基于ANSYS CFX 的不同结构滚筒洗衣机的流场分析

田静铅,钱瑞明

(东南大学机械工程学院,江苏 南京211189)

0 引言

随着家电行业的发展,人们对洗衣机功能要求越来越高,市场上的很多滚筒洗衣机增加了烘干功能,这种功能一般需要在外筒端盖上开孔连通内筒和烘干通道。但是伴随着烘干功能的实现,给洗衣机生产商也带来了很大困扰,因为在脱水状态下洗衣机的噪声一般会比没有烘干功能的洗衣机大很多,所以如何降低这种洗衣机在脱水状态下的噪声问题成为了摆在有竞争力的洗衣机生产商面前的课题。

通过对比有烘干通道和无烘干通道的滚筒洗衣机内部结构,发现在外筒端盖上开孔可能是带来噪声的主要原因,所以本文针对外筒端盖开孔对内部流场的影响来分析研究产生噪声的原因。针对滚筒洗衣机内部流场研究,近年来一些学者从不同角度进行了模拟。2007年,徐超[1]分析研究了滚筒洗衣机三角支架的不同结构对周围空气流场和气流噪声的影响,但其研究并未涉及洗衣机的实际模型,只是针对三角支架置于自行设定的理想环境;2011年,俞舒天和高长水[2]分析了滚筒洗衣机内筒加强筋对气流的影响,并研究了由其产生的涡流噪声;2011年R Abril López[3]建立了较完整的洗衣机内筒模型,分析了不同载荷情况下内筒和三角支架的受力变形,虽没有分析周围的流场,但所采用的建模方法对气流噪声的分析具有参考价值。

鉴于洗衣机内外筒组件间结构的复杂性以及软件模拟的准确性,根据滚筒洗衣机实际模型进行简化,对其内筒和外筒之间的流场进行仿真分析,并针对降低旋转过程中产生的气流噪声提出相应的改进建议。

首先利用Pro/E和ANSYS WORKBEN软件建立内筒和外筒主要组件的三维模型和流体域模型,再利用ICEM CFD软件对模型进行网格划分,导入流体动力学软件ANSYS CFX对模型进行流体动力学分析,最后在ANSYS CFX－Post中对结果进行整理分析,找出外筒端盖无孔模型和外筒端盖有孔模型在速度和湍流动能分布及大小方面的不同点,以及外筒端盖开孔引起气流噪声变大的主要原因,并给出相应的优化措施。

1 滚筒洗衣机的固体域和流体域模型建立

根据某型滚筒洗衣机内筒和外筒组件的实际结构(图1),在Pro/E软件中建立了相应的简化三维模型,模型中简化了一些对结果影响不大但又对网格质量影响较大的倒角、孔等,虽然在此主要分析内外筒底部三角支架附近的流场,但是建立的是整个内筒和外筒的模型,这样使边界条件更接近真实的物理环境。外筒端盖无孔模型和外筒端盖有孔模型的不同就在于一个外筒为封闭的(图2a),一个外筒上有开两个孔(如图2b,用于连接烘干通道,其中大孔直径为70 mm,小孔直径为30 mm),内筒模型包括了三角支架和薄板(图3)。

图1 滚筒洗衣机内外筒组件实体模型

图2 外筒三维模型

图3 内筒三维模型

同时,在对洗衣机进行流体动力学分析时,需要建立内外筒所包围的流体域模型,在此分别对外筒端盖无孔和外筒端盖有孔模型建立了流体域三维模型(如图4a、图4b),无孔洗衣机的流体域模型是由外筒的形状决定的,而有孔洗衣机由于筒内空气和外部是相通的,所以建立的流体域是包围整个外筒的立方体模型。

图4 洗衣机流体域模型

2 模型网格划分和域属性设置

网格划分是在ICEM CFD中进行的,均采用非结构化四面体网格,无孔模型网格总数为2 515 828(图5a),有孔模型网格总数为2 925 721(图5b),网格质量均在0.3以上,符合计算要求。

在导入ANSYS CFX中后,需要对计算条件进行相应设置。首先,采用标准κ－ε湍流模型,同时因为洗衣机内空气流动速度一般低于50 m/s,可压缩性很弱,流体设为不可压缩空气。在此,计算可以看成是一个搅拌问题[4],固体域设置均为Immersed Solid,这种设置相当于把旋转的内筒沉浸在静止的空气中,不但减少了网格划分工作量也使内外筒和空气之间的边界条件设置更为简单,也更符合实际物理环境。设置内筒转速为1 500 r/min,所有的边界条件设置为wall。

图5 有孔和无孔模型的网格划分

3 有孔和无孔模型的流场对比分析

计算完成后,在ANSYS CFX－Post中对外筒和内筒底部之间流场中数据进行了整理和分析。因速度分布能客观反应空气的流动状态,而湍流动能是衡量湍流强度的一个重要标准,所以本文重点对比分析无孔模型和有孔模型的速度分布与湍流动能,其中速靠近内筒和外筒底部的速度流线见图6和图7,内筒和外筒之间距外筒内端面5 mm位置处平面上的湍流动能见图8和图9。

图6 无孔模型内外筒底部速度流线图

图7 有孔模型内外筒底部速度流线图

图8 无孔模型湍流动能图

图9 有孔模型内外筒底部湍流动能图

由以上线图可以看出:

1)无孔模型和有孔模型的速度流线的最大速度分别为37.78 m/s和36.77 m/s,两者非常接近,说明在外筒端盖上开孔并没有影响内部空气的整体速度大小,同时也验证了计算前对流体进行的不可压缩设置的正确性;

2)无孔模型速度分布沿圆周方向向外呈逐渐变大趋势,只有在7个凹槽处有明显的速度绕线(涡流),但是空气在这些位置处的速度并不大,从对应的湍流动能图上也可以看到在这七个凹槽处有小的涡流;

3)有孔模型的湍流动能相差两个数量级,在同一个平面中,也就是说有孔模型的湍流强度远大于无孔模型。

在洗衣机外筒上开孔,从对流场的影响来看实则是改变了整个洗衣机内部的气流通道,对洗衣机内筒和外筒底部之间流场分布影响很大,特别是会提高内筒和外筒底部之间的湍流动能,因为湍流动能对涡流噪声的影响较为直接[5,6],这就导致有孔模型比无孔模型的涡流噪声要大很多,也就是在滚筒洗衣机上添加烘干装置的时候,会增加洗衣机的气流噪声,从而降低洗衣机的性能。

4 改进建议

为了减小外筒上开孔对内部流场的影响,本文对孔的位置进行调整,将孔开在靠近底部的滚筒上(图10),分析洗衣机内筒和外筒底部之间的湍流动能分布变化(图11)。

图10 侧面开孔的外筒

图11 外筒侧面开孔模型的湍流动能图

对比图9和图11,发现改变孔的位置,将孔开在滚筒侧面能够使湍流动能最大值由1 516 m2/s减小到1 148 m2/s2,也就是说将孔开在外筒的侧面比开在外筒端盖上所产生的湍流强度要小,所以将孔开在外筒侧面会相对减小外筒上开孔所产生的气流噪声。

[1]徐超.滚筒洗衣机噪声控制研究[D].镇江:江苏大学,2007.

[2]俞舒天,高长水.滚筒洗衣机噪声分析[J].科技风,2011,(19):29-30.

[3]R Abril López.Structural Analysis Of A Washing Machine Through Its Loading Cases:Redesign Of The Tripod And The Front Cover[D].Sweden:University of Skövde, 2011.

[4]吴德飞.搅拌槽内三维流场的CFX5数值模拟[J].石油化工设备,2003.

[5]Curle N.The Influence of Solid Boundaries Upon Aerodynamic Sound.Proc.Roy.Soc.A231,1955:505-514.

[6]夏恒,姚志远.气流绕流产生的麦东亚立场向辐射声场演变规律的探索[J].华东船舶工业学院学报,2002,16(1):72-76.