1、引言

窗式空调器又称窗机，因一般安装在窗台上、窗户上部或建筑预留孔中而得名，其结构紧凑、安装方便深受港澳和美洲地区普通消费者所青睐。但是窗机空调器因其室内侧与室外侧不完全分开，室内侧能感觉到明显的噪音。因此，噪音品质问题是窗机产品质量提升的重要因素。关注窗机空调噪音产生机理，降低和控制室内侧噪音，对窗机质量提升有重要意义。

窗式空调器的噪音主要有三大来源，即气动噪音（包括旋转噪音、湍流噪音）、结构噪音（包括薄壁件振动、压缩机）和电磁噪音（包括电机、压缩机、电路板）。其中气 动噪音占总噪声的68%～82%，而振动噪音虽然噪音贡献 不大，但是容易产生较大的振动幅值，严重影响产品的使用寿命（疲劳安全）及用户体验。气动噪音主要包括旋转噪音和湍流噪音，旋转噪音主要是因为叶轮周期性的拍打周围空气所产生的，而湍流噪音主要是因为叶片在旋转过程中，与周围空气相互作用而产生的宽频噪音。

国内外很多学者采用数值模拟、模态分析、试验研究等多种方法，研究空调噪声问题。Kröger和Meyer运用实验与仿真相结合的方法，模拟叶片周围流动情况，并验证了仿真结果的准确性[1]；游斌等对风机内部流场做了理论数值计算，得到其内部压力分布[2]；叶舟等针对风机出风口及周围流场，运用仿真模拟，获得其漩涡分布情况[3]；方开翔等基于Fluent对轴流风机进行了流场模拟和噪声评估[4]。本文以仿真模拟结合实验的方式进行研究。

2、数学模型与算法

空调风机运行时，内部流场比较复杂，现做假设如下：

（1）空调风机内部气流速度较慢，进出口压差较小且温差小，可以将其视作不可压缩流动。

（2）空气相对风机流速低，且其内壁面粘性摩擦系数小，可以忽略摩擦生热，继而忽略能量方程。采用MUSCL离散格式，进行湍动能、动量方程、湍流耗散等的求解，采用 Coupled算法进行压力-速度耦合，同时选用 k-ε湍流模型，近壁面流动利用标准壁面函数处理。

能量方程忽略的前提下，主要控制方程为动量和连续方程。由质量守恒定律知，单位时间内，控制体的流入量和流出量相同，质量守恒定律对应得到连续性方程，因此，不可压缩流体的连续性方程为：

式中，u、v、w分别为三个坐标方向的速度分量。

由动量守恒定律知，对于特定某个流体系统，其动量的时间变化率等于作用于其上的外力总和。动量守恒定律对应得到动量守恒方程，其数学表达式即运动方 程，也就是著名的 Naiver-Stokes方程：

其中，p为流体压力；μ为运动粘度；SMx、SMy、SMz为动量守恒方程的广义源项。

3、风机流场与气动力分析

本文使用STAR-CCM+对空调进行三维仿真，由于窗机采用的前向离心风机叶片数量较多，带有大量工艺结构尖角、台阶面及其他细微结构等，复杂性高，因此采用有限体积法进行网格划分，生成非结构化的多面体网格，最终生成网格数量为680万。

仿真模型分为外部流域、旋转流域以及换热器区域，为简化计算，换热器区域采用多孔介质模型，湍流模型采用K-Epsilon Turbulence模型。

3.1 技术路线

经过评估，该空调系统阻力较小，风机不需要太多的抗压能力。该项目主要是降噪，所以采用先提升风机抗压能力，然后将风机做小，再给其匹配蜗壳的技术路线。经过优化后，新风机的直径大大低于原方案，为降噪提供了可能。

3.2 实验数据对比分析

实验结果如表1所示，在保证功率基本不变的情况下，优化后室内侧的风量提升 20m3/h，且降噪效果显著，噪音降低3.5dB。从图1和图2的频谱图可以看出，优化后的方案噪音峰值波动范围更小，尤其在1000Hz位置处，原机有一个明显的波峰值，经过优化后，该位置的波峰值被消除，由此可见，新方案的离散噪音有很大改善。

图1 原机噪音频谱图 （dB(A)/Hz）

图2 优化方案噪音频谱图 （dB(A)/Hz）

3.3 数值模拟结果分析

结合表1和表2可以看出，仿真的风量与功率和实验结果基本一致，证明了仿真结果的可靠性，所以可以通过仿真来指导项目的优化。

3.4 流场分析

从图4中截面一和截面二的速度矢量图可以看出，优化后的流场更加顺畅，尤其是在图中红框所示的位置处，优化方案的涡更小，效率更高，噪音更低。在截面三红框区域处，优化方案流场的径向流动更强，降低了对蜗舌的冲击，对噪音更有利。而原机横向流动更强，送风效率比较低。在截面四处两方案流场基本一致。

图3 截面示意图

图4 速度矢量图对比分析

3.5 特性曲线对比分析

从图5可以看出，在风量为480m3/h的工况处，优化方案的抗压能力要高于原方案，这与设计的初衷一致，所以风量得到了保证。从图6可以看出，优化方案的功率略低于原方案。从图7可以看出，优化方案的效率得到了更大的提升。总体而言，优化方案在三项重要指标中，都优于原方案。

图5 P-Q曲线对比分析

4、结论

通过仿真模拟与实验验证，这种先提升离心风机的抗压能力，然后将风机尺寸减小的技术路线，在保证了风量与功率的基础上，将原方案噪音降低了3.5dB，达到了行业领先水平，且通过对比优化前后风机的P-Q曲线、功率 曲线和效率曲线，优化后风机的各项参数皆优于原方案。

参考文献

[1] Meyer C. J, Kröger D. G. Numerical simulation of the flow field in the vicinity of an axial flow fan[J]. Inter-national journal for numerical methods in fluids，2001，36(8) : 947-969．

[2] 游斌，谢军龙，等.多翼离心风机的三维数值分析[J]．工程热物理学报，2003，24(3)：419-422.

[3] 叶舟，王企鲲，郑胜.离心通风机蜗舌及出口流场的数值模拟分析 [J]. 风机技术，2008，(5): 15-19．

[4] 方开翔，李豪杰，高慧.基于Fluent6.0的风机流场模拟与噪声预 估[J]. 江苏科技大学学报，2008，22(4): 42-47．