张旭 康钊 胡松涛 朱辉 陈纪敏 张凤娇
1.海信空调有限公司 山东青岛 266100；
2.青岛理工大学环境与市政工程学院 山东青岛 266520
全球性温室效应的发展带来了一系列气候问题，尤其是近年来愈演愈烈的热浪事件（heat waves），给人们的健康和生命安全带来了严重威胁[1]。在全球变暖和极端气候事件频发的背景下，空调对于人们的日常生活和生产尤为重要，尤其是环境脆弱性人群，如老人、儿童、病人等。因此，空调系统的研究和优化依然是领域内研究的重点。
壁挂式空调作为常见的家用空调，被很多普通家庭所使用。在夏季和冬季空调的使用率一般会急剧上升，所以空调房间的气流组织问题越来越引起人们的关注。壁挂式空调的气流组织效果对空调性能（如热舒适、节能性）起着决定性的作用，因此通过优化空调气流组织的仿真来提高空调性能具有重要意义。
空调器气流组织模拟仿真是预测和优化空调器热舒适性和节能性的重要手段，在早期设计阶段可以进行仿真预测并优化设计方案，提高研发效率，节省试验成本。如早在1998年Murakami[2]等学者便开始采用计算流体动力学（CFD）技术进行了空调热负荷的计算，并在后续研究中对动态热负荷进行了数值模拟，为后续CFD技术在空调行业的发展应用提供了基础。近年来，有学者对我国东部地区日益增多的盒式空调通风方式进行了调查，并通过CFD技术分析了其气流组织形式同时简化了模型[3-4]。在空调的热舒适性方面，有学者研究了壁挂式空调制热的舒适问题，通过改变空调的送风温度来改变热舒适，并提出虽然较高的送风温度可以提高系统的制热能力，但是由于高风量引起的气流组织失稳，室内热舒适的改善效果有限[5-8]。
在送风角度方面国内外学者也开展了一系列研究工作，发现壁挂式空调器的送风导流板的设计较大地影响着空调的热舒适性，尤其是在制冷工况下。刘丙磊等对单层和双层导流板进行了对比，发现双层导流板可以有效地降低送风噪声[9]。此外对于导流片结构和叶轮转速的数值模拟发现，导流板一方面可以改变主流方向和分散射流速度轴心区，使室内流场和温度场更加均匀；
另一方面当导流板角度不合适时可能阻碍送风[10-11]。
通过总结现有文献资料发现，针对贯流风扇室内挂机目前行业内的热舒适性仿真方法主要有三维整机仿真、二维风道仿真、等效出风仿真三种，但均存在室内流场分布误差较大的问题（统一采用垂直风向，室内风速，温度失真），使仿真数据缺乏参考性。目前在空调器热舒适性仿真领域，如何在保留贯流风机、完整风道、实验室尺寸等比例建模的前提下高精度预测空调器的热舒适性能参数（包括风速、温度、湿度）是行业难题。
综上所述，目前针对贯流风机空调器室内气流组织缺乏一套成熟的仿真方法。上述三种相关的仿真方法均未能计算出高精度的室内热舒适性流场分布情况，其主要原因在于计算域的边界条件理论研究欠缺；
网格划分问题需系统优化；
算法适配问题亟待解决，例如：换热器边界温度、风速不均分布的附加，湿度的附加、耗散的影响等。因此，本研究从以上问题出发，采用计算流体力学技术对某型号壁挂式贯流风机空调器的室内气流组织进行全尺度的数值模拟，旨在解决传统模拟方法的一系列局限和问题，为新产品的开发和优化提供参考。
模拟对象为某标准热舒适性实验室，该实验室的结构如图1所示，其中门为木制门，窗为双层玻璃窗，墙体为标准的混凝土砖墙。其中辐射板仅在该实验室进行辐射供冷/供热试验时使用。本研究对空调挂机与房间进行全尺度等比例建模，并导入CFD软件进行仿真计算。
图1 模拟对象
1.1 网格划分方案
在网格划分过程中，对于房间内的流体域采用六面体网格进行划分，但是由于房间空调器远端不需要重点观察，因此房间流体域的网格间距按照1.05倍的比例逐渐变大（如图2所示）。考虑到贯流风机为整个数值模拟的动力源，该部分的流场涉及到整个仿真的准确性，需要重点关注。因此在网格划分过程中，对于贯流风机和换热翅片进行网格加密处理。由于贯流风机的边界极其复杂，因此采用四面体网格以减少网格划分工作量，而换热器部分采用六面体网格（如图3所示）。对于空调器内除了贯流风机外的其他流体域，采用六面体网格进行划分。最后生成网格数量为690万，网格质量满足CFD软件的计算要求。
图2 房间内流体域的网格划分方案
图3 换热器和贯流风机的网格划分方案
1.2 湍流模型与离散方法
本数值模拟主要针对受限空间内部三维稳态流动问题。考虑到计算效率问题排除RSM、LES模型，最终选择SST k-Ω湍流模型。SST k-Ω模型同时适用于转捩流和低雷诺数流动，可以针对性地求解本问题中的贯流风机旋流、室内空间的涡旋以及室内空间的部分区域（如空调远端、角落等）的低速流体运动，适用于本数值模拟的对象特征[12]。其次，对于本数值模拟针对的稳态问题，模拟过程中选择压力速度半隐式耦合算法SIMPLEC来进行求解[13]。SIMPLEC算法与经典的SIMPLE算法的基本思路一致，仅在通量修正方法上有所改进，因而加快了计算的收敛速度。
1.3 边界条件
本模拟主要针对制冷工况，边界条件设置如下：对于贯流风机采用旋转边界，分别设置三个模拟工况下的转速为600 r/min、1200 r/min和1500 r/min。
为了简化网格划分和计算，换热器处采用多孔介质模型来代替翅片管。多孔介质设置模块中采用惯性阻力系数和粘性阻力系数法，其中Y、Z方向惯性阻力系数和粘性系数为同一数量级。X方向上的惯性阻力系数和粘性阻力系数假设为无穷大，因为换热器翅片流道极大地限制了气流在X方向上的扩散。
将换热器渗透率设置为1（全部通过），通过测试该制冷系统下的出风口温度指定通过换热器的流体（空气）温度为17.3℃。设置壁面为常热流密度（第二类热边界条件），热流密度值源自于试验过程中的测量值：四周围护壁面的热流密度折算为30 W/m2，地面设置为绝热壁面。此外，在参考条件中，对空气密度、重力加速度进行了相应设置，并采用Boussinesq假设来精确模拟温度驱动的浮升力对流场和温度场的作用[14]。
2.1 贯流风机流场
图4为不同导流叶片（送风角度）情况下，空调器内部的二维流场分布情况。由图可知，在无导流片、3导流片和4导流片的情况下，空调器内部流场分布相似，并且在贯流风机的蜗舌处均出现了偏心涡。偏心涡是贯流风机原理的重要特征，这说明空调内部流场的数值模拟结果具有较好的精确度，可以保证动力源处流场的精度，从而保证整个房间内部气流组织的准确度。
图4 贯流风机流场
其次，从图4可以看出，空调器出口处（送风口）的流场因导流片而出现一定的差异。对于无导流片的情况，空调器出口流体出现上扬现象，易引起回风短路，而对于3导流片和4导流片的情况，上扬现象受到明显抑制，并且导流片越多，抑制效果越显著。这印证了空调器送风口处设置导流片的必要性和重要性：出口导流叶片可以在一定程度上抑制短路的产生，可有效地将涡旋对称线“下压”，从而使得空调机正下方的涡旋负压区较大，通过“拖曳”作用抑制回风短路现象产生。
2.2 600 r/min的流场和温度场
图5为贯流风机600 r/min时的三维数值模拟结果。由图5 a) 可知，出风口流体的水平射流距离达到了房间的50%左右的距离，可以保证处于房间中间位置的人员有一定的吹风感以满足热舒适需求。但是流场的分层现象并不显著，这可能导致整个室内温度场的集中程度较高，如图5 b) 所示。室内温度出现了一定的分层现象，但是靠近壁面处具有较厚的热边界层。尤其在空调器远端的壁面处温度分层不明显，可能出现局部温度偏高，影响热舒适度。因此低风量情况虽然可以抑制回风短路，但是室内温度场的分布并不理想，适用于冷负荷较小的情况。最后从图5 c) 可以直观地发现，整个空调房间以出风射流线为中心，形成了上下两个接近堆叠的大涡旋，有效抑制了出风口回风短路的现象，但带来的后果是温度分层现象不理想，可能影响房间壁面附近的热舒适性。
图5 600 r/min时的模拟结果
2.3 1200 r/min的流场和温度场
图6 为贯流风机转速为1200 r/min时的气流组织和温度分布情况。由图6 a) 可知，随着贯流风机转速的增大，送风的水平射流距离增大到房间远端处，并且出现了较明显的速度分层现象。这说明随着送风速度的增加，室内气流的扰动，即湍流度进一步增大，利于更均匀的温度场的发展。图6 b) 印证了这一现象，由图6 b) 可知，送风量的增大可提高整体房间内的温度均匀度，同时也使得温度分层现象更加明显。即使在空调器的远端也有着较舒适的空气温度和送风速度，有利于保证空调房间的整体热舒适性。图6 c) 为1200 r/min的转速下的流线分布情况。可以发现送风速度的增加在一定程度上破坏了低送风速度下涡旋的对称性，但是由于射流距离的增加，涡旋的尺度变得更大。
图6 1200 r/min时的模拟结果
2.4 1500 r/min的流场和温度场
图7为贯流风机转速1500 r/min时的气流组织和温度分布情况。由图7 a) 可知，送风速度的增大进一步引起了射流距离的增加，并且速度分层现象更加显著。这表明送风速度的增加引起了更大的湍动能和耗散现象，有利于房间内出现更加均匀的温度。图7 b) 为转速1500 r/min送风下的温度分布情况，可以发现空调器远端壁面处出现了明显的温度分层现象，整个空调房间内人员活动区域的温度场更加理想。因此，大送风量更加适用于房间冷负荷较大的工况，如空调房间的壁面为外墙，具有较高的太阳辐射得热等工况。图7 c) 为转速1500 r/min的送风下室内流体的流线图。可以发现送风速度的增加破坏了涡旋的对称性，左下侧大涡旋底部向房间远端扩散，而右上侧大涡的空间被压缩。
图7 1500 r/min时的模拟结果
为了验证模拟结果的准确度，进行了相同边界条件下中风速工况（转速1200 r/min）下的对标试验，并将该工况下的出口质量流量、温度场的试验数据和模拟数据进行了对比。
3.1 质量流量
本次仿真监测了空调出风口的流量，用以检验仿真结果与实际情况的一致性。通过CFD软件提取空调器出风口的面积加权平均质量流量为0.2057 kg/s。根据该模拟值计算得到稳态工况下空调器的出口体积流量为V=604 m3/h，与风量台实测风量578 m3/h的相对误差约为4.5%。
3.2 温度场
对标试验过程中，在实验室长、宽、高三个方向上分别布置了7×6×5只热电偶，共210只，实时连续获取稳态制冷工况下室内的温度分布（如图8所示）。模拟过程中，在CFD软件中同样设置了对应的210个点，用于获取稳态制冷时室内各个位置的温度分布情况，如图9所示。
图8 实验室测点分布图
图9 模拟过程中设置的温度点
本研究中分别获得210个温度实测值与模拟值。两者的误差计算方法为：（模拟值－实测值）/实测值。210个测点的总体误差分布如图10所示。由图10可知，模拟结果和试验实测结果偏差度基本分布在5%左右，但是也存在局部数据异常点，数量为4个，约占210个温度点数量的2%，几乎可以忽略不计，具体的结果对比如表1所示。
表1 1200 r/min工况下的热电偶温度测点与对应位置模拟温度点的相对误差值（单位：%）
图10 模拟值与实测值误差分布
表1给出了所有210个温度点的实测值与模拟值的误差情况，由表可知，制冷工况、1200 r/min工况条件下，数值模拟和试验测试所获得的210个温度点中仅有4个温度异常点（误差超过10%的温度点）出现。通过核查试验结果，其中3处异常点可能是热电偶发生故障欠校准导致的，具体表现为该处热电偶实测值异常高。此外，46个温度点的误差处于5%～10%之间，其余160个测点的误差均处于5%以内。
本研究在三种不同的送风速度下（转速），采用CFD方法研究了带有贯流风机空调器房间内部的气流组织和温度分布情况。研究表明，采用CFD二维仿真技术计算空调内部及空调房间内全尺度流场时，观察到了贯流风机靠近蜗舌的叶片处出现明显的偏心涡，并且经后续三维仿真验证，风量误差控制在5%以内，说明使用本数值模拟方法具有较好的仿真精度。
其次发现，无导流叶片的二维全尺度风机自循环流场仿真极易发生回风短路现象，而适当增加导流叶片数量可有效地将涡旋对称线“下压”，从而使得空调机正下方的涡旋负压区较大，通过“拖曳”作用抑制回风短路现象产生，但最终不能避免此现象产生。这可能与二维风机自循环仿真模式下气流分布缺少一个维度的流动补偿、容易上下波动、回吸现象被明显放大有关。
此外，在三维仿真时，室内流场出现两个对称的大型涡旋，且涡旋的对称性受到送风速度的直接影响，送风速度的大小也影响到了室内的温度均匀性，在高冷负荷时需要大送风速度来改变涡旋对称性，使得人员活动区域具有较均匀的温度，从而保证热舒适性。
最后，通过对比1200 r/min工况下试验测试数据和模拟结果，发现210个温度点中有160个的误差低于5%，误差异常点的数量仅有4个，约占总数的2%，因此本文的模拟方法具有较高的精度，其结果可为空调产品的开发和优化提供参考，具有一定的应用意义，并且高精度的气流组织模拟方法有利于空调热舒适性机理研究工作的深入开展。
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