FFU內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬和試驗(yàn)

王軍鋒，胡維維，張 錚，吳 琦

(江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元是一種具有過(guò)濾功效、自帶動(dòng)力的模塊化的末端送風(fēng)裝置.風(fēng)機(jī)從FFU頂部將空氣吸入并經(jīng)過(guò)濾膜過(guò)濾，過(guò)濾后的潔凈空氣在整個(gè)出風(fēng)面以(0.45 ±0.000 9)m·s-1的風(fēng)速均勻送出，以滿足潔凈室對(duì)空氣質(zhì)量的要求.FFU方式比常規(guī)的空調(diào)機(jī)組集中送風(fēng)方式節(jié)省運(yùn)行成本30%以上［1-2］.

在性能方面，其風(fēng)量、余壓、噪聲、效率等參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)、相互制約［3］，目前存在的問(wèn)題是 FFU內(nèi)部流道的不合理導(dǎo)致流動(dòng)的紊亂，產(chǎn)生了大量的能量損耗及噪聲，同時(shí)導(dǎo)流裝置的不合理設(shè)計(jì)導(dǎo)致出口風(fēng)速的不均勻，嚴(yán)重影響了室內(nèi)的凈化效率.而對(duì)FFU內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能有效提高整體性能和能量利用率［4］.筆者選取了一款國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的FFU進(jìn)行研究，旨在為FFU的節(jié)能設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化提供一定的參考.

試驗(yàn)研究的方法能夠真實(shí)地反映設(shè)備的運(yùn)行狀況和一些外特性，林忠平等［5］通過(guò)試驗(yàn)對(duì)FFU的結(jié)構(gòu)組件對(duì)性能的影響作了探討，Liu Junjie等［6］采取加均流板的形式來(lái)保持風(fēng)機(jī)過(guò)濾器機(jī)組的面風(fēng)速均勻性及減少面風(fēng)速的湍流度.但單純的試驗(yàn)方法不能直觀顯示內(nèi)部流動(dòng)，較難提出有針對(duì)性的優(yōu)化方案.數(shù)值模擬能預(yù)測(cè)出內(nèi)部流場(chǎng)［7-10］，國(guó)內(nèi)外關(guān)于FFU數(shù)值模擬的文獻(xiàn)主要集中在FFU對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響上［11-13］，單純對(duì)FFU內(nèi)部進(jìn)行模擬的研究很少.而且模擬結(jié)果與實(shí)際情況也會(huì)存在有一定誤差，筆者采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，利用CFX軟件模擬FFU內(nèi)部流場(chǎng)，然后提出優(yōu)化方案，并再次模擬以確認(rèn)修改的有效性，最終將修改方案應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中，并用檢測(cè)平臺(tái)來(lái)評(píng)價(jià)其性能.

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

準(zhǔn)確的幾何模型是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，直接影響到數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精確性和可靠性.由于后期需要對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，所以物理模型完全按照實(shí)物尺寸進(jìn)行建立，如圖1所示.

圖1 物理模型

使用三維軟件pro/e進(jìn)行建模，模型分為5個(gè)部分:入口、葉輪、主體、過(guò)濾器和出口.入口和出口都進(jìn)行了加長(zhǎng)，以保證進(jìn)、出口流體都能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，有利于計(jì)算的收斂.使用ICEM劃分網(wǎng)格，其中入口、葉輪、過(guò)濾器和出口這4部分由于結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，即每個(gè)單元都為六面體，這樣網(wǎng)格數(shù)量就較少且有利于計(jì)算的收斂.對(duì)于主體部分，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，劃分成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比較困難，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格單元都為四面體.各部分之間使用Interface(交界面)進(jìn)行連接.

1.2 數(shù)學(xué)模型

FFU內(nèi)部的流動(dòng)是典型的湍流流動(dòng)，選用的湍流模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型.k-ε模型需要求解湍動(dòng)能及其耗散率方程.湍動(dòng)能輸運(yùn)方程是通過(guò)精確的方程推導(dǎo)得到，但耗散率方程是通過(guò)物理推理，數(shù)學(xué)上模擬相似原形方程得到的.該模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略.因此，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型只適合完全湍流的流動(dòng)過(guò)程模擬，對(duì)于壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法.

1.3 模型設(shè)置求解及邊界條件

工作流體設(shè)為25℃的空氣，各物性參數(shù)為軟件自帶參數(shù).入口采用速度入口邊界條件，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定入口來(lái)流的平均速度為3.2 m·s-1，出口采用壓力出口邊界條件，平均靜壓為0 Pa.過(guò)濾膜阻力為120 Pa，采用多孔介質(zhì)模型，阻力系數(shù)設(shè)為10 050 kg·m-4.壁面采用無(wú)滑移壁面邊界條件，近壁區(qū)的處理采用壁面函數(shù)法.各區(qū)域之間采用交界面進(jìn)行連接，具體連接模式為GGI模式.

2 模擬結(jié)果可靠性驗(yàn)證

計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性是后續(xù)優(yōu)化的基礎(chǔ)，因此首先必須要驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果.為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比.試驗(yàn)驗(yàn)證示意圖如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)驗(yàn)證示意圖

在FFU的出口處設(shè)置了9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)比這9個(gè)點(diǎn)上的速度.x為水平方向長(zhǎng)度，vn為速度，計(jì)算的結(jié)果可以用軟件直接顯示，采用熱線風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)定得到試驗(yàn)結(jié)果，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示，兩者還是存在一定的誤差，造成誤差的原因主要包括數(shù)值仿真計(jì)算中的誤差和測(cè)試中的誤差.總體上兩者數(shù)據(jù)吻合較好，誤差在可接受的范圍內(nèi)，表明使用CFX來(lái)對(duì)FFU模型進(jìn)行數(shù)值模擬得到的內(nèi)部流場(chǎng)分布是可靠的.

圖3 模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 流道優(yōu)化

為提高FFU的技術(shù)性能，降低阻力和噪聲，在模型上對(duì)FFU進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).首先分析渦漩產(chǎn)生的原因，然后對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模偻ㄟ^(guò)計(jì)算結(jié)果來(lái)判斷優(yōu)化后的效果，重復(fù)這一過(guò)程，直到達(dá)到最佳的效果.v為流速，S形流道出口處渦漩如圖4所示.

圖4 S形流道出口處渦漩圖

S形流道突擴(kuò)處的渦漩產(chǎn)生的原因是突擴(kuò)結(jié)構(gòu)處的流體產(chǎn)生了回流，被稱為突擴(kuò)回流.相關(guān)學(xué)者對(duì)影響回流的一些參數(shù)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，普遍認(rèn)為控制回流的主要因素包括:流動(dòng)狀態(tài)(層流、湍流)、初始速度分布、自由來(lái)流的湍流速度和突擴(kuò)比等.由于流道面積的突然擴(kuò)張，在面積變化的截面后存在回流、分離、重附和剪切等流動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)引起壓力降低和能量損失，初始流道結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 初始流道結(jié)構(gòu)

因此對(duì)這一部分的優(yōu)化主要集中在突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的消除上，優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)如圖6所示，去除了這一突擴(kuò)結(jié)構(gòu)，流道幾何形狀緩慢變化.

圖6 優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)

修改成漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)后，流道的截面積會(huì)逐漸增大，又由于流量是不變的，流速將逐漸變小，根據(jù)伯努利方程:

式中:z為高度;p為壓力;ρ為流體密度;g為重力加速度;C為常數(shù).

流道水平放置，故z不變，在速度v減小的情況下，壓力p逐漸增大，因此隨著流道的擴(kuò)張，壓力逐漸增大，在該區(qū)域內(nèi)存在較大的壓力梯度，流體從高壓端流向低壓端，流道出口區(qū)域會(huì)發(fā)生回流.

為解決這一問(wèn)題，可以將流道截面積設(shè)計(jì)成相等，在流量一定的情況下，流道各處的流速相等，各處壓力也趨于相等，不會(huì)出現(xiàn)大的壓力梯度，就不會(huì)出現(xiàn)回流現(xiàn)象.等截面流道模型如圖7所示.

圖7 等截面流道模型

在流道逐漸擴(kuò)張的過(guò)程中將高度逐漸減少，得到的精確方程為

式中y為豎直方向長(zhǎng)度.

按圖7修改好模型之后再次進(jìn)行計(jì)算，待計(jì)算收斂之后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，回流現(xiàn)象消失，所有的流體都同向運(yùn)動(dòng)，且十分流暢，達(dá)到優(yōu)化的效果.優(yōu)化后流道的整體速度矢量圖如圖8所示，渦漩全部消失，流動(dòng)變得十分順暢，有效減少流道阻力.

圖8 優(yōu)化后流道的整體速度矢量圖

3.2 導(dǎo)流裝置優(yōu)化

FFU中導(dǎo)流板的作用是將S形流道流出的空氣導(dǎo)入到下層空間，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾器進(jìn)入室內(nèi)，此過(guò)程中既要保證能量損失盡量小，又要保證送風(fēng)的均勻性.因此導(dǎo)流板的彎曲角度和開(kāi)孔數(shù)量及大小對(duì)送風(fēng)狀態(tài)有很大的影響.該型號(hào)的FFU的導(dǎo)流板彎曲角度為35°，筆者使用數(shù)值模擬的方法對(duì)比了彎曲角度分別為 20°，35°，50°這 3 種情況下的流動(dòng)狀態(tài)，得出了3種導(dǎo)流板形式下的流動(dòng)狀態(tài)的速度矢量圖如圖9所示.

圖9 導(dǎo)流板角度在20°，35°，50°時(shí)的速度矢量圖

單獨(dú)觀察圖9a-c可以發(fā)現(xiàn):在彎曲角度為20°時(shí)，左側(cè)壁面附近區(qū)域有少量漩渦;彎曲角度為35°時(shí)左側(cè)壁面附近出現(xiàn)漩渦;彎曲角度為50°時(shí)在導(dǎo)流板的正上方出現(xiàn)漩渦.

整體觀察圖9可以發(fā)現(xiàn)這種導(dǎo)流方式存在的幾個(gè)典型問(wèn)題:①無(wú)論怎么改變導(dǎo)流板的角度，均會(huì)出現(xiàn)氣流回旋現(xiàn)象，表現(xiàn)在FFU的整體性能上就是在出風(fēng)口的部分位置會(huì)出現(xiàn)出風(fēng)不均勻現(xiàn)象;②導(dǎo)流板的切線方向上的速度遠(yuǎn)大于其他位置的速度，表現(xiàn)在出口速度上就是圖3所示的雙駝峰現(xiàn)象，導(dǎo)致出風(fēng)極不均勻，出風(fēng)均勻性是評(píng)價(jià)FFU的性能的一個(gè)最直觀的指標(biāo)，直接影響到室內(nèi)的凈化效率.出風(fēng)的均勻性主要影響室內(nèi)氣流組織形式，GB 50457—2008《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定100級(jí)以上的潔凈室的氣流流型應(yīng)采用單向流，出風(fēng)均勻性好的FFU能形成良好的單向流，不會(huì)在室內(nèi)產(chǎn)生漩渦，減少污染物的堆積，凈化效果明顯提升;③都在左下角的直角轉(zhuǎn)彎區(qū)域形成了一塊流動(dòng)速度很小的區(qū)域，該區(qū)域極易形成漩渦，導(dǎo)致能量的損失以及噪音的形成.綜上所述，該導(dǎo)流板的作用不夠理想，不能滿足實(shí)際的要求，需重新設(shè)計(jì)導(dǎo)流板，重新設(shè)計(jì)的導(dǎo)流裝置如圖10所示，新的導(dǎo)流裝置由2部分組成:① 一個(gè)環(huán)形的等截面的流道，能夠?qū)⒖諝忭槙车貙?dǎo)入到上層空間;②帶條縫的導(dǎo)流板，導(dǎo)流板上的條縫數(shù)量及寬度由導(dǎo)流板上方的區(qū)域占整個(gè)出口區(qū)域面積的比例決定，以確保出口風(fēng)量的均勻.另外導(dǎo)流板末端水平，流出的空氣不會(huì)直接撞在過(guò)濾膜上，因此不會(huì)出現(xiàn)圖3所示的雙駝峰現(xiàn)象，出口速度將會(huì)比較均勻.修改后的導(dǎo)流矢量圖如圖11所示，導(dǎo)流板的導(dǎo)流效果非常明顯，出風(fēng)十分均勻.

圖10 修改后的導(dǎo)流裝置

圖11 修改后的導(dǎo)流矢量圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性，將原FFU按上述的修改方案進(jìn)行了修改，并用FFU性能測(cè)試臺(tái)進(jìn)行性能檢測(cè)，F(xiàn)FU性能測(cè)試臺(tái)如圖12所示，可進(jìn)行余壓、定風(fēng)量、定轉(zhuǎn)速檢測(cè)，依據(jù)GB/T 1236—2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》測(cè)試的性能參數(shù)包括風(fēng)量、機(jī)外余壓、轉(zhuǎn)速、功率、空氣動(dòng)力效率、電壓和電流等，同時(shí)得出完整的性能曲線.

圖12 FFU性能測(cè)試臺(tái)

為量化地評(píng)價(jià)出風(fēng)的均勻性，將距離出口平面0.15 m處的平面上均勻布置27個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖13所示，圖中尺寸單位為mm.

圖13 出口測(cè)點(diǎn)分布圖

引入不均勻度作為評(píng)價(jià)指標(biāo).出風(fēng)不均勻度為

式中:vi為任一點(diǎn)實(shí)測(cè)風(fēng)速;ˉv為平均風(fēng)速;N為測(cè)點(diǎn)數(shù).

用式(3)表征出口速度的不均勻性，其值越大表示出風(fēng)越不均勻.GB 50591—2010《潔凈室施工及驗(yàn)收規(guī)范》中規(guī)定潔凈室中氣流不均勻度不大于25.00%.按照式(3)計(jì)算得優(yōu)化前出風(fēng)的不均勻度為23.84%，優(yōu)化后出風(fēng)的不均勻性達(dá)到19.63%，說(shuō)明新的導(dǎo)流裝置能有效提高出風(fēng)的均勻性.

優(yōu)化前后靜壓與面速度的關(guān)系如圖14所示，在額定轉(zhuǎn)速下變換風(fēng)量得到不同靜壓值，優(yōu)化后靜壓值有所提高，在面速度為0.45 m·s-1時(shí)靜壓提高了30 Pa左右，說(shuō)明流道的改進(jìn)提升了FFU的性能，可以應(yīng)用在靜壓需求更高的場(chǎng)合，可以使用更高效的過(guò)濾膜.空氣動(dòng)力效率是指一定流量下推動(dòng)空氣流動(dòng)的功率占總輸入功率的百分比，表征了能量的有效利用程度.空氣動(dòng)力效率與面速度之間的關(guān)系如圖15所示，由于高效過(guò)濾膜的阻礙作用，空氣動(dòng)力效率整體處于較低水平.空氣動(dòng)力效率的變化分為2個(gè)階段:① 面速度較小時(shí)，優(yōu)化前后的空氣動(dòng)力效率變化不大;② 當(dāng)面速度大于0.4 m·s-1時(shí)，優(yōu)化后的效率明顯高于優(yōu)化前，這是由于流道阻力與速度的平方成正比，隨著速度的增大，流道的阻力變得越來(lái)越顯著，此時(shí)阻力較小的流道空氣動(dòng)力效率更高.

圖14 優(yōu)化前后靜壓與面速度的關(guān)系

圖15 優(yōu)化前后空氣動(dòng)力效率與面速度的關(guān)系

5 結(jié)論

1)運(yùn)用數(shù)值模擬的方法可以有效地模擬FFU的內(nèi)部流場(chǎng)，并可以觀察到FFU內(nèi)部渦漩產(chǎn)生的具體區(qū)域.

2)通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析，修改了S形流道的突擴(kuò)結(jié)構(gòu)，并保證流道截面積相同，這樣就可以消除突擴(kuò)結(jié)構(gòu)造成的渦漩，并且不產(chǎn)生回流現(xiàn)象.重新設(shè)計(jì)了導(dǎo)流裝置，得到了更加均勻的出流.

3)使用FFU性能測(cè)試臺(tái)對(duì)優(yōu)化前后FFU性能進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的FFU出風(fēng)更均勻，具有更高的靜壓，在風(fēng)速較高時(shí)空氣動(dòng)力效率也更高.

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