空调配管是连接压缩机与换热器的桥梁，起着运输制冷剂的作用，其振动可靠性成为行业内普遍关注的问题。本文将对压缩机配管系统的流固耦合进行仿真研究，考虑配管内的制冷剂流动方向和压力对配管振动响应的影响。
空调配管是连接压缩机与换热器的桥梁，起着运输制冷剂的作用，其振动可靠性成为行业内普遍关注的问题。本文将对压缩机配管系统的流固耦合进行仿真研究，考虑配管内的制冷剂流动方向和压力对配管振动响应的影响。
1.1 压缩机配管制冷剂循环相变过程
空调制冷模式条件下，制冷剂的循环过程以及相变原理图如图1所示，制冷剂在压缩机内经过压缩机，制冷剂状态是高压气相，通过四通阀在流向室外机换热器过程中，也是高压气相，制冷剂在室外机换热器中进行冷凝放热过程，此时制冷剂状态为高压两相（气液共存），然后经过过滤器流向毛细管，此时制冷剂状态是高压液相，再流向截止阀，进入室内机换热器进行蒸发吸热过程，此时制冷剂状态变为低压两相，再流向截 止阀，变为低压气相，流向四通阀直至流回压缩机内，进入下一个循环。
通过图1可以看出，空调在制冷模式下，从压缩机排气口直至室外机换热器进口这段管路内的制冷剂状态是高压气相；从截止阀出口直至压缩机吸气口的管路内的制冷剂状态是低压气相，如图2所示。
空调制热模式条件下，制冷剂在压缩机内经过压缩机，制冷剂状态是高压气相，通过四通阀在流向室内机换热器过程中，也是高压气相，制冷剂在室内机换热器中进行冷凝放热过程，此时制冷剂状态为高压两相 （气液共存），然后经过截止阀流向毛细管，此时制冷剂状态是高压液相，再流向过滤器，进入室外机换热器进行蒸发吸热过程，此时制冷剂状态变为低压两相，从室外机换热器出来之后变为低压气相，流向四通阀直至流回压缩机内，进入下一个循环。空调在制热模式下，从压缩机排气口直至室内机换热器进口这段管路内的制冷剂状态是高压气相；从室外机换热器出口直至压缩机吸气口的管路内的制冷剂状态是低压气相，如图 3 所示。
1.2 压缩机配管流场仿真
制冷剂物性参数是随着压力和温度变动的，由于制冷剂在四通阀管路组件内的流程很短，在压缩机运行频率和环境工况确定的条件下，可将四通阀管路内的压力和温度近似看作恒温恒压，即将制冷剂看作不可压缩气体，在压缩机运行频率和环境工况确定条件下其物性参数是定值。对于流场仿真中边界条件的定义为：进口设置为质量流量进口，出口设置为压力出口。图4为制冷模式 60Hz 运行下四通阀管路的压力云图，图5为制热模式60Hz运行下四通阀管路的压力云图。
1.3 压缩机配管流固耦合仿真
流固耦合分析即流体与固体的耦合分析， 本文主要对空调配管的流固耦合导致振动噪声问题进行分析，研究配管结构和配管内流体之间的相互作用。 流固耦合分析主要包括单向流固耦合和双向流固耦合，当流体压力对结构产生变形很小时，采用单向流固耦 合 分 析，当流体压力对结构产生较大影响时，采用双向流固耦合分析。
本文中，由于配管内流体对配管结 构产生的变形很小，因此采用单向流固耦合分析。 流固耦合的关键是：如何将流场仿真数据准确映射到结构场中。 压缩机管路属于空间结构，因此在对流场数据进行映射时，将管路结构中同属同一二维维度下的壁面作为数据映射面，并将流固交界面的网格尺寸与网格形状设为一致，即流场壁面网格与结构场映射面网格的尺寸与网格形状保持一致，这样会大大提高流场数据映射准确度。图6为制冷模式 60Hz流场数据映射结果，流场数据的最大值为268.4N，映射到结构场上后数据最大值为269.1N，映射结果相当准确。
2.1 固有频率结果对比
图7为单一结构场、制冷流固场（60Hz）、制热流固场（60Hz）的固有频率对比图。从图中可以看出，前六阶固有频率三者基本误差别，从第七阶开始，流固场 固有频率与结构场固有频率开始不一致，模态阶数越高，这种不一致表现越来越明显。
图 8 为在环境工况和运行模式条件一定下，不同运行频率点下的固有频率对比。从图中可以看出，在环境工况和运行模式条件一定下，固有频率数值差别不大。
图9为在运行模式和运行频率一定下，不同环境工况下的固有频率对比。从图中可以看出，在运行模式和运行频率一定下，固有频率数值差别不大。
图10为在运行频率一定下，不同运行模式下的固有频率对比。从图中可以看出，前六阶固有频率基本一致，从第七阶开始，制冷流固场固有频率与制热流固场固有频率开始不一致，模态阶数越高，这种不一致表现越来越明显。
2.2 配管振动响应对比
对空调压缩机配管系统，其动力学方程如下：
单一结构场的配管振动的频响仿真曲线应如图11所示，图 12、图13分别为制冷、制热模式下的配管振动的频响实测曲线，图14、图15分别为制冷、制热模式下的配管振动的频响仿真曲线。
通过比较发现，不论单一结构场频响仿真曲线，还是流固场频响仿真曲线，与实测频响曲线都基本一致，其主要原因是压缩机的运行频率上限为100Hz左右，而单一结构场的固有 频率与流固场的固有频率相差不大，因而其最终的频 响曲线两者差距不大。但若是超过 100Hz，流固场固有频率与单一场固有频率差异很大，对于100Hz以上的振动响应，采用流固场会更准确。
通过上述讨论，本节针对某变频空调一级和三级配管振动噪声表现不一致问题展开研究。问题描述：三级配管方案是完全借鉴于一级配管方案，压缩机采用的是同一型号，但三级配管方案的振动噪声表现要比一级配管方案的要差，具体见表 1。
比一级多一段范围，其中40.8～44.4Hz是因为配管振动大；在制热模式运行下，三级跳频段比一级多两段范围，其中40.8～43.8Hz是因为配管振动大， 87.6～91.8Hz 是因为产生 180Hz 较大低频噪声。 针对上述问题，分别对一级与三级压缩机配管方案进行流固耦合仿真，仿真得到各方案在制冷、制热模式运行下的流固场模态和流固场振动响应。
图 16 为一级配管方案的制冷流固场固有频率数据和响应振动型态云图，其固有频率中存在47Hz的固有模态，在该固有频率下，其排气管振动最大，排气振幅为 1.45mm；
图 17 为三级配管方案的制冷流固场固有频率数 据和响应振动型态云图，其固有频率中存在43Hz 的固有模态，在该固有频率下，其排气管振动最大，排气振幅为2.54mm。通过上述分析，三级配管方案在40.8～44.4Hz 的振动是一级的1.75倍，再加上三级压缩机负载比一级大，因而该倍数会更大。基于同样分析方法，可得到制热时，一级配管方案在 42Hz 的振动响应幅值为 1.63mm，三级配管方案在42Hz的振动响应幅值为2.12mm。
因而，在三级配管方案在 40.8～44.4Hz范围内振动表现要比一级配管方案要差。
图 18 为一级配管方案的制热流固场固有频率数据和模态振型云图，图19为三级配管方案的制热流固场固有频率数据和模态振型云图，从模态数据表中可看出，一级配管方案存在 179.2Hz 的固有频率点，在该固有频率点下的振型主要表现为冷凝器入口管的振动，三级配管方案存在 180Hz 的固有频率点，在该固有频率点下的振型主要表现为四通阀与冷凝器入口管的 连接管的振动。通过模态振型，并不能确定该振型就能够被激发，因而还需对一级配管方案和三级配管进行振动响应仿真。
图20为一级配管方案的制热流固场频响曲线，响应位置为冷凝器入口管弯位处，图21为三级配管方案的频响曲线，响应位置为四通阀与冷凝器入口管的连接管的弯位处。从图 20可以看出，一级配管方案在180Hz没有响应峰值，即 180Hz 的激励力不会激发其180Hz 模态振型。
从图21可以看出，三级配管方案在 180Hz 有明显峰值，即180Hz激励力会激发其180Hz模态振型。由于压缩机的激励力不是完全的谐波函数，因而其激励频率成 分为运行频率的整数倍，即压缩机在90Hz运行时，激励力频率成分有 90Hz、180Hz、270Hz 等。
通过上述分析，对压缩机配管进行流固耦合分析，可明确的分析出空调在制冷、制热模式运行条件下的 差异，以及产生的振动、噪声问题。
本文基于对空调压缩机配管系统的流固耦合研究，得出如下结论：
（1）要使流场数据准确映射到结构场中，必须使流 场壁面的网格尺寸与形状与结构场映射面的网格尺寸与形状保持一致；
（2）流固场固有频率与单一结构场固有频率不是完全一致，尤其是高阶固有频率，不一致表现更明显；
（3）流固场振动响应与单一结构场振动响应在压缩机运行频率范围内基本一致；
（4）针对管路低频噪声问题，通过流固耦合可明确分析出管路低频噪声是由哪段配管引起，进而可有目的性地进行管路优化。
