風機盤管孔板送風氣流分布的CFD仿真模擬

宋佳鈁 劉淑慧 梁 爽

(天津工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津300387)

CFD模型方法成本低、速度快，并且可以模擬不同工況等優(yōu)點，所以，目前對氣流組織的研究大多數(shù)采用CFD的方法。對溫度、濕度、氣流分布均勻性有精度要求的恒溫、恒濕的氣候室多采用孔板送風的方式。孔板送風具有送風均勻，又能滿足空調(diào)房間對溫度、濕度均勻的要求。由于風機盤管性能試驗小室?guī)缀慰臻g大，孔板開孔數(shù)較多，在實際工程應(yīng)用中，無法按原模型進行流體力學(xué)計算。基于提出的相似模型的研究方法，將數(shù)值模擬計算的模型進行簡化，使模擬結(jié)果能夠如實反映原模型的氣流組織狀況[1]。

1 相似性模型原理

兩流體的幾何相似、運動相似、動力相似以及邊界條件和起始條件相似才能保證兩個流動問題力學(xué)相似。幾何相似是力學(xué)相似的前提。幾何相似是指流動空間幾何尺寸相似，即形成此空間任意相應(yīng)兩線段夾角相同、任意相對應(yīng)的線段對應(yīng)成比例，θn=θm，dndm=lnlm=λl。運動相似是指相應(yīng)點的速度大小成比例，方向相同，vn1vm1=vn2vm2=vnvm=λv。通常，運動相似是模型實驗的目的。流動的動力相似是運動相似的保證，動力相似指兩流動同名力作用，且相應(yīng)的同名力成比例，F(xiàn)vnFvm=FpnFpm=FGnFGm=FInFIm=FEnFEm，F(xiàn)v、FP、FG、FI、FE分別表示黏性力、壓力、重力、慣性力、彈性力[1]。

相似模型律分為雷諾模型律和弗諾得模型律，雷諾模型律是指原型和模型流動雷諾數(shù)相等，弗諾得模型律是指原型和模型流動弗諾得數(shù)相等。同時滿足兩個模型律設(shè)計模型幾乎是不可能的。所以，在工程應(yīng)用中，黏性力起決定性作用時，選用雷諾模型。重力起決定性作用時，選用弗諾得模型。研究空調(diào)房間送風射流時，雷諾數(shù)大于4000，為湍流射流。在湍流射流中，黏性力較小，所以，在研究空調(diào)房間孔板送風的氣流組織時，選用弗諾得模型律。

弗諾得模型律的弗諾得數(shù)相等[1]：

2 相似模型的設(shè)計

2.1 弗諾得模型的設(shè)計

相似幾何尺寸比例取10∶1，弗諾得模型參數(shù)見表1。

2.2 小室送風孔板的設(shè)計

風機盤管性能試驗小室送風孔板的設(shè)計：

孔板送風口風速：Vs=2.5 ms

孔板送風量：L=4000 m3h

孔板面積：A=3.7×3.7=13.69 m2

單位面積送風量：Ls=L÷A=4000÷13.69

=292.18 m3(h·m2)

孔板開孔面積：A0=L÷3600÷Vs=0.444 m2

表1 模型參數(shù)

靜孔面積比：Cm=A0÷A=0.0325

孔板開孔數(shù)：N=A0(πds24)=5656個

2.3 孔板模型的設(shè)計

(1)

式中，g為重力加速度，單位ms2；L為入流風量，單位m3s；ΔT為送風溫度Ts與室內(nèi)平均溫度T0之差，單位K；T0為室內(nèi)平均溫度，單位K。

實際通風空調(diào)房間中，送風溫度基本視為均勻。結(jié)合Boussinesq，當溫度(密度)變化很小時，其變化只作用于浮升力項的假設(shè)，T0可以視為不變，由浮力通量公式可知，僅僅需要確保入流質(zhì)量(體積)流量和實際情況相等便可以準確模擬入流浮力通量[2]。

孔口入流動量：

Jin=mVr

(2)

式中，Jin為入流動量流量，單位kg·ms2；m為入流質(zhì)量流量，單位kgs；Vr為實際入流速度，單位ms。

綜上所述，只需要對每個開口定義入流速度，保證入流質(zhì)量流量和實際情況相等，即可保證浮力通量、入流動量相等。原模型中，平均每個孔口的入流質(zhì)量(體積)流量為：L1=L÷3600÷N=1.96×10-4m3s。

在弗諾得模型中，為了保證入流質(zhì)量(體積)流量、浮力通量、入流動量流量與原模型一致，則在弗諾得模型中，孔板每個孔口的平均入流體積流量為1.96×10-4m3s。

3 數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)物理模型

所模擬的風機盤管性能試驗小室是湍流射流，所以采用k-ε湍流模型進行數(shù)值模擬。室內(nèi)空氣流動控制方程為[2]：

(3)

數(shù)學(xué)物理模型參數(shù)對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 數(shù)學(xué)物理模型參數(shù)關(guān)系

表3 入口參數(shù)設(shè)置

4 數(shù)值模擬入口邊界條件的設(shè)置

風機盤管測試樣機在供冷工況下時，空調(diào)機組供熱，以抵消測試樣機負荷。入口邊界條件設(shè)置見表3。

5 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

5.1 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)設(shè)計的相似模型以及建立的數(shù)學(xué)物理模型，進行數(shù)值仿真模擬。仿真模擬結(jié)果如圖1所示，展示了風機盤管性能試驗小室模型中縱向空間隨機選取的三個平面的溫度云圖。

5.2 試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比分析

原模型取值點與相似模型取值點的選?。涸Ｐ椭锌装逑路娇v向空間高度為3.0 m，以0.9 m為縱向空間梯度，試驗小室地面為起點，將整個縱向空間劃分為三個平面A、B、C。取每個平面一條對角線的五等分點為取樣點。相似模型中的取樣點按原模型的比例選取，以0.09 m為縱向梯度，以相似模型地面為起點，選取三個縱向空間平面A′、B′、C′，取每個縱向空間平面的一條對角線(對角線與原模型對角線相對應(yīng))上的五等分點為取樣點。使用溫度測試儀在風機盤管性能試驗小室(原模型)取樣點測取溫度，使用CFD軟件里的探針在相似模型的取樣點獲取溫度。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析見圖2。

由圖2可知，風機盤管性能試驗小室取樣點測取的溫度值和相似模型對應(yīng)取樣點獲取的溫度值誤差值很小，達到理想的驗證效果。即弗諾得相似模型可以運用于由于網(wǎng)格節(jié)點數(shù)較大，用實際模型無法完成數(shù)值計算的實際工程中。

圖1 溫度云圖

Figure 1 Temperature cloud chart

(a)A′平面溫度結(jié)果分析(b)B′平面溫度結(jié)果分析(c)C′平面溫度結(jié)果分析

圖2 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析

Figure 2 Comparison and analysis of simulated results and tested results

6 結(jié)論

當研究流場中，黏性力起主要作用時，選用雷諾相似模型；重力起主要作用時，選用弗諾得相似模型。對空調(diào)房間流場進行數(shù)值模擬時，由于重力起主要作用，所以運用弗諾得相似模型。

為了保證相似模型中，孔板不喪失太多的入流信息并且保證相似模型中孔板的模擬效果等同于原模型孔板，所以要保證射流質(zhì)量流量、動量流量、浮力通量和原模型一致。結(jié)合Boussinesq，當溫度(密度)變化很小時，其變化只作用于浮升力項的假設(shè)，僅僅需要確保入流質(zhì)量(體積)流量和實際情況相等便可準確模擬入流浮力通量。

根據(jù)建立的物理數(shù)學(xué)模型，運用提出的相似模型律對風機盤管性能試驗小室進行流體力學(xué)數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果結(jié)合試驗值，對比分析結(jié)果顯示，提出的相似模型律的研究方法具有可行性，其模擬結(jié)果與原模型的實驗值相差無幾。綜上所述，相似模型的研究方法解決了實際工程中由于計算容量過大，一般計算機無法完成計算的問題。