空调室外机轴流风扇全流场数值模拟

　　1 前言

　　随着人们对空调器性能及噪声要求的日益苛刻，配合简短导风圈结构的轴流风扇目前广泛应用于分体式空调室外机的送风系统。空调外机风路系统的设计中，整机结构都比较紧凑，对设计小尺寸、低噪声、高效率的轴流风扇提出了更高的要求[1]。

　　随着计算机技术的发展，计算机硬件的提升，计算方法的不断改进，采用准确而可靠的计算方法进行数值模拟，可以计算流场内部数据，模拟流场的各种流动细节，模拟结果可视化、形象化，可以为流体机械的设计和改进提供依据。随着数值计算准确性的不断提高，它完全可以作为流动研究的一个手段，在一定程度上取代实物试验，从而可以减少试验周期，节省试验费[2]。运用CFD 方法对流体机械内部流场进行数值计算分析，已逐渐成为一种重要的技术手段。其目标是用数值模拟的方法辅助流体机械产品设计，从而可大大缩短设计周期，降低成本，提高产品质量。

　　2 几何模型及网格划分

　　本文所研究轴流风扇的具体参数为: 叶轮外径为460mm，高度为164mm，内外径比为0.29，叶片数为3。空调外机主要结构部件包括外壳、冷凝器、电机及电机支架，以及导风圈，结构模型如图1 所示。

　　目前数值计算采用的网格可分为结构化与非结构化两大类[3]，鉴于空调外机流场复杂的几何形状，对其整机流道全部生成结构化网格比较困难，因此，整机三维模型采用非结构化网格划分，共生成约80 多万个网格，整机轴向截面的网格划分如图2 所示。可以看出，风扇区域的网格适当加密，而外围空间速度梯度较小，网格相对较大。

　　3 边界条件

　　进出口采用压力进、出口边界条件，给定大气压为进口总压和出口静压，进出口定义流体流动方向为垂直进出口边界。给定进出口湍流动能和湍流动能耗散率，定义进出口回流的湍流强度为5% ，湍流粘度为5[4]。

　　采用运动参考坐标系( Moving ReferenceFrame) 模型实现动 - 静界面间的数据传递，给叶轮区域设定旋转速度，风扇壁面相对风扇区域速度为零。电机支架、电机等固体壁面采用Wall 边界条件，属于静止壁面，外机表面和进气口表面也是静止壁面，旋转壁面和静止壁面均满足无滑移壁面条件[5]。

　　4 数值算法

　　数值计算采用RNGk-ε 湍流模型，压力与速度耦合采用SIMPLE 算法，压力项离散格式采用PRESTO! ，其余项均采用二阶迎风格式完成稳态数值计算。计算过程中连续性、x、y、z 分速度及k、ε 的残差监测曲线如图3 所示，可以看出计算到7000 步之后残差变化趋势平稳，可以认为计算收敛。