通風機性能試驗數據處理軟件的開發(fā)

朱如洪 唐照付

（上海諾地樂通用設備制造有限公司研究院)

通風機性能試驗是通風機設計、生產、檢驗中必不可少的項目。通風機 （簡稱風機）的性能曲線能直觀反映風機的性能狀況，可以根據需要指導風機運行狀態(tài)點的調節(jié)，也能為風機的改型設計提供參考。在所選試驗方法一定的情況下，風機性能曲線能否精確反映風機實際性能，除了受試驗過程中所選儀表精度和人為測量誤差的影響外[1]，還在一定程度上取決于試驗結果的處理方法。通風機性能試驗結果的計算不僅要用到大量復雜的公式，而且有時還需要進行迭代計算。但是手工計算往往既費時費力又易出錯，編寫程序計算有時又不能很好地人機對話，沒有很好的直觀性。這些都是需要解決和改善的問題。

Matlab GUI利用了Matlab自身強大的數據和圖形處理功能，在用戶圖形界面設計方面相比其他高級編程語言具有獨特的優(yōu)勢[2]。本文以筆者平時做試驗經常用到的進出氣聯合試驗D型裝置為例，開發(fā)了一種界面友好的、可精確快速地處理試驗數據的計算軟件。下面將介紹風機性能試驗結果處理中的難點和基于Matlab GUI制作計算軟件的方法，希望能給需要自制風機試驗結果處理系統(tǒng)的個人或單位提供參考。

1 Matlab GUI編程的優(yōu)勢

Matlab自身含有強大的函數庫可直接調用，無需繁瑣的編程語言，特別在處理矩陣方面更具優(yōu)勢。由VC、Java、VB等高級編程語言制作出的軟件界面友好，功能強大；然而在對大量數據進行各種復雜分析和處理時，相比于Matlab編程語言而言，這些高級語言則處于明顯的劣勢。Matlab GUI不但可以減少代碼編寫的工作量，而且制作出的軟件同時具有界面友好和能夠方便進行各種數據處理及圖像分析等的特點[3-4]。

2 流量的計算方法

流量是分析求解風機性能時最重要的一個參數，流量的計算也是編程求解的難點。風機的性能參數壓力、功率、效率等都與流量有關，流量的計算往往需要迭代求解。依據GB/T 1236—2000《工業(yè)通風機——用標準化風道進行性能試驗》，流量的測定方法有ISO文丘里噴管、多噴嘴或文丘里噴管、90°圓弧進口噴嘴、錐形進口、孔板等。其中質量流量的計算可統(tǒng)一采用下式：

式中 α——流量系數；

ε——膨脹系數。

除了這兩個系數外，其余都可以通過測量數據簡單計算得出。各標準對于各種測量方法的流量系數和膨脹系數都有各自不同的規(guī)定，對這些系數的處理也是計算的難點。下面以錐形進口為例作一討論，其復合流量系數αε=mlgRed+c，且

聯合式 （1）、 式 （2） 得：

式中，m和c是試驗風管直徑的函數，Δp、μ等可以通過所測數據經簡單計算得出。

以qm和Red為未知量的非線性方程組需要迭代求解。調用Matlab求解函數fsolve能很好地進行求解，其調用格式為[4]：

其中，fun為要求解的非線性方程組式 （3），x0為賦給fun的初值，options為結構指定的優(yōu)化參數，比如收斂精度。

3 風機性能試驗數據處理軟件的制作

考慮到同一參數采用不同儀表所測的數據不同，程序中提供多個單位選項以方便對原始記錄數據直接輸入而無需先進行單位轉換計算，提高了程序的豐富性。程序的設計流程如下：

原始試驗數據的輸入→選擇相應的單位→計算→顯示計算結果→曲線擬合→曲線輸出。

打開Matlab新建GUI文件，進入用戶界面設計，選擇相應控件進行合理布局，此布局也就是最終設計軟件的界面，應遵循簡潔美觀的原則。

在編寫后臺控制程序時，各狀態(tài)參數要轉換成標準進氣狀態(tài) (ρ=1.2 kg/m3， p=101325 Pa，t=20℃，相對濕度50%)，并且還可設置某種需要的進氣狀態(tài)，這樣可方便地進行各狀態(tài)下風機性能的比較。由于一年中四季更替、環(huán)境改變以及系統(tǒng)中氣體狀態(tài)的變化，風機在運行時性能也會隨之變化，如果把可能出現的進氣狀態(tài)都考慮到，得到不同狀態(tài)下的風機性能曲線，那么這些曲線將對調節(jié)風機運行和改變性能最佳點的位置有指導意義。這樣就可以提高風機的運行效率，及時找到滿足系統(tǒng)要求的風機性能狀態(tài)點，這對節(jié)約能源和保證系統(tǒng)正常運行有很大幫助。另外為了得到最佳的風機性能曲線，利用Matlab多項式擬合工具polyfit，即基于最小二乘法的擬合工具，就能很好地滿足要求，無需借助其他曲線擬合軟件。根據以上要求，特制作如圖1所示的軟件界面。

圖1 風機性能試驗計算軟件界面圖

Matlab GUI編寫的程序只能在Matlab環(huán)境下才能使用，這樣就給使用帶來不便。利用Matlab的編譯工具deploytool可將程序的m和fig文件編譯成exe文件。因為Matlab在編寫程序時調用了本身函數庫的內容，要想在沒有安裝Matlab軟件的計算機上使用exe文件，也必須先執(zhí)行MCR(Matlab Components Runtime)，所以在編寫exe文件的時候利用deploytool工具將MCR一起打包，最終生成完整的在Window下可執(zhí)行的exe文件。

4 風機性能試驗計算軟件的應用

本文以一臺漩渦風機為例說明該軟件的應用。試驗方法是按照 GB/T 1236—2000《工業(yè)通風機——用標準化風道進行性能試驗》規(guī)定的進出氣聯合試驗D型裝置，所測結果的輸入如圖1所示，其中濕球溫度下拉項還可以選擇相對濕度，具體參數根據測量儀表而定。流量的測定采用錐形進口測流量法。風機出氣風管截面4的靜壓pe4可采用U形管和精密壓力表測量，軟件對U形管又設置了水柱和水銀兩個選項以方便數據輸入。軟件中還設置了用戶要求的進氣狀態(tài)的空氣密度，通過相似理論把風機性能曲線轉換到該條件下，從而直觀地反應出用戶要求的進氣狀態(tài)下的風機性能曲線。

圖2 靜壓流量曲線

圖3 空氣功率流量曲線

圖4 總效率流量曲線

從圖2～圖4中擬合的曲線可看出，各狀態(tài)點基本上都落在曲線上，說明曲線擬合質量良好。由漩渦風機的性能曲線可以看出，高壓小流量是漩渦風機典型的特征，并且壓力隨流量的增加而快速下降；空氣功率隨流量先增加后減少，說明該臺漩渦風機對單位質量氣體做的功在進口流量為200 m3/h處達到極大值；由于測量工具所限，本文只計算了總效率 （即空氣功率與電機輸入功率的比值），從曲線走勢來看基本與空氣功率相吻合，說明漩渦風機對氣體做功最大處是效率最高點。該軟件對用戶要求的進氣條件下的風機性能曲線進行了繪制，從所繪制的圖中可方便地讀出不同流量下的壓力和效率，這對用戶調節(jié)風機運行狀態(tài)點有指導意義。如果再繪制出不同轉速下的風機性能曲線，那么對調節(jié)風機性能更具指導意義，而這些都可以在Matlab后臺程序中方便而簡單地實現，在此不再詳述。

5 結語

利用Matlab GUI用戶圖形設計功能及Matlab強大的數據處理和圖形處理功能，在設計風機性能曲線計算程序時無需復雜繁瑣的編程語言就能快速實現軟件的編制，這為工程技術人員節(jié)省了大量時間。同時軟件的圖形界面化能一目了然地處理數據并分析數據。改變風機的進氣狀態(tài)能迅速得到該狀態(tài)下的風機性能曲線，這對了解風機運行狀態(tài)和調節(jié)風機對系統(tǒng)的作用具有直接的指導意義。

[1] 陳明濤，賽慶毅，蔣旭平，等.相對濕度對風機性能的影響 [J].風機技術，2009(4)：23-24.

[2] 吳正人,程友良.用VB語言實現泵或風機性能曲線的繪制和換算 [J].電力情報,2002(2）：45-48.

[3] 陳瑞峰，左曙光，郭偉.基于MATLAB GUI的信號分析系統(tǒng) [J].佳木斯大學學報，2009,27（5）：645-647.

[4] 尚濤，謝龍漢,杜如虛，等.MATLAB工程計算及分析[M].北京：清華大學出版社，2011.