分析采用hyper mesh软件，根据建立的室外机模型和室外机的材料确定杨氏模量、质量密度、泊松比，在 hyper mesh中输入限定的边界条件，计算前十二阶模态频率，见表 2，并与以由室外机离散噪声的基频为基准的频率进行比较。

表2 不同阶次下的室外机模态频率阶次 振动模态频率(Hz)l 20.852 37.443 46.444 52.685 58.186 65.647 67.158 74.719 79.17lO 82.2611 89.3112 93.89室外机离散噪声的基频为 41.95Hz，二次谐波时的频率为 83.9Hz，比较可知离散噪声二次谐波时的频率与室外机的十阶模态频率非秤近，这样就容易引起共振，增大噪声。为了避免共振，应该适当地增加室外机的模态频率。板厚、挂钩的位置和挂钩的角度是影响室外机模态频率的主要因素，因此适当增加室外机的厚度，改变螺栓连接与挂钩连接的位置来改变箱体的模态特征。

5 结论(1)室外机噪声主要由离散噪声和宽频噪声组成，离散噪声主要分布在低频区；(2)室外机中隔板上安置线路的孔和缝隙处的噪声较大，改变线路安置方式，除去中隔板上的孔和缝隙，将会大大降低噪声；(3)室外机的关键部件中，叶轮主要是增加室外机的离散噪声，导流罩主要是降低室外机的宽频噪声，电机主要是增加室外机的离散噪声，根据各个部件对噪声类型的贡献，从噪声产生的机理出发，可以为降低噪声提供针对性的研究方向和改进方法；(4)将基于CFD计算的离散噪声和基于hy-per mesh计算的振动模态频率，在离散噪声的二次谐波时的频率和室外机的十阶模态频率相近，容易引起共振，适当增加室外机的厚度，改变螺栓连接与挂钩连接的位置来改变箱体的模态特征。