誘導(dǎo)式風(fēng)管內(nèi)流體特性的數(shù)值模擬研究

蘇　飛，魏　兵

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

誘導(dǎo)式風(fēng)管內(nèi)流體特性的數(shù)值模擬研究

蘇飛，魏兵

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

摘要：低溫送風(fēng)誘導(dǎo)式縮放風(fēng)管具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、節(jié)省能耗、噪聲低、維修工作量小和能利用普通風(fēng)口等優(yōu)點(diǎn)，但不易達(dá)到較高的誘導(dǎo)比。運(yùn)用CFD軟件對風(fēng)管內(nèi)部流體特性進(jìn)行模擬，通過云圖進(jìn)行壓力分析，并在云圖靜壓較低處對應(yīng)地設(shè)置二次風(fēng)口。計算各種情況下誘導(dǎo)風(fēng)管的誘導(dǎo)比，通過誘導(dǎo)比計算值的對比，確定出二次風(fēng)口的最佳位置，設(shè)計出誘導(dǎo)式縮放風(fēng)管的吸收段。

關(guān)鍵詞：誘導(dǎo)式風(fēng)管；吸收段；二次風(fēng)口；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU831.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.08.010

收稿日期：2015-06-19。

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金(51408820)。

作者簡介：蘇飛(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能技術(shù)，E-mail：sfhvac305@163.com。

Abstract：Considering its simple structure, low cost, energy savings, little noise, small amount of maintenance and adaptability to normal vent, cold air distribution induction scaling duct is spoken highly of. But it is not easy to reach a high induction ratio. In this paper, CFD software was adopted to simulate internal fluid properties in the induction ducts. Then secondary air inlets were located in the position with the lowest static pressure after the analysis of the contours. Finally, the induction ratios for different ducts were calculated. After comparing induction ratios, the optimal location of secondary air inlet is determined and the absorption section is designed.

Keywords：induction duct; absorption section; secondary air inlet; numerical simulation

0引言

低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度為4～10 ℃，比常溫空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度12～16 ℃低[1,2]。采用低溫送風(fēng)技術(shù)能夠降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，也能節(jié)省初投資和運(yùn)行費(fèi)用[3～7]，經(jīng)濟(jì)效益明顯。低溫送風(fēng)的末端裝置對空調(diào)系統(tǒng)的成功運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[8～10]。在低溫送風(fēng)的各種形式中[11～13]，不帶風(fēng)機(jī)的誘導(dǎo)式風(fēng)管以其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、節(jié)省能耗、噪聲低、維修工作量小和能利用普通風(fēng)口等優(yōu)點(diǎn)而備受推崇，但不易達(dá)到較高的誘導(dǎo)比[14]。

誘導(dǎo)比是衡量誘導(dǎo)式風(fēng)管性能的關(guān)鍵參數(shù)[15]，提高誘導(dǎo)比成為設(shè)計誘導(dǎo)式風(fēng)管的關(guān)鍵。當(dāng)收縮段幾何造型固定時，吸收段二次風(fēng)口(誘導(dǎo)風(fēng)口)的位置對誘導(dǎo)比有很大的影響。使用CFD軟件對相關(guān)管道進(jìn)行模擬[16～18]，此方法已廣泛應(yīng)用于風(fēng)管設(shè)計中。通過云圖分析與計算，并對誘導(dǎo)風(fēng)口位置不同的吸收段比較，找到使得誘導(dǎo)比最高的吸收段，并將其幾何造型設(shè)計為整體誘導(dǎo)式縮放風(fēng)管的一部分，即誘導(dǎo)式風(fēng)管的吸收段。

1誘導(dǎo)式風(fēng)管的工作原理

誘導(dǎo)式風(fēng)管的工作原理：經(jīng)過制冷機(jī)組處理的低溫一次風(fēng)(6 ℃)以一定速度(3～6 m/s)進(jìn)入誘導(dǎo)式縮放風(fēng)管。在收縮段中，一次風(fēng)速度迅速升高，動壓升高，靜壓下降。到收縮段出口處，一次風(fēng)的靜壓降為負(fù)值，速度達(dá)到最大值(10～15 m/s)。一次風(fēng)高速噴射進(jìn)入吸收段，在吸收段入口形成負(fù)壓，與室內(nèi)溫度相同的二次風(fēng)(27 ℃)從誘導(dǎo)風(fēng)口引射入吸收段。一次風(fēng)在吸收段內(nèi)形成射流，在壁面處卷吸周圍空氣，帶著二次風(fēng)向前，還會造成漩渦[19]，使得吸收段入口獲得一個比吸收段更低的壓力，這樣二次風(fēng)在壓差的作用下源源不斷的從二次風(fēng)口進(jìn)入誘導(dǎo)式風(fēng)管中。在吸收段內(nèi)一次風(fēng)與二次風(fēng)進(jìn)行速度、能量的均衡?；旌线^程中，一次風(fēng)的速度下降，溫度升高，動量減少，二次風(fēng)的速度上升，溫度下降，動量增加，沿風(fēng)管的流動中，混合流體的速度漸漸均衡[20]。

2誘導(dǎo)式風(fēng)管的數(shù)值模擬與計算

用CFD軟件先對未設(shè)置二次風(fēng)口的風(fēng)管進(jìn)行模擬，通過云圖分析，在云圖靜壓較低處對應(yīng)地設(shè)置二次風(fēng)口。然后再用CFD軟件對已設(shè)置二次風(fēng)口的風(fēng)管模擬，在一次風(fēng)量、二次風(fēng)口總面積相同的情況下，通過計算設(shè)置在不同位置二次風(fēng)口的誘導(dǎo)風(fēng)量以及總風(fēng)量，推導(dǎo)出各情況下的誘導(dǎo)比。誘導(dǎo)式風(fēng)管幾何造型如圖1所示，本文只研究吸收段，故將收縮段之后設(shè)計為直管段。

圖1　誘導(dǎo)式風(fēng)管的幾何結(jié)構(gòu)圖

采用1∶1的比例，使用Gambit軟件對誘導(dǎo)式風(fēng)管進(jìn)行建模，并采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對其進(jìn)行劃分。劃分完成后，對所有形體的網(wǎng)格進(jìn)行檢查，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)各形體的網(wǎng)格質(zhì)量問題，故網(wǎng)格質(zhì)量是可靠的。為排除網(wǎng)格數(shù)對模擬結(jié)果的影響，計算中進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，對誘導(dǎo)式縮放風(fēng)管結(jié)構(gòu)分別模擬了18萬、20萬、22萬、25萬和28萬網(wǎng)格。并由模擬結(jié)果可知，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，模擬值更加接近實(shí)驗(yàn)值，且網(wǎng)格數(shù)在20萬網(wǎng)格后變化較小，綜合考慮模擬精度及計算時長，最終確定總網(wǎng)格數(shù)為20萬。

為了簡化計算，根據(jù)誘導(dǎo)式風(fēng)管流場的特點(diǎn)，對其進(jìn)行以下假設(shè)：

(1)流體在計算過程中視為不可壓縮；

(2)計算過程中忽略重力的影響；

(3)風(fēng)管中流體流動為定常湍流流動；

(4)忽略流體的粘性影響；

(5)誘導(dǎo)式風(fēng)管內(nèi)的氣體流動為不可壓定常流動，在數(shù)值計算過程中遵守質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律。

湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)型Standardk-ε模型，其基本方程有兩個，一個是湍動能k的傳輸方程，另一個是擴(kuò)散率ε的傳輸方程。計算采用壓力速度耦合為SIMPLE算法，采用一階離散方法計算與空間相關(guān)的對流項和擴(kuò)散項及湍流粘性系數(shù)。計算中忽略重力和壁面粗糙度對流場的影響。計算收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為各方向速度參數(shù)的計算誤差小于10-6及k，ε的計算誤差小于10-3，求解區(qū)域進(jìn)出口流量差小于0.1%。

2.1　對沒有設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)口的風(fēng)管模擬

本文先對沒有設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)口的風(fēng)管進(jìn)行模擬，觀察風(fēng)管靜壓與速度的模擬結(jié)果。通過圖2所示云圖分析，找到可能的壓力最低處，并在可能的壓力最低處設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)口。一次風(fēng)口為速度入口，直管段最右端為壓力出口。一次風(fēng)入口風(fēng)速為4.75 m/s，一次風(fēng)的溫度為6 ℃，直管段最右端出口靜壓設(shè)為20 Pa。

圖2　無誘導(dǎo)風(fēng)口風(fēng)管模擬的靜壓云圖

通過圖3所示速度云圖，可以看出一次風(fēng)經(jīng)過收縮段后，速度增加，形成射流。通過圖2所示靜壓云圖可以看出，直管段靜壓最低處可能在直管段最左端(端部)，也可能在直管段的兩側(cè)(側(cè)部)。將誘導(dǎo)風(fēng)口分別設(shè)置在端部與側(cè)部，再用CFD軟件進(jìn)行模擬，獲得各自的模擬參數(shù)云圖。

圖3　無誘導(dǎo)風(fēng)口風(fēng)管模擬的速度云圖

2.2　對誘導(dǎo)風(fēng)口設(shè)置在直管段端部的風(fēng)管模擬

本次模擬中，誘導(dǎo)式風(fēng)管的幾何造型如圖4所示。

圖4　端部設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)口的誘導(dǎo)式風(fēng)管幾何結(jié)構(gòu)圖

一次風(fēng)口設(shè)為速度入口，二次風(fēng)口(誘導(dǎo)風(fēng)口)設(shè)為壓力入口，直管段最右端設(shè)為壓力出口。一次風(fēng)入口平均風(fēng)速設(shè)置為4.75 m/s，一次風(fēng)入口截面積為0.32×0.32 m2。收縮段頸部的面積為0.16×0.16 m2。直管段的尺寸為1.2×0.4×0.4 m3。誘導(dǎo)風(fēng)口為環(huán)形，外邊為0.325×0.325 m2。一次風(fēng)的溫度為6 ℃，二次風(fēng)(誘導(dǎo)風(fēng))的溫度為27 ℃，直管段最右端出口靜壓設(shè)為20 Pa。

由圖5所示靜壓云圖，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)二次風(fēng)口設(shè)置在吸收段的端部(最左端)時，風(fēng)管內(nèi)靜壓最低處(深色區(qū)域)分布在吸收段的最左端與吸收段靠近收縮段的風(fēng)管兩側(cè)。這是由于一次風(fēng)靜壓轉(zhuǎn)化為動壓，與射流向前流動造成漩渦共同造成的。

圖5　端部設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)口風(fēng)管模擬的靜壓云圖

由圖6所示速度云圖和圖7所示溫度云圖，可以發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)高速射入吸收段后，在吸收段內(nèi)出現(xiàn)射流核心區(qū)。此處的射流核心區(qū)的長度竟超過了設(shè)置的吸收段的長度。

圖6　端部設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)口風(fēng)管模擬的速度云圖

圖7　端部設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)口風(fēng)管模擬的溫度云圖

2.3　對誘導(dǎo)風(fēng)口設(shè)置在直管側(cè)部的風(fēng)管模擬

本次模擬中，誘導(dǎo)式風(fēng)管的幾何造型如圖8所示。

圖8　兩側(cè)設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)口的誘導(dǎo)式風(fēng)管幾何結(jié)構(gòu)圖

一次風(fēng)口設(shè)為速度入口，二次風(fēng)口(誘導(dǎo)風(fēng)口)設(shè)為壓力入口，直管段最右端設(shè)為壓力出口。一次風(fēng)入口平均風(fēng)速設(shè)置為4.75 m/s，一次風(fēng)入口截面積為0.32×0.32 m2。收縮段頸部的面積為0.16×0.16 m2。直管段的尺寸為1.2×0.4×0.4 m3。誘導(dǎo)風(fēng)口設(shè)置在直管段的兩側(cè)，兩個誘導(dǎo)風(fēng)口的尺寸均為0.2×0.2 m2。保持兩種結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)風(fēng)口的總面積一致。一次風(fēng)的溫度為6 ℃，二次風(fēng)(誘導(dǎo)風(fēng))的溫度為27 ℃，直管段最右端出口靜壓設(shè)為20 Pa。

由圖9所示靜壓云圖，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)二次風(fēng)口設(shè)置在吸收段的側(cè)部(兩側(cè))時，風(fēng)管內(nèi)靜壓最低處(深色區(qū)域)分布在吸收段端部(最左端)與二次風(fēng)口下游的管道中央。這是由于一次風(fēng)與二次風(fēng)出現(xiàn)漩渦造成的。

由圖10所示速度云圖和圖11所示溫度云圖，可以發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)高速射入吸收段后，同樣在吸收段內(nèi)出現(xiàn)射流核心區(qū)。此處的射流核心區(qū)的長度明顯短于二次風(fēng)口設(shè)置在吸收段端部時的射流核心區(qū)長度。

圖9　側(cè)部設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)口風(fēng)管模擬的靜壓云圖

圖10　側(cè)部設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)口風(fēng)管模擬的速度云圖

圖11　側(cè)部設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)口風(fēng)管模擬的溫度云圖

3對誘導(dǎo)比的計算

誘導(dǎo)比的定義為二次風(fēng)的質(zhì)量流量與一次風(fēng)的質(zhì)量流量的比值。由于溫度變化范圍不同，可認(rèn)為二次風(fēng)的密度與一次風(fēng)的密度相同，所以誘導(dǎo)比可以表示為二次風(fēng)的體積流量與一次風(fēng)的體積流量之比。

式中：i為誘導(dǎo)比；G1為一次風(fēng)的體積流量，m3/s；G2為二次風(fēng)的體積流量，m3/s。

通過CFD軟件對兩種幾何造型的誘導(dǎo)式風(fēng)管進(jìn)行模擬計算，除云圖外，還可以獲得誘導(dǎo)風(fēng)口的平均風(fēng)速，由此可以計算出誘導(dǎo)風(fēng)量，再計算出兩種幾何造型吸收段的誘導(dǎo)比，并進(jìn)行比較。

已知一次風(fēng)入口面積和截面平均風(fēng)速，可以計算出一次風(fēng)量；通過CFD軟件模擬計算，獲得誘導(dǎo)風(fēng)速(二次風(fēng)口截面平均風(fēng)速)，二次風(fēng)口(誘導(dǎo)風(fēng)口)的面積是自己設(shè)定的，可以計算出二次風(fēng)量，如表1所示。兩種幾何造型的吸收段誘導(dǎo)風(fēng)口僅僅是設(shè)置位置不同，二次風(fēng)口總面積是相同的，且風(fēng)管其他部分和模擬條件都是相同的。

表1　兩種誘導(dǎo)式風(fēng)管誘導(dǎo)風(fēng)量及誘導(dǎo)比的計算表

4結(jié)論

(1)對沒有設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)口的風(fēng)管模擬，通過云圖分析，可以發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)經(jīng)過收縮段，速度升高，靜壓下降；在直管段中形成射流核心區(qū)，直管段靜壓最低處在直管段的最左端或直管段側(cè)面。

(2)將誘導(dǎo)風(fēng)口分別設(shè)置在吸收段的端部(左端)和側(cè)部(兩側(cè))，保證兩種造型的誘導(dǎo)風(fēng)口總面積相同，再使用CFD軟件進(jìn)行模擬。分別得到二者的靜壓、速度和溫度云圖。通過比較可知誘導(dǎo)風(fēng)口設(shè)置在端部，射流核心區(qū)更長，更有利于卷吸二次風(fēng)。

(3)通過CFD模擬軟件可計算出各誘導(dǎo)風(fēng)口截面的平均風(fēng)速，進(jìn)而算出兩種情況下的誘導(dǎo)風(fēng)量，通過比較可知，將誘導(dǎo)風(fēng)口設(shè)置在吸收段端部，誘導(dǎo)風(fēng)量更大，即更有利于誘導(dǎo)二次風(fēng)。

(4)通過計算誘導(dǎo)比可知，將誘導(dǎo)風(fēng)口設(shè)置在吸收段端部，可獲得更大的誘導(dǎo)比，因此，吸收段可按此設(shè)計。

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Numerical Simulation Study on Internal Fluid Properties in Induction Duct

Su Fei, Wei Bing

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)