1、 某型号风管机风道 DOE 优化设计 齐玉文 程褔萍 李忠华 苏州三星电子有限公司 ， 215021 摘 要 本文针对某型号 空调 风管机，进行了风道与风扇的匹配性优化设计。采用 CFD 仿真分析的方法，结合 DOE 设计与响应面分析的方法进行参数优选与优化，对各种参数组合进行数值仿真。根据数值仿真优化结果，制作模卡并进行试验验证，得到最终优化方案，达成设计目标。该风道优化设计的思路，提高了设计效率，可以为今后的设计工作提供指导和借鉴。 关键词 空调 风管机 ； 数值仿真 ； DOE； 响应面分析； 优化设计 THE DOE OPTIMIZING DESIGN FOR AC DUCT UNIT
2、 QiYuwen ChengFuping LiZhonghua Suzhou Samsung Electronics Co., LTD, 215021 Abstract In this paper, a matching and optimizing design was done for an AC DUCT set. Basing on the Computational Fluid Dynamics (CFD) theory, different parameters combination was simulated by a method of Design of Experimen
3、t (DOE) and Response Surface Analysis. The CFD simulation result was validated by the airflow and noise tests of the mock-up. The optimization result was gotten and the design goal was achieved. This method of duct optimization can improve the efficiency of design works. The results can be reference
4、d for the further improvements of the design process. Keyword AC DUCT; Numerical simulation; DOE; Response Surface Analysis; Optimization design 1 前言 高端住宅对室内舒适美观的极致要求，使得超薄小型风管机越来越多地受到家 装 市场 的青睐。 体积小、噪音低的特点，对风管机的设计也提出了更高的要求。为了提高设计效率和准确性，本文采用 CFD 仿真分析方法，使用 DOE 试验设计以及响应面分析的手段 ， 对某型号风管机的风道进行了优化设计，并取得理想的
5、效果。 2 CFD 仿真分析 图 1 为某型号 风管机的结构图， 设计目标： 保持原有风扇和风道基本尺寸的同时，根据性能要求，提高风扇风量及效率，并尽可能降低噪音。 选取风扇和风道的关键参数作为优化设计因素，以 某基准型号风管机 的 风扇风道 为 初始模型。 选取中间部位截面作为研究对象，建立 2D 几何及 CFD 模型。 图 1 某型号 风管机结构三维图 仿真分析过程中，需要求解控制方程，即三维 Navier-Stokes 方程组 1： 0u 其中 为密度， u 是速度矢量。 动量 守恒方程 为 ： )()( puu 其中 p 为压力，应力张量 可以表示为： 23Tu u u 其中 是空气的
6、动力粘性系数。 采用 SIMPLE 算法差分格式和 k 湍流模型。 风扇部件采用旋转场边界条件，换热器采用多孔介质模型，固壁采用无滑移壁面条件。 CFD 模型采用 ICEM CFD 生成网格，并设置了边界层网格。此外在 关键部件对网格进行了局部加密。 图 2 2D 几何模型 图 3 Mesh 模型 CFD 计算结果如下图（图 4、图 5），通过速度矢量图以及分布图 ， 可以看到整个流域内的气流流动方向与分布。从结果看，流场中没有明显的异常流动。 图 4 速度矢量图 图 5 速度分布云图 3 DOE 实验设计及响应面分析 DOE 试验 设计 （ Design of Experiment） 是对所
7、需要研究的样本总量进行合理的选择，以 较少量的样本数来反映设计因素对于所有样本特性的影响。寻找出设计因素对于样本特性的关联，指导因素水准的选择与组合 2。 根据流体力学理论 CFD 结果分析， 选定重要的 风道设计参数，对其进行 DOE 设计，寻找优化参数。 图 6 DOE 设计参数示意图 如图 6 所示， x1： vortex wall 与风扇之间的间隙， x2： vortex wall 蜗舌 长度， x3： rear wall伸出长度。以上 3 个因素，每个因素选取 5 个水平， 总共 125（ 5*5*5）种试验组合。 若全部进行分析，计算时间较长。本文采用均匀设计的方法进行分析 ：即
8、考虑试验点在试验范围内均匀散布的一种试验设计方法 3。 考虑计算成本，从 125 种试验组合中选取 20 个样本进行 CFD 分析。 每个因素选取 5 个水平，分别为 15(1 表示较小值， 5 表示较大值 )，对均匀设计的 20 个样本进行 CFD 计算，计算结果如表 1 所示： 表 1 DOE 设计计算结果 方案 x1 x2 x3 Q(CMM) Efficiency case1 4 5 5 9.35 15.05 case 2 2 1 1 10.86 15.68 case 3 2 3 2 10.20 15.72 case 4 4 3 3 9.63 15.31 case 5 2 4 3 9.8
9、0 15.67 case 6 3 5 1 7.24 13.53 case 7 4 2 3 10.67 15.30 case 8 3 1 5 11.90 14.74 case 9 3 4 4 10.05 15.16 case 10 3 3 4 10.81 15.58 case 11 5 2 1 9.34 15.27 case 12 5 5 2 7.26 12.91 case 13 1 1 3 11.78 15.17 case 14 1 2 5 11.98 15.04 case 15 5 3 5 10.64 14.76 case 16 5 1 4 11.22 14.86 case 17 3 2 2
10、 10.60 15.56 case 18 1 4 1 9.14 15.82 case 19 1 5 4 9.89 15.71 case 20 2 3 4 9.04 15.03 根据 20 种参数组合的数值仿真计算结果进行响应面分析，寻找出设计因素对于风量、效率的 影响。 使用 Minitab 工具对响应面分析的结果如下图 (图 7)所示： 图 7 响应面分析结果示意图 通过 DOE 优化结果可以得到如下结论 : 1. vortex wall 与风扇之间的间隙 x1 应尽可能的小， 目前由于结构限制 ， 已经达到最 小 值 ，继续减小该值，会带来选择部件风扇与固体部件 vortex wall 的
11、碰撞； 2. vortex wall 蜗舌长度 x2 设置为 3.525 时，风量和效率同时取到较大值。 3. rear wall 伸出长度 x3 越 大，风量和效率也越大。 从以上结果可以看出，根据响应面分析给出的优化参数组合， CFD 计算结果给出了风量、效率均大于原始模型的参数 组合方案。即： x1、 x2、 x3 的水准值分别设置 为 1、 3.525、 5 时 ，所得的结果最接近优化目标。 4 试验验证 将上述优化方案制作实物模卡进行风量、噪音试验验证 ，并与原始方案比较。测试结果如下图 (图 9 和图 10)所示： 图 8 模卡测试样机 图 9 风量测试结果 图 10 噪音测试结果
12、 由 上述试验 结果可知：同转速下，优化方案 Optimation 的风量较原始方案 Origination 提高1415%；相同风量下， 优化方案 Optimation 的噪音较原始方案 Origination 低 2dB，优化目标达成。 5 结论 本文 通过 多因素的 DOE 设计 以及响应面优化分析，并结合数值模拟的方法， 得到 风道 与风扇相匹配的优化 方案 ，实现了 同转速下风量分别 较原风道 提高 1415%的水准；以及同风量下噪音 2dB 下降的目标。 综上所述， 本文采用的 CFD 数值仿真并综合 DOE 试验 设计与响应面分析 的设计方法 ，可以显著提高设计的效率，节约 样机
13、，降低开发成本 。并且可以推广到其他多变量的工程设计中去， 具有良好的工程设计指导意义。 参考文献 1 John D. Anderson 著 ，吴颂平，刘赵淼 译 ， Computational Fluid Dynamics，机械工业出版社，北京， 2007 2 刘文卿，实验设计，清华出版社，北京 ， 2005 3 方开泰，均匀设计与均匀设计表，科学出版社， 1994 4 Bruno Eck， Fans， PERGAMON PRESS， Oxford， 1973 5 王银姣 .空调用贯流风机内部流场数值分析及实验研究 D.合肥工业大学 制冷与低温工程， 2012 6 邱鑫 .空调用贯流风机的优化及设计 D.华中科技大学 流体机械及工程， 2011
