大型軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量測試CFD 模擬與實(shí)驗(yàn)研究

陳 雷

(解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇南京 210007)

風(fēng)機(jī)作為最大的耗電設(shè)備，其能耗對通風(fēng)系統(tǒng)能耗影響巨大［1］。對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造［2］必須要對風(fēng)機(jī)與管路的性能曲線進(jìn)行測試，測試工作量最大的就是對風(fēng)量的測試。以南京地鐵二號線為例，二號線共17個(gè)站，風(fēng)機(jī)風(fēng)量測試共需要測得近7.7萬個(gè)數(shù)據(jù)，測試工作量巨大，因此需要研究正確的測試方法，否則將造成人力物力的巨大浪費(fèi)。

然而在大型軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量測試中發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題:在軸流風(fēng)機(jī)出流端進(jìn)行風(fēng)量測試所得數(shù)據(jù)波動(dòng)較大;而在入流端所測得的數(shù)據(jù)十分平穩(wěn)，測量過程更加高效。本論文針對此問題進(jìn)行研究，采用現(xiàn)場試驗(yàn)與CFD仿真模擬的方法為大型軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量測試提供一種較好的測試方法。

1 實(shí)驗(yàn)測試

1.1 測點(diǎn)選擇

以南京地鐵二號線新街口站A站端風(fēng)機(jī)變頻風(fēng)量測試為研究對象。該測試采用將選擇的測量斷面根據(jù)其物理進(jìn)行9等分，見圖1。

1.2 風(fēng)量的計(jì)算

間接測量法［3］。每個(gè)測點(diǎn)的風(fēng)速信息進(jìn)行3次的讀取與記錄。

式中:Q——風(fēng)量;

A——面積;

圖1 斷面測點(diǎn)分布圖

1.3 測量斷面

對排風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行測試，排風(fēng)機(jī)風(fēng)量測量斷面及閥門啟閉示意圖見圖2。風(fēng)機(jī)頻率為25 Hz時(shí)，選擇排風(fēng)機(jī)入流端消聲器作為測量斷面A6;再選擇排風(fēng)機(jī)出流端消聲器作為測量斷面A7。每個(gè)測點(diǎn)連續(xù)測量3次。

2 數(shù)據(jù)分析

兩斷面每個(gè)測點(diǎn)的均值和方差對比見圖3，圖4。結(jié)果表明在軸流風(fēng)機(jī)負(fù)壓端進(jìn)行風(fēng)量測試，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性更好，測點(diǎn)選擇對結(jié)果的影響也更小。下面將采用CFD模擬與實(shí)驗(yàn)測試的方式對該現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3 物理數(shù)學(xué)模型

選取新街口站A站端排風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)機(jī)CFD研究，其中風(fēng)機(jī)內(nèi)直徑為2 000 mm，外圍滾筒的直徑為2 012 mm，風(fēng)機(jī)葉片的安裝角度為25°，風(fēng)機(jī)外筒長為1 760 mm，整流罩長為1 020 mm，整流罩內(nèi)直徑為2 012 mm，外直徑為2 600 mm，模型如圖5所示。

圖2 排風(fēng)機(jī)風(fēng)量測量斷面及閥門啟閉示意圖

圖3 不同測量斷面所得數(shù)據(jù)平均值對比

圖4 不同測量斷面所得數(shù)據(jù)方差對比

圖5 風(fēng)機(jī)模型圖

3.1 物理模型

地鐵風(fēng)機(jī)內(nèi)空氣處于常溫、常壓狀態(tài)，可認(rèn)為其滿足氣體狀態(tài)方程:

其中，P為空氣壓力，Pa;ρ為空氣密度，kg/m3;R為空氣常數(shù)，297 J/(kg·K);T為絕對溫度，K。

通?？蓪⒖諝饬鲃?dòng)的壓力視為常數(shù):

另外，所研究的空氣流動(dòng)基本為低速流動(dòng)(＜30 m/s)，可將其視為不可壓縮流體看待，即:

空氣的粘性不可忽略，室內(nèi)空氣流動(dòng)符合Boussinesq假設(shè)。

3.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述物理模型，室內(nèi)空氣遵循具有不可壓粘性流體性質(zhì)的控制微分方程［4］。所采用控制微分方程與湍流模型如下:

1)連續(xù)性方程:

2)動(dòng)量方程:

在動(dòng)量守恒方程中，僅考慮對質(zhì)量力項(xiàng)的影響［5］。

3)湍流模型［6］。

軸流風(fēng)機(jī)流場內(nèi)氣流做高速運(yùn)動(dòng)，屬于高雷諾數(shù)湍流模型，本課題采用只考慮低階粘性作用而忽略高階粘性作用的高Re數(shù)k-ε 紊流模型［7］。

4 CFD模擬與實(shí)驗(yàn)研究

4.1 軸流風(fēng)機(jī)斷面速度場CFD模擬

采用Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。設(shè)定風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率為25 Hz，軸流風(fēng)機(jī)斷面速度場模擬云圖見圖6，通過Fluent自帶后處理工具［8］分析模擬結(jié)果可以得到風(fēng)機(jī)整流罩入口處最大風(fēng)速為8.17 m/s，平均風(fēng)速為 6.95 m/s，風(fēng)量為35.88 m3/s。分析圖6 可以得到以下結(jié)論:

1)軸流風(fēng)機(jī)入流斷面速度場比出流斷面速度場更加均勻;2)入流斷面的速度場分布為斷面中間速度較大、斷面邊緣速度較小;出流斷面的速度場分布為斷面中間速度較小、斷面邊緣速度較大。

4.2 變頻工況CFD模擬與實(shí)驗(yàn)研究

風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)頻率變化范圍很大，為使結(jié)論更加可靠，本論文針對變頻工況下軸流風(fēng)機(jī)各種運(yùn)行頻率進(jìn)行CFD模擬與實(shí)驗(yàn)研究，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率范圍為13 Hz～39 Hz，CFD模擬與實(shí)驗(yàn)測試均選擇A站端排風(fēng)機(jī)入流端A6斷面，以13 Hz為測量起始頻率，以2 Hz為間隔共進(jìn)行14組不同頻率運(yùn)行工況的CFD模擬與測試，風(fēng)量模擬結(jié)果與測試結(jié)果對比見表1，圖7。

圖6 25 Hz時(shí)軸流風(fēng)機(jī)斷面速度場模擬云圖

4.3 變頻工況結(jié)果分析

1)對比分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)量模擬結(jié)果與風(fēng)量實(shí)測結(jié)果的協(xié)相關(guān)系數(shù):

其中，ρr為協(xié)相關(guān)系數(shù);分別為實(shí)際風(fēng)量與模擬風(fēng)量的方差。

表1 風(fēng)量模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比表

圖7 風(fēng)量模擬結(jié)果與風(fēng)量實(shí)測結(jié)果對比圖

說明模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了不同頻率工況下軸流風(fēng)機(jī)CFD模擬結(jié)果的可靠性。

2)選擇入流斷面速度場的平均風(fēng)速與最大風(fēng)速進(jìn)行對比，分析風(fēng)機(jī)在不同頻率下入流斷面風(fēng)速分布的均勻性，見表2，圖8。

表2 變頻工況下入流斷面最大風(fēng)速與平均風(fēng)速模擬值對比表

圖8 變頻工況下入流斷面最大風(fēng)速與平均風(fēng)速模擬值對比圖

對比分析可知，大型軸流風(fēng)機(jī)各頻率工況下入流端斷面風(fēng)速的最大值與平均值的差值較小，相對誤差約為15%，且差值隨著風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率的增加從0.6 m/s緩慢增加到1.9 m/s。表明軸流風(fēng)機(jī)入流斷面速度場分布均勻，運(yùn)行頻率對入流斷面風(fēng)速分布的均勻性影響很小，因此軸流風(fēng)機(jī)應(yīng)該在入流斷面進(jìn)行風(fēng)速測量更加合理。

5 結(jié)語

本論文采用實(shí)驗(yàn)測試與CFD模擬的方法，針對大型軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量測試時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論:

1)大型軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)量測試時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)入流斷面每組測試數(shù)據(jù)與出流斷面所得數(shù)據(jù)相比:方差較小、速度場分布更加均勻穩(wěn)定。

2)對軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率為25 Hz的工況進(jìn)行CFD模擬，模擬結(jié)果顯示:軸流風(fēng)機(jī)入流斷面速度場比出流斷面速度場更加均勻;入流斷面的速度場分布為中間速度較大、邊緣速度較小;出流斷面的速度場分布為中間速度較小、邊緣速度較大。

3)軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率13 Hz～39 Hz的14種工況CFD模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果表明:模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的協(xié)相關(guān)系數(shù)ργ約等于1，說明軸流風(fēng)機(jī)CFD模擬結(jié)果的可靠性;14種頻率工況下入流斷面速度場最大值與平均值的差值在0.6 m/s～1.9 m/s之間，相對誤差約為15%，表明風(fēng)機(jī)頻率在13 Hz～39 Hz之間時(shí)入流斷面速度場分布都很均勻。

上述分析說明在進(jìn)行大型軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量測試時(shí)，在入流端選擇斷面進(jìn)行風(fēng)量測量，所測得結(jié)果會更加準(zhǔn)確。

［1］朱培根，田義龍，何志康，等.地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能分析［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012(5):589-592.

［2］朱進(jìn)桃.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行［J］.暖通空調(diào)，2014(5):97-102，78.

［3］丁祖榮，單雪雄.流體力學(xué)(下冊)［M］.北京:高等教育出版社，2003:100.

［4］方曉龍.體育場館內(nèi)氣態(tài)污染物散發(fā)與凈化的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究［D］.上海:東華大學(xué)，2014.

［5］Guan Qing，Tang Guangfa.Numerical Research of Parallel Limited Jets of Cold Air in Large Space Buildings［J］.Acta Aerodynamica Sinica，1992(3):96.

［6］Nielsen P V.The select of turbulance models for prediction of room airflow，In:ASHRA ETrans，1998(104):1119-1126.

［7］Amano R S.Development of a turbulence near-wall model and application to separated and reattached flows［J］.Numer Heat Transfer，1984(19):759-760.

［8］朱紅鈞.Fluent 12流體分析及工程仿真［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011:34-35.