基于分体机管路液流声问题研究

基于分体机管路液流声问题研究

王俊

珠海格力电器股份有限公司    广东省珠海市    519000

摘　要：××变频3级分体挂壁机在制热工况下，外机存在明显液流声噪音问题，本文通过实验与模拟结合的方式，以冷凝器出液管和U管为研究对象，对噪音产生的原因进行分析，建立合适的模型进行数值计算，优化出液管与U型管的配合结构，发现剪短出液管二次缩口的长度至13mm后可以解决异常噪音，其次对出液管的二次缩口做倒角C0.5处理后涡流流速峰值降低了65.7%，减小截面突变产生的涡流，可以降低涡流对噪音的影响，提高用户舒适性，也对其他机型管路设计提供设计思路。

关键词：液流管道；噪音；冷凝器；出液管；结构

0引言

进入二十一世纪以来，随着我国现代化工业水平的提高，国家经济快速向前发展，我国居民的收入逐渐增高，生活质量也越来越好。对空调系统的各个方面的要求也逐步严格起来。家用空调器室内机噪音是影响其舒适性的重要因素，传递音是常见的室内机噪音，通常是压缩机噪音通过制冷剂传递到室内侧，影响室内的舒适性[1-3]。

通常家用空调外机由制冷压缩机、电机、轴流风扇、冷凝器等构成，另外还包括控制阀件、制冷剂和液流管道等部件[4]。在实际生活和生产环境中，空调外机的噪音包含了非常多的信息，这些噪音能够帮助工程技术人员识别空调部件是否处在正常运行的状态。

1问题背景

1.1目前现状态

**机型变频3级分体挂壁机噪音测试，制热工况下，外机36Hz-78Hz时发现右侧面和背面液流声明显，音质差且不可接受。增加2套抽测噪音体验均存在液流声明显的情况；制冷体验正常。

经核查生产文件发现，该机型毛细管组件上粘贴有2块阻尼块，粘贴位置为毛细管前后的两个过滤器，推测该机型曾有噪音问题。

图1 毛细管组件阻尼块粘贴位置图

2管道液流声问题实验分析

2.1液流声产生机理分析

液体流经管道时，由于湍流和摩擦激发的压强扰动而产生噪声。当湍流液体流经管道中具有不规则形状或不光滑的内表面时，尤其流经节流或降压阀门、截面突变的管道或急骤转弯的弯头时，湍流与这些阻碍流体通过的部分互相作用产生涡流噪声。冷媒流经节流部件时流速会瞬间提升，高速冲击配管内壁产生噪声。此外，如果节流部件降压过度，随着饱和蒸汽压的突然降低和升高，还会形成闪蒸和气蚀产生类似煮水声，严重影响音质，并且两相制冷剂闪发破裂时也会产生异常噪声。

综上，外机管路易产生液流声位置有：1）阀门过滤器接U型连接管；2）U型连接管进毛细管；3）毛细管进过滤器；4）叉型过滤器位置；5）出液管进冷凝器；为排查液流声主要问题点位置，如图所示，在可能的问题点1-5处位置均增加阻尼块进行排查。由于问题点1、问题点3、问题点4位置均已经增加过阻尼块以防止液流声，因此主要排查位置2和位置5，发现位置2增加阻尼块后效果不明显，依旧有明显液流声，在位置5处增加阻尼块后，液流声有明显改善，因此可以判断问题5即出液管为主要液流声问题点。

由于判断结果为出液管部分存在液流声，因此对出液管进行解剖发现出液管与冷凝器U管间存在宽0.1mm、最大长度10mm的缝隙，缝隙的产生是因为该出液管插入冷凝器U管深度较深，焊料无法完全充满出液管与U管内壁，导致两管之间无法完全贴合。由此可以推测液流声产生的原因可能有两种：当湍流液体流经管道中流经截面突变的管道而产生涡流噪声；由于截面突变的管道产生的涡流导致出液管振动，出液管与冷凝器U管管壁间不断发生碰撞摩擦而产生的异常噪音。

2.2实验排查

出液管配入深度由出液管二次缩口长度决定，出液管二次缩口长度为尺寸1，将尺寸1分别减短5mm、7mm，如图2所示，做样后验证体验制热液流声音质。

图2 样机出液管二维图

对两种出液管音质体验后发现，尺寸1减短5mm的样机音质无明显改善；尺寸1减短7mm的样机音质有明显改善，体验音质可接受，更改后插入出液管的长度由14mm减短为7mm。实验表明，剪短出液管二次缩口的长度，可以有效的防止噪音的产生。

表2 样品出液管尺寸表

3管道液流声问题数值分析

涡流是造成噪音的主要原因[5]，解决噪音主要从两个方面来说，首先管道和缩口之间的空隙需要调小，然后优化渐缩管的渐缩结构，都可以避免流动过程中涡流的形成，从而避免涡流导致缩口振动而产生的噪音。通过改善管道的结构，减少冷媒经过渐缩管时变化的压力，从而达到减少噪音的效果，提高用户的舒适感。

出液管与U型管配合插入深度、插入顶部与U型管壁单边间隙影响为该液流声产生主要因素，因此本文通过优化出液管与U型管的配合结构，减少涡流的产生，以达到减少噪音的效果。

3.1出液管内制冷剂流动数值计算

由于出液管插入深度较深，出液管与冷凝器管之间产生缝隙，剪短出液管的长度，可使出液管与冷凝器U管间的缝隙变短，在缝隙的长度不同的情况下，通过模拟出管路内制冷剂的流动形态，来判断噪音产生的原因。

当出液管二次缩口的长度不同时，样机的噪音情况也不同，因此将不同的二次缩口长度与出液管和冷凝器U管管壁间的缝隙长度相对应，如表所示：

表3 二次缩口长度和出液管与冷凝器U管管壁间的缝隙对应关系

当出液管与冷凝器管之间的缝隙宽度为0.1mm，在缝隙的长度不同的情况下，气态制冷剂在管道内流速云图如图3所示。

图3 管道内局部涡流形态

三种不同缝隙长度的管路对比，如图3所示涡流形态基本一致，可知涡流是截面突变导致的，两管之间的缝隙长度对涡流的形态没有直接影响。根据实验结果得知缝隙长度l=10mm和l=5mm的样机有异常噪音问题，缝隙长度l=3mm和l=0mm的样机没有出现异常噪音，因此排除涡流产生的直接噪音。由于缝隙宽度仅0.1mm，根据云图也可知流体不会进入缝隙中，但在涡流的作用下，出液管管壁会发生振动，出液管与冷凝器U管管壁间不断发生碰撞摩擦而产生的异常噪音，图3（b）、（c）中两管缝隙长度缩小到l=3mm和l=0mm时，虽然存在相同形态的涡流，却不会使管壁振动过大而产生较大的噪音。

综上所述，为避免噪音问题的发生，需要剪短出液管二次缩口的长度，将出液管二次缩口长度尺寸1控制在13mm以内，以保证噪音体验满足要求。

3.2不同倒角的出液管数值计算

由于出液管与冷凝器U型管的配合会影响该液流声产生，由前文可知，出液管的截面突变导致涡流的产生，因此对出液管的二次缩口做倒C角处理，以减小截面突变产生的涡流，进而降低涡流对噪音的影响。

图4 二次缩口做倒C角二维图

同样的，将不同二次缩口长度的出液管进行倒角处理，二次缩口长度为20mm和10mm即出液管与冷凝器U管管壁间的缝隙l=10mm和l=0mm的情况下，制冷剂在管道内的流动云图如图5所示。

图5 制冷剂在有倒角管道内流速云图

由图16可知，在管壁处做45°倒角后，突扩口处的涡流与未做倒角时明显变小。

（a）出液管无倒角处理管道内流速         （b）出液管倒角处理后管道内流速

图6管道涡流处与非涡流处横截面的流速

将管道涡流处与非涡流处横截面的流速进行对比，截面1为涡流处的管道横截面流速分布，截面2为非涡流处的管道横截面流速分布。由图6可知出液管管壁处做倒角处理前，涡流的流速峰值有3.0m/s；在出液管管壁处做倒角处理后，涡流的流速峰值仅有1.03m/s，涡流流速峰值降低了65.7%，出液管倒角可以明显的减少涡流的产生。

4结论

（1）液体流经管道内节流或降压阀门、截面突变的管道或急骤转弯的弯头时，湍流与这些阻碍流体通过的部分互相作用会产生涡流噪音。解决噪音主要通过调小管道和缩口之间的空隙、优化渐缩管的渐缩结构，避免流动过程中形成涡流导致缩口振动而产生的噪音。

（2）本文通过实验判断出噪音源为出液管与U型管处，其二次缩口缝隙的产生是因为该出液管插入冷凝器U管深度较深，焊料无法完全充满出液管与U管内壁，导致两管之间无法完全贴合。经过实验验证二次缩口长度不同的两种出液管音质后发现，出液管减短7mm的样机音质有明显改善，而出液管减短5mm的样机音质无明显改善，证实优化渐缩管的渐缩结构可以避免涡流导致缩口振动而产生的噪音。

（3）本文通过对出液管与冷凝器U管管路部分的流体流动进行数值计算，来验证实验的结果，发现出液管和冷凝器U管的连接处为突扩口，导致涡流的产生。需要剪短出液管二次缩口的长度，将出液管二次缩口长度尺寸1控制在13mm以内，以保证噪音体验满足要求。

（4）由于出液管与冷凝器U型管的配合会影响该液流声产生，进一步的通过模拟的方法，在管壁处做C0.5倒角后，发现突扩口处的涡流与未做倒角时明显变小。出液管管壁处做倒角处理前，涡流的流速峰值有3.0m/s；在出液管管壁处做倒角处理后，涡流的流速峰值仅有1.03m/s，出液管倒角可以明显的减小截面突变产生的涡流，进而降低涡流对噪音的影响。

参考文献：

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[3]LEE S H, RYU S M, JEOMG W B. Vibration analysis of compressor piping system with fluid pulsation[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2012, 26(12): 3903-3909.

[4]刘泽华.空调冷热源工程.北京:机械工业出版社,2005.112~130

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[6]Chen Q, Dai G, Liu H. Volume of Fluid Model for Turbulence Numerical Simulation of Stepped Spill-way Overflow[J] . J. Hydraul.Eng. , 2002, 128(7) : 683-688.