風量罩罩體對通風系統(tǒng)產(chǎn)生的阻力影響及基于CFD模擬的阻力分析

劉世杰，鄒 鉞，陳 君，劉 赟

（1.東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620；2.無錫市計量測試院，江蘇 無錫 214101；3.上海典唯科技有限公司，上海 201620）

目前，通風量最普遍的測量方法有直接風量測量和間接風量測量兩種方法。間接測量法以風速儀法為基礎，通過風速儀測定各點風速[1]，以各點風速測量值的算術平均值作為風口截面平均風速，將平均風速乘以風口截面積計算出風口風量[2]。直接測量方法主要是采用風量罩進行風量測量，它的優(yōu)點是可直接讀取風量，大大減少了計算量[3]，能實現(xiàn)快速測量且操作方便。相較于直接測量法，間接測量法中所用的風速儀對氣流方向不夠敏感，不能保證測試結果的準確性，且風速儀造價較高，風速探頭易斷，極易被損壞[4]。因此在通風工程中，常采用各種形式的風量罩來測量風口風速，近幾年在我國風量測量行業(yè)應用廣泛，在各種應用領域得以推廣。

盡管風量罩在我國的風量測量領域越來越普及，但在空調(diào)出風口處使用風量罩進行風量檢測時，所測風量相比于設計風量均偏小[5]。即便在檢測過程中采用的是美國TSI、瑞典SWEMA公司的專業(yè)檢測工具，其測量精度達到國際標準且通過CNAS專業(yè)機構的計量認證，測量結果仍與設計風量不符。2014年，羅運有[6]介紹了當前風量測量主要技術特點，在研究風量罩罩體阻力對測量結果影響的基礎上，得出了風量罩精度所引起的不確定度為風量罩罩體自身阻力所引起的不確定度的2.5倍這樣的結論。

綜上所述，風量罩罩體是引起風量測量不準確的原因，但風量罩對罩體[8]產(chǎn)生的影響需要進行進一步相關實驗和CFD模擬來探求[9]。

1 風量罩對系統(tǒng)產(chǎn)生的阻力影響

1.1 實驗器材及設計

風洞，如圖1所示。該風洞全長14.45m，孔板所在主管道為?300mm。

Swema風量罩，如圖2所示。風量罩測量端最小段截面積為180mm×180mm，風量罩量程為50～500m3/h。

Swema 3000壓力采集儀表，可以與壓差探頭搭配使用。該處理機擁有數(shù)十種不同的程序，每個程序都是為其特定參數(shù)而特別設計，并可用來計算平均值、最大值、最小值和標準偏差。可將測試數(shù)據(jù)存儲在主機上，也可隨時導入電腦，十分方便，且能大大提高風洞流場品質(zhì)的準確性。壓力采集儀外觀如圖3所示，整體實驗裝置連接示意圖如圖4所示。

實驗過程中，在風洞出風口上罩上Swema風量罩。若風量采集罩截面積大于出口面積，則使用海綿條、單面膠、膠帶等材料達成轉(zhuǎn)接目的，并纏繞膠帶以保證密封性。

圖2 風量采集罩外觀圖

圖3 壓力采集儀外觀圖

圖4 實驗裝置連接示意圖

設定風量值后運行風洞系統(tǒng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在風洞出口處加上風量罩，對比風洞系統(tǒng)初始設定風量值與此時系統(tǒng)風量值，同時在風洞出口處進行靜壓力采集，以判斷風量罩對風洞系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

1.2 結果及分析

調(diào)節(jié)風洞風量大小，記錄的5組實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 風洞內(nèi)送風量變化及出口靜壓測試結果

其中編號1、2、3所設定的風量值采用?60mm的孔板，流量范圍為50～350m3/h；編號4、5所設定的風量值采用?225mm的孔板，流量范圍為350～600m3/h。兩者工況不同。

可以看出在前3組數(shù)據(jù)中（?60mm的孔板），安裝風量罩前后風量的大小并沒有發(fā)生較大改變，風量僅從97.0m3/h、199.2m3/h和299.7m3/h減小至95.0m3/h、197.0m3/h、295.6 m3/h，這表明風量罩對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響不大。

然而，在后2組數(shù)據(jù)中（?225mm的孔板），即更換孔板后，安裝風量罩前后風量的大小發(fā)生了很大的改變，風量從397.0m3/h和503.0m3/h減小至206.9m3/h和255m3/h，風量減小至設定風量的50%，這可認為風量罩罩體對通風系統(tǒng)產(chǎn)生的阻力影響是巨大的、不可忽略的。

由此可猜測，在前3種數(shù)據(jù)中，?60mm的孔板對管道內(nèi)流體產(chǎn)生的阻力遠大于風量罩對管道內(nèi)流體產(chǎn)生的阻力。因此，在這種情況下，在風洞出口罩上風量罩后對風洞系統(tǒng)出風量產(chǎn)生的影響可忽略不計。在后2組數(shù)據(jù)中，?225mm的孔板對管道內(nèi)流體產(chǎn)生的阻力與風量罩對管道內(nèi)流體產(chǎn)生的阻力近似相等。因此，在這種情況下，風洞出口罩上風量罩后對風洞系統(tǒng)出風量產(chǎn)生的影響較大，是不可忽略的，需要運用CFD模擬來驗證猜想。

2 基于CFD模擬進行管道阻力分析

2.1 建模及邊界條件

基于實驗所得數(shù)據(jù)，依照風洞實際尺寸及簡化其內(nèi)部架構建模，設計模型由風洞和風量罩兩部分組成。風洞在x方向上全長為14450mm；入口段在x、y、z方向上分別為3400mm、550mm、550mm；收縮段在x、y、z方向上分別為6000mm、300mm、300mm；出口段在x方向上為3050mm，y、z方向上由管徑300mm漸擴至630mm。風量罩全長1000mm，所建模型如圖5所示。

圖5 風洞和風量罩模型圖

考慮到網(wǎng)格的自適應性，對整個模型采用非結構化網(wǎng)格進行劃分。非結構網(wǎng)格生成方法在生成過程中采用一定的準則進行判斷，因而能生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。全局網(wǎng)格尺寸設置中，將尺寸縮放因子設為1，全局最大網(wǎng)格尺寸設為64，將進出口、孔板處的最大網(wǎng)格尺寸設為32。采用Tetra/Mixed的網(wǎng)格類型生成網(wǎng)格[10]，網(wǎng)格數(shù)量約為90萬，網(wǎng)格質(zhì)量接近90%大于0.4，如圖6所示。

根據(jù)實驗設計，分別模擬孔板為?60mm、風量為100m3/h和孔板為?225mm、風量為500m3/h兩種工況。用Ansys fluent進行模擬計算時，兩種工況均采用穩(wěn)態(tài)的基于壓力求解器，采用Realizable k-ε湍流模型，壓力速度耦合采用sample算法，湍流能項，壓力耗散率項均采用一階迎風格式。邊界條件為速度入口，壓力出口，絕熱無滑移壁面。因此有公式：

Q=A×V （1）

圖6 網(wǎng)格質(zhì)量圖

其中，A為風洞進口截面積，計算為0.24m2。對于工況一，采用風量為100m3/h進行模擬，由此可得風洞進口速度為0.17m/s，稱其為Case1。對于工況二，采用風量為500m3/h進行模擬，由此可得風洞進口速度為0.87m/s，稱其為Case2。

2.2 模擬結果及分析

在模擬計算收斂后，將計算結果導入Tecplot中進行后處理。得到的結果如圖7、圖8所示。

由圖7可觀察到，對于Case1，對應?60mm孔板、100m3/h風量。當風量為100m3/h時，所選用孔板孔徑較小，管道內(nèi)流體在孔板處產(chǎn)生的壓降約為80Pa，但管道內(nèi)流體在風量罩處產(chǎn)生的壓降約為15Pa。由相差百分比（A-B）/B，可以得出，管道內(nèi)流體在孔板處產(chǎn)生的壓降比在風量罩處產(chǎn)生的壓降相差433.3%，可見管道內(nèi)流體在孔板處產(chǎn)生的壓降遠大于管道內(nèi)流體在風量罩處產(chǎn)生的壓降。因此，在這種情況下可認為，孔板對管內(nèi)流體產(chǎn)生的阻力影響遠大于風量罩對其產(chǎn)生的阻力影響，此時風量罩對風洞系統(tǒng)出風量產(chǎn)生的影響較小。

由圖8可觀察到，對于Case2，換用?225mm孔板、500m3/h風量。當風量為500m3/h，大孔板孔徑較大時，管道內(nèi)流體在孔板處產(chǎn)生的壓降約為125Pa，但管道內(nèi)流體在風量罩處產(chǎn)生的壓降約為110Pa。這可以得出，管道內(nèi)流體在孔板處產(chǎn)生的壓降比在風量罩處產(chǎn)生的壓降相差13.6%，管道內(nèi)流體在孔板處產(chǎn)生的壓降約等于管道內(nèi)流體在風量罩處產(chǎn)生的壓降。此時可認為，在孔板對管道內(nèi)流體產(chǎn)生的阻力與風量罩對管道內(nèi)流體產(chǎn)生的阻力近似相等的情況下，風洞出口罩上風量罩后對風洞系統(tǒng)出風量產(chǎn)生的影響較大，是不可忽略的。以上證實了前文所述的猜想。

3 結論

（1）通過在標準風洞內(nèi)進行實驗所得出的實驗數(shù)據(jù)，可知安裝風量罩前后風量大小發(fā)生均發(fā)生了改變。風量罩罩體在風洞出風處會產(chǎn)生靜壓的作用，阻礙了系統(tǒng)自然出流，造成了風量罩風量測量不準確。

（2）通過實驗數(shù)據(jù)可得，在采用較小孔徑孔板時，風量罩罩體對風洞系統(tǒng)產(chǎn)生的阻礙作用并不顯著。而當風量較大、采用較大孔徑孔板時，風量罩罩體對風洞系統(tǒng)產(chǎn)生的阻礙作用十分顯著，風量縮減至原設定風量的50%左右。

（3）選取100m3/h和500m3/h兩個具有代表性的案例按風洞及風量罩原尺寸進行模擬，當風量較小、采用較小孔徑孔板對管道內(nèi)流體產(chǎn)生的阻力遠大于風量罩對管道內(nèi)流體產(chǎn)生的阻力，此時風量罩影響較小。但是，在風量較大、采用較大孔板對管道內(nèi)流體產(chǎn)生的阻力與風量罩對管道內(nèi)流體產(chǎn)生的阻力近似相等的情況下，風洞出口罩上風量罩后對風洞系統(tǒng)出風量產(chǎn)生的影響是不可忽略的，需要修正及解決。

圖7 Case1壓力云圖

圖8 Case2壓力云圖