通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

高如超，徐昭然，龔奇龍，高玉峰

（中航工程集成設(shè)備有限公司，北京102206）

空氣循環(huán)系統(tǒng)是空氣強(qiáng)制循環(huán)電爐的重要組成部分。鋁卷退火爐的空氣循環(huán)路徑為：風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口→蝸殼→風(fēng)機(jī)出風(fēng)口→導(dǎo)流箱體→噴口→風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口。導(dǎo)流箱體的結(jié)構(gòu)對噴口速度及速度分布均勻性有很大影響。噴口速度及速度分布均勻性決定了退火爐所處理產(chǎn)品的加熱時間及產(chǎn)品性能，從而決定了鋁卷退火爐的生產(chǎn)效率及能源消耗。通過對空氣循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得空氣循環(huán)流場的壓力分布及速度分布，可對循環(huán)流場結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

本文利用ANSYS Workbench 軟件，對通道式及靜壓箱空氣循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得空氣循環(huán)流場的壓力分布及速度分布，并與試驗(yàn)結(jié)果對比，得出結(jié)論，為空氣循環(huán)系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)數(shù)值模擬

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

物理模型以通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)為研究對象，對裝置內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值計算，為了便于計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較，物理模型的尺寸與試驗(yàn)裝置保持一致。采用三維模擬，坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系。幾何模型由Solidworks 軟件建立，如圖1 所示。同時，建立靜壓箱空氣循環(huán)系統(tǒng)物理模型作為對比。

圖1 物理模型示意圖

數(shù)值模擬前處理包括幾何處理和網(wǎng)格劃分。本模型幾何處理和網(wǎng)格劃分分別采用ANSYS Workbench 中的DM 軟件和Meshing 軟件進(jìn)行處理。本模型中，首先使用DM 軟件對幾何模型進(jìn)行處理，再導(dǎo)入到Meshing 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體模型通過Advanced Size Functions 功能細(xì)化網(wǎng)格，整體網(wǎng)格采用Patch Conforming method 進(jìn)行四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對噴口區(qū)域網(wǎng)格采用Edge Sizing 方法進(jìn)行加密處理，同時用Body Sizing 方法進(jìn)行局部尺寸控制。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2 所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

邊界條件設(shè)置：入口采用速度入口邊界條件，入口速度值根據(jù)風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量和入口截面積計算；出口邊界采用壓力出口邊界條件，壓力值根據(jù)風(fēng)機(jī)性能設(shè)置；壁面采用非滑移、非滲透壁面邊界條件；取常溫空氣的物性參數(shù)為計算參數(shù)。

1.2 模擬計算結(jié)果及分析

1.2.1 流場分布結(jié)果分析

圖3、圖4 分別是通道式、靜壓箱空氣循環(huán)系統(tǒng)速度跡線圖和導(dǎo)流箱截面速度云圖。由圖可知，通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)，氣流沿通道方向整體流動較順暢，并無渦流產(chǎn)生，但到通道末端氣流較小，大部分氣流在前段噴口流出；靜壓箱空氣循環(huán)系統(tǒng)，在導(dǎo)流箱中有渦流產(chǎn)生。

1.2.2 噴口陣列出流狀態(tài)結(jié)果分析

圖3 通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)速度跡線圖和速度云圖

圖4 靜壓箱空氣循環(huán)系統(tǒng)速度跡線圖和速度云圖

圖5 是通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)垂直于噴口出口截面及距離噴口陣列出口0 mm、50 mm、100 mm、200 mm、300 mm 截面的速度云圖。由圖5（b）可知，噴口陣列出風(fēng)并不均勻，通道前段條縫噴口出風(fēng)速度較大，通道末端條縫噴口出風(fēng)速度較小。同時，對于同一條縫噴口，沿氣流流動方向，出風(fēng)速度有增大趨勢，這主要是因?yàn)橥ǖ纼?nèi)氣流流動的慣性力使得部分流體還未流至噴口出口處已被氣流慣性帶向通道前方。由圖5（c）、（d）、（e）、（f）可知，隨著距離噴口出口截面距離越來越遠(yuǎn)，噴口射流速度逐漸減小，而且射流受吸風(fēng)口負(fù)壓影響增大。由圖5（d）可知，當(dāng)距離噴口截面300 mm 處，噴口陣列射流輪廓已十分模糊，噴口射流速度衰減至15 m/s 左右。說明此噴口陣列射流不穩(wěn)定，易受射流空間干擾。

圖5 通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)Z=0 截面速度云圖及距離噴口出口不同距離截面速度云圖

圖6 是靜壓箱空氣循環(huán)系統(tǒng)垂直于噴口出口截面及距離噴口陣列出口0 mm、50 mm、100 mm、200 mm、300 mm 截面的速度云圖。由圖6（b）可知，噴口陣列出風(fēng)較均勻。由圖6（c）、（d）、（e）、（f）可知，隨著距離噴口出口截面距離越來越遠(yuǎn)，噴口射流速度同樣逐漸衰減，而且射流受吸風(fēng)口負(fù)壓影響增大。當(dāng)距離噴口截面300 mm 處，噴口陣列射流輪廓也十分模糊。

圖6 靜壓箱空氣循環(huán)系統(tǒng)Z=0 截面速度云圖及距離噴口出口不同距離截面速度云圖

1.2.3 對比結(jié)果

對通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)與靜壓箱空氣循環(huán)系統(tǒng)模擬結(jié)果進(jìn)行對比，可知：（1）兩種結(jié)構(gòu)噴口射流速度均隨距離增大而逐漸減小；（2）通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)噴口出口截面速度較大，且射流距離較遠(yuǎn)，但噴口陣列出風(fēng)均勻性較差；（3）隨著距離噴口出口截面距離越來越遠(yuǎn)，兩種結(jié)構(gòu)射流受吸風(fēng)口負(fù)壓影響均增大。

2 通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)流場試驗(yàn)測試

2.1 測點(diǎn)布置及測試工況

2.1.1 測點(diǎn)布置

流場測試主要內(nèi)容為噴口陣列出風(fēng)均勻性測試。測點(diǎn)布置和方案如圖7 所示。

2.1.2 測試工況

圖7 噴口陣列測點(diǎn)布置示意圖

分別對以上三種工況進(jìn)行了測試，測試工況方案見表1。工況一，在風(fēng)機(jī)頻率分別為20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz 下，對噴口陣列出口截面的測點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速測試；工況二，在風(fēng)機(jī)頻率為30 Hz 下，對距離噴口陣列出口截面距離分別為50 mm、100 mm、200 mm、300 mm 的測點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速測試；工況三，在風(fēng)機(jī)頻率為50 Hz 下，對距離噴口陣列出口截面距離分別為50 mm、100 mm、200 mm、300 mm 的測點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速測試。測試結(jié)果見圖8～圖10。

表1 測試工況方案表

圖8 工況一，不同頻率同一噴口陣列出口截面（X=0）測點(diǎn)風(fēng)速折線圖

2.1.3 測試結(jié)果及分析

通過對三種工況的測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，可知：（1）隨著風(fēng)機(jī)頻率的增大，同一噴口陣列出口截面的風(fēng)速逐漸增大；（2）相同風(fēng)機(jī)頻率下，隨著距離噴口出口截面距離越來越遠(yuǎn)，噴口射流速度逐漸減?。唬?）測點(diǎn)13、16、19，位于風(fēng)道拐角處速度較小；（4）由于風(fēng)道末端的靜壓箱效應(yīng)，風(fēng)道末端風(fēng)速分布較均勻。

圖9 工況二，相同頻率（30Hz）不同噴口陣列出口截面測點(diǎn)風(fēng)速折線圖

3 結(jié)語

本文利用ANSYS Workbench 對通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)與靜壓箱空氣循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比后，得出以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果趨勢相同。

（2）通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)與靜壓箱空氣循環(huán)系統(tǒng)，噴口噴射速度均隨距離增大而逐漸減小。

（3）通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)噴口出口截面速度較大，且射流距離較遠(yuǎn)，但相對于靜壓箱空氣循環(huán)系統(tǒng)噴口陣列出風(fēng)均勻性較差。

（4）兩種結(jié)構(gòu)射流均受吸風(fēng)口負(fù)壓影響增大。

圖10 工況三，相同頻率（50Hz）不同噴口陣列出口截面測點(diǎn)風(fēng)速折線圖

依據(jù)上述分析結(jié)果，后期空氣循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及改造需綜合靜壓箱與通道式空氣循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在提高噴口射流速度的同時，保證噴口陣列出口截面速度的均勻性。