空氣過濾裝置內(nèi)部流場模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李光毅 劉金祥 周 斌 朱 越 黃 慶

1南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院

2江蘇創(chuàng)云環(huán)?？萍加邢薰?/p>

空氣過濾裝置內(nèi)部流場模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李光毅1劉金祥1周 斌1朱 越1黃 慶2

1南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院

2江蘇創(chuàng)云環(huán)保科技有限公司

為了探明某雞舍過濾裝置內(nèi)部流場及壓力場的分布情況，應(yīng)用計算流體力學(xué)方法對過濾裝置內(nèi)部流場進(jìn)行仿真計算及分析，并搭建試驗臺進(jìn)行測試，對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證。研究結(jié)果表明減小過濾裝置進(jìn)氣口與出氣口角度，并且將突縮段做變徑處理能夠有效改善過濾裝置的流場與壓力場分布，經(jīng)改進(jìn)后的裝置流阻損失減小8%。此過濾裝置還適用于過濾進(jìn)風(fēng)口面積小、風(fēng)速高的場合，如數(shù)據(jù)機(jī)房等。

空氣過濾器 多孔介質(zhì) 流場優(yōu)化 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

某雞場過濾裝置在額定工況下，經(jīng)過實際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)過濾裝置整體阻力略高于用戶的要求，造成風(fēng)機(jī)能耗偏大，需要對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)流場使其結(jié)構(gòu)阻力降低以達(dá)到節(jié)能的目的。通過大量實際工作，本文采用CFD技術(shù)對該過濾裝置進(jìn)行流場分析，得到其內(nèi)部的流場分布和壓力分布。通過分析流場找出改進(jìn)措施，然后對新的產(chǎn)品模型進(jìn)行仿真計算分析、實驗，使其改善內(nèi)部流場分布及壓力場分布，達(dá)到流動阻力減小降低風(fēng)機(jī)能耗的目的。

1 數(shù)值計算模型分析

本文只針對過濾裝置內(nèi)部流場進(jìn)行優(yōu)化，所以為了簡化模型，作了如下假設(shè)[1]：

1）空氣過濾裝置內(nèi)部只有空氣一種氣相介質(zhì)；

2）流體的密度變化很小，視為不可壓縮流體；

3）當(dāng)過濾裝置在穩(wěn)定工況下工作時，溫度保持不變，可認(rèn)為整個流動過程是個等溫過程；

4）通過雷諾數(shù)的大小判斷空氣的流動形態(tài)，經(jīng)計算可得到雷諾數(shù)為Re=1.44×105，大于層流和湍流的臨界雷諾數(shù)，因此其流動為湍流，故采用湍流模型描述空氣過濾裝置內(nèi)部的氣流流動狀況。

因此，空氣過濾裝置內(nèi)部的氣流可假定為穩(wěn)定、不可壓縮的單相流流動模型[2]。在劃分網(wǎng)格時，使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行離散。壓力項和速度項采用耦合的SIMPLE算法。

2 數(shù)值計算模型

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

由于目前對濾芯阻力研究已經(jīng)很成熟了，因此本文只針對過濾裝置結(jié)構(gòu)阻力進(jìn)行研究。為了能夠較為詳細(xì)地了解該過濾裝置的內(nèi)部流場特性，保留了本裝置的全部實際構(gòu)件，該過濾裝置由兩個進(jìn)風(fēng)口、兩個出風(fēng)口、兩塊濾料及一個殼體組成，兩進(jìn)風(fēng)口尺寸為590mm×750mm，兩出風(fēng)口尺寸為590mm×65mm，詳見圖1。因濾料的厚度與整個裝置尺寸相比比例較大，劃分網(wǎng)格數(shù)量較多，為節(jié)省計算時間將模型進(jìn)行軸對稱化處理，并采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格劃分計算區(qū)域，經(jīng)過反復(fù)試算，找到最優(yōu)網(wǎng)格大小及數(shù)量，最終網(wǎng)格總數(shù)為5601644個，詳見圖2。

圖1 過濾裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 網(wǎng)格劃分模型

2.2 介質(zhì)物性參數(shù)設(shè)計

介質(zhì)為空氣，實際運(yùn)行工況參數(shù)如下：環(huán)境大氣壓力 p=101.325kPa，溫度 T=20℃，空氣密度 ρ= 1.205kg/m3，空氣粘度μ=1.82×10-5Pa·S。

2.3 邊界條件設(shè)置

進(jìn)口為壓力入口，為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?；出口為速度出口，根?jù)額定工況設(shè)定出口的流速；設(shè)空氣過濾裝置濾料為多孔介質(zhì)區(qū)域，流體在多孔介質(zhì)區(qū)域為層流流動，遵循Darcy定律，可以使用式（1）所述的數(shù)學(xué)模型來模擬動量方程的原項[3]：

對式（1）進(jìn)行濾料厚度方向積分可得到式（2）：

式中：vi為i方向速度矢量；vmax為i方向最大速度矢量；v為速度矢量；α為多孔介質(zhì)的滲透性。

式（2）表明，多孔介質(zhì)的壓力損失分為2個部分，第1部分是粘性損失項，第2項是慣性損失項。

通過實驗測試得到濾料的厚度及速度和壓降的關(guān)系，進(jìn)行計算得到多孔介質(zhì)粘性阻力1/α=-4.99353× 109m-2與慣性阻力C2=4.997×105m-1。

3 CFD分析結(jié)果

圖3、圖4分別為空氣過濾裝置在額定流量1100m3/h時的速度矢量分布圖、壓力分布云圖。

圖3 速度矢量分布圖

圖4 壓力分布云圖

為了較為清晰地觀察內(nèi)部流動情況，對突縮段進(jìn)行局部放大（詳見圖5、圖6）。從速度矢量場中可以看到由于過濾裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，在突縮段速度場分布不均勻，存在流速很小的區(qū)域，造成較大的負(fù)壓區(qū)。由于速度場分布不均勻?qū)е聝?nèi)部總壓損增大，所以需要改進(jìn)過濾裝置結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化流場分布。

圖5 突縮段速度矢量分布圖

圖6 突縮段壓力分布云圖

4 優(yōu)化設(shè)計

由仿真結(jié)果，有針對性地提出兩點改進(jìn)措施：1）將過濾裝置的突縮段做變徑處理；2）減小同側(cè)進(jìn)氣口與出氣口的夾角，兩進(jìn)氣口夾角為17°。

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分模型

圖8 改進(jìn)模型突縮段速度矢量圖

圖8、圖9為結(jié)構(gòu)改進(jìn)后突縮段速度矢量場及壓力分布云圖的局部放大圖。從圖8、圖9中可以看出，改進(jìn)后的模型與原模型相比氣流流場與壓力場分布均勻，達(dá)到了改進(jìn)的目的。改進(jìn)前流動壓力損失為22.6Pa，改進(jìn)后流動壓力損失為20.8Pa，壓力損失降低了8.0%，減小了雞舍內(nèi)風(fēng)機(jī)的能耗。

圖9 改進(jìn)模型突縮段壓力分布云圖

5 方案驗證

為了更加準(zhǔn)確地驗證模擬結(jié)果，搭建了如圖10所示的試驗臺。

圖10 試驗臺

雞舍每臺過濾裝置的額定風(fēng)量為1100m3/h，按照額定工況分別對原模型及改進(jìn)后的模型進(jìn)行了測試，得到的結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比對，結(jié)果見表2。

表2 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對照表

在額定流量1100m3/h的工況下，原模型總壓力損失為25.6Pa，改進(jìn)后的模型總壓力損失為23.5Pa，壓力損失減小了2.1Pa比原模型壓損降低了8.2%，符合仿真預(yù)期。

6 總結(jié)

1）為了研究整個過濾裝置的流場特性，應(yīng)用計算流體力學(xué)仿真模擬進(jìn)行了流場的數(shù)值分析，通過數(shù)值分析計算得到各種參數(shù)分布圖，基本能夠表明過濾裝置的內(nèi)部流場特性，并通過試驗驗證了多孔介質(zhì)模型的準(zhǔn)確性。

2）將裝置的突縮段做變徑處理及減小進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口夾角后流場分布均勻，負(fù)壓區(qū)消失，流阻損失與原裝置相比減小8.2%，同時較為詳細(xì)地描寫了多孔介質(zhì)的模擬仿真過程，并通過試驗驗證了多孔介質(zhì)模型的準(zhǔn)確性。

[1] 李佳,劉震濤,劉忠民,等.空氣濾清器流動過程仿真與試驗分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報,2012,46(2):327-332

[2] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004 [3] Fluent6.3 User’s Guide[Z].Fluent Inc,2003

Numerical Simulation of Internal Flow and Structure Optimization for Air Filtration Unit

LI Guang-yi1,LIU Jin-xiang1,ZHOU Bin1,ZHU Yue1,HUANG Qing2

1 College of Urban Construction and Safety Engineering,Nanjing Technology University
2 Jiangsu Chuangyun Environmental Protection Technology Co.,Ltd.

In order to investigate the flow field and pressure field distribution inside the interior of the air filtration unit for hen poultry houses,applies the computational fluid dynamics method to calculate and analyze the internal flow field, and builds the test bench to validate the simulation results.The results indicate that it can effectively improve the flow field and pressure field distribution when the angle between the inlet and the outlet is reduced and when the size of the sudden contraction section changes gradually.The flow resistance can be reduced by 8%after the improvement of the device.This filter is also suitable for the applications where the inlet area for air filtration is small and the air velocity is large,such as the data room.

air filter,porous media,flow field analysis,structure optimization

1003-0344（2015）04-084-4

2014-3-19

李光毅（1987～），男，碩士研究生；南京市鼓樓區(qū)中山北路200號（210000）；E-mail:liguangyi0001@sina.com