基于CFD與正交試驗設(shè)計的均流板性能優(yōu)化

郭月姣，顧 忱，周 琢，馮國增

（江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

空調(diào)箱主要由過濾段、表冷段、加熱段以及加濕段等空氣處理部件組成，現(xiàn)有空調(diào)箱風(fēng)機出口空氣流速極大，一般達到12～18 m/s，強烈的氣體射流對過濾段空氣過濾器的沖擊作用會嚴重損害其使用壽命。因此，常在空調(diào)箱中設(shè)置均流孔板以提高氣流分布的均勻性，達到保護過濾器的目的，但是現(xiàn)有空調(diào)箱仍存在入口氣流分布不均勻、過濾器使用效率偏低以及使用壽命短暫等現(xiàn)象。

侯文龍等[1]對下進風(fēng)內(nèi)濾式袋式除塵器有無導(dǎo)流板時除塵器內(nèi)的壓力場、流場、粒子軌跡和流線分布等進行了數(shù)值模擬，分析結(jié)果顯示，添加導(dǎo)流板后，氣流分布得到改善，速度變化均勻；張越等[2]通過CFD對高效過濾器的內(nèi)部流場進行了模擬分析，通過改變均流板的安裝高度，統(tǒng)計高效過濾器的入口流速，得出特定尺寸的均流板安裝高度對入口速度分布的影響；張哲等[3]利用數(shù)值模擬技術(shù)，對下進風(fēng)過濾器進行模擬試驗，模擬其內(nèi)流場的變化并進行優(yōu)化，試驗結(jié)果表明：增設(shè)孔板并將進口管改為漸擴管后，氣流均勻性得到了很大的提高。陳得勝等[4]提出了一種導(dǎo)流板和均流板的布置方案，運用CFD方法進行模擬分析，結(jié)果表明添加了導(dǎo)流板和均流板布置后，內(nèi)部流場的均勻性得到了明顯改善。馬修元等[5]采用計算流體動力學(xué)（CFD）方法，研究孔板開孔率對流場分布的特性。

然而，這些研究對均流板結(jié)構(gòu)參數(shù)研究不全面，未考慮均流板的實際結(jié)構(gòu)，因此有必要對均流板各設(shè)計參數(shù)對流場影響做進一步的詳細分析。本文以空調(diào)箱均流板為研究對象，研究空調(diào)箱均流板的各設(shè)計參數(shù)（導(dǎo)流板出口與孔板距離、孔板孔的大小、孔板孔間距）對空氣均流能力的影響。由于試驗設(shè)計較復(fù)雜，采取CFD數(shù)值模擬的方式進行。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

所研究內(nèi)容僅為風(fēng)機氣流通過孔板后的氣流組織均勻性，故可將空調(diào)箱整體模型簡化，僅保留風(fēng)機出口導(dǎo)流板部分、孔板部分和空調(diào)箱外殼部分。由Solidworks建立的模型如圖1所示。

圖1 空調(diào)箱模型圖

空調(diào)箱風(fēng)機導(dǎo)流板截面矩形尺寸為750 mm×750mm，長度為125mm?？照{(diào)箱箱體部分截面矩形尺寸為2200mm×1804mm，整體長度為2000mm。本文試驗的空調(diào)箱中，選用SYQ560K型號的風(fēng)機，風(fēng)量24770m3/h，出口風(fēng)速為13.46m/s。

2.2 數(shù)學(xué)模型

空調(diào)箱內(nèi)部為復(fù)雜的三維湍流流場，數(shù)值計算時假設(shè)流場為等溫定常流動，流體不可壓縮，湍流模型選取常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來模擬內(nèi)部流體流動，連續(xù)性方程、動量方程、k方程以及

設(shè)置入口邊界條件為速度入口，速度大小設(shè)置為風(fēng)機出口風(fēng)速13.46 m/s；出口設(shè)置為壓力邊界條件，取大氣壓力；壁面邊界為無滑移壁面。

2.3 監(jiān)測點設(shè)置

本文試驗?zāi)康氖翘骄靠諝馔ㄟ^孔板后氣流組織的均勻性，即了解截面上氣流速度或者壓力的變化情況，因此，以空調(diào)箱截面的平均速度梯度作為試驗的對比指標(biāo)。由于空調(diào)箱截面較大，求解整個截面的平均速度梯度難以實現(xiàn)，所以可在截面選取測點求解其平均值代替整個截面的平均梯度?？紤]現(xiàn)有空調(diào)箱過濾器安裝位置多位于風(fēng)機出流后約1 m的位置，本文選取測點所在截面即為導(dǎo)流板直線距離1 mm?？紤]孔板的均流作用，測點布置如圖2所示。先設(shè)置出3條標(biāo)準(zhǔn)線，中間標(biāo)準(zhǔn)線設(shè)置于空調(diào)箱縱向中線，上下2條標(biāo)準(zhǔn)線與中間標(biāo)準(zhǔn)線的距離均為600 mm，此3條標(biāo)準(zhǔn)線可分別探究孔板中間出流和孔板兩側(cè)空調(diào)箱內(nèi)流體域出流的梯度。在每條標(biāo)準(zhǔn)線上設(shè)置5個測點，共計15個測點，利用15個測點的速度梯度平均值作為評價指標(biāo)。相鄰測點間距約367 mm。同時可為截面測點進行命名，順序為從左到右、從上到下的標(biāo)號。

圖2 測點布置截面分布圖（單位：mm）

3 正交試驗設(shè)計

本文主要研究空調(diào)箱均流板均流效果的影響因素和影響水平，如果按照傳統(tǒng)對照試驗，勢必會產(chǎn)生很大的工作量。因此，本文對正交試驗進行模擬分析。正交試驗設(shè)計法是日本著名的統(tǒng)計學(xué)家田口玄一提出的一種可高效尋求較優(yōu)因素水平組合的設(shè)計方法[7]，其設(shè)計理念是在試驗因素的全部水平組合中，挑選出代表性強的少數(shù)組合方案，通過分析部分試驗結(jié)果來了解全面試驗情況，找出最優(yōu)水平組合[8]。

主要針對調(diào)箱導(dǎo)流板出口與孔板距離、孔板孔的大小、孔板孔間距3個參數(shù)進行研究。以陳二松等[9]研究的參數(shù)選擇以及水平?jīng)Q定方案為依據(jù)，從實際研究以及差異性2方面考慮。擬選取的均流板孔徑面積參數(shù)分別為80 mm2、100 mm2和120 mm2，選取孔間距參數(shù)為15 mm、16 mm、17 mm、18 mm和19 mm；選取進風(fēng)口距離參數(shù)分別為120 mm、125 mm、130 mm、135 mm和140 mm?？装彘_孔按照正方形排列，其平面圖中心與進風(fēng)口平面正方形同軸。

綜上所述，本文試驗設(shè)計為3因素5水平的正交試驗，根據(jù)正交試驗設(shè)計的原理以及所需要考慮的影響因素項目和水平，可設(shè)計出模擬試驗的參考正交表。如表1所示，共設(shè)計出25種試驗工況，需進行25次模擬試驗。

表1 正交試驗表

4 結(jié)果分析

4.1 模擬結(jié)果分析

以試驗1為例進行模擬結(jié)果速度云圖分析，選取y＝1 m（一般空調(diào)箱過濾器安裝距離即為1 m）截面，如圖3所示，高速氣流在由風(fēng)機導(dǎo)流板的狹小空間流入到空調(diào)箱的大空間時，速度會有一定的衰減，但由于風(fēng)機導(dǎo)流板較短，截面突擴阻力較小，且風(fēng)機出口為氣體射流，所以速度變化不明顯。在氣流流過孔板后，孔板的阻力作用使得流體流速大幅降低。同時，由于部分氣體流經(jīng)孔板兩側(cè)狹縫處，根據(jù)連續(xù)性方程，速度變大，但是狹縫后為空調(diào)箱的大空間，速度隨后降低。

圖3 y ＝1 m 時試驗1速度云圖

對模擬后的結(jié)果進行處理，查看25組試驗下導(dǎo)流板后1 m處截面的速度梯度，如圖4所示，可以看出，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計對導(dǎo)流板的速度均勻性影響很大：試驗1（孔面積為80 mm2，孔間距為15 mm，進風(fēng)距離為120 mm）的速度梯度最大，為1.13 s?1，試驗12（孔面積為120 mm2，孔間距為17 mm，進風(fēng)距離為140 mm）時速度梯度為0.004 s?1。采用試驗12的結(jié)構(gòu)參數(shù)速度均勻性較好。

4.2 多因素方差分析

圖4 各試驗下測點平均的速度梯度圖

表2 正交試驗的Minitab數(shù)據(jù)輸出

當(dāng)有2個以及2個以上的因素會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響時，需要利用多因素方差分析的方法來對所選擇的影響因素進行定量分析。通過假設(shè)檢驗的過程來判斷所選的影響因素是否顯著，主要指標(biāo)為F值和P值。由于方差分析計算量較大，且手工計算容易出現(xiàn)差錯，所以采用Minitab軟件協(xié)助計算，計算結(jié)果如表2。面積自由度為2，進風(fēng)距離自由度為4，孔間距自由度為4，誤差自由度為14。根據(jù)因子自由度和誤差自由度的數(shù)目，可查得α為10%和75%時的F值分布，得到臨界F值為：F0.1(2,14)＝2.73，F(xiàn)0.1(4,14)＝2.39，F(xiàn)0.25(2,14)＝1.53，F(xiàn)0.25(4,14)＝1.52。通過比較各項因子所對應(yīng)的F值和臨界F值可以看出：進風(fēng)距離的F值2.52＞2.39，孔間距的F＞1.52。由此可以稱，有90%的置信度可以認為進風(fēng)距離對于試驗指標(biāo)有顯著的影響，有75%的置信度可以認為孔間距對于試驗指標(biāo)有顯著影響，而孔板小孔面積的變化對于試驗指標(biāo)影響并不顯著。如圖5所示，進風(fēng)距離對于試驗指標(biāo)的影響最為明顯。

圖5 正交試驗因素效應(yīng)影響條形圖

5 結(jié)論

針對某工業(yè)正在使用的空調(diào)箱進行均流板的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析，利用正交試驗設(shè)計25組試驗，后用CFD模擬法對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)進行數(shù)值分析，得出主要結(jié)論如下：

1）對數(shù)值模擬出的結(jié)果進行分析，以速度梯度均勻性為評判指標(biāo)，得到了進風(fēng)距離是影響孔板均流效果的最顯著影響因素。

2）通過對各結(jié)構(gòu)參數(shù)對速度梯度的耦合影響分析，可得參數(shù)組合為小孔面積120 mm2、進風(fēng)距離140 mm、孔間距17 mm時，速度梯度數(shù)值最小，均流效果最明顯。