王軍鋒，胡維維，張 錚，吳 琦

(江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

風機過濾單元是一種具有過濾功效、自帶動力的模塊化的末端送風裝置.風機從FFU頂部將空氣吸入并經過濾膜過濾，過濾后的潔凈空氣在整個出風面以(0.45 ±0.000 9)m·s-1的風速均勻送出，以滿足潔凈室對空氣質量的要求.FFU方式比常規(guī)的空調機組集中送風方式節(jié)省運行成本30%以上［1-2］.

在性能方面，其風量、余壓、噪聲、效率等參數(shù)之間相互關聯(lián)、相互制約［3］，目前存在的問題是 FFU內部流道的不合理導致流動的紊亂，產生了大量的能量損耗及噪聲，同時導流裝置的不合理設計導致出口風速的不均勻，嚴重影響了室內的凈化效率.而對FFU內部結構進行優(yōu)化設計能有效提高整體性能和能量利用率［4］.筆者選取了一款國內應用比較廣泛的FFU進行研究，旨在為FFU的節(jié)能設計及性能優(yōu)化提供一定的參考.

試驗研究的方法能夠真實地反映設備的運行狀況和一些外特性，林忠平等［5］通過試驗對FFU的結構組件對性能的影響作了探討，Liu Junjie等［6］采取加均流板的形式來保持風機過濾器機組的面風速均勻性及減少面風速的湍流度.但單純的試驗方法不能直觀顯示內部流動，較難提出有針對性的優(yōu)化方案.數(shù)值模擬能預測出內部流場［7-10］，國內外關于FFU數(shù)值模擬的文獻主要集中在FFU對室內氣流組織的影響上［11-13］，單純對FFU內部進行模擬的研究很少.而且模擬結果與實際情況也會存在有一定誤差，筆者采用數(shù)值模擬與試驗研究相結合的方法，利用CFX軟件模擬FFU內部流場，然后提出優(yōu)化方案，并再次模擬以確認修改的有效性，最終將修改方案應用到實際產品中，并用檢測平臺來評價其性能.

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

準確的幾何模型是數(shù)值模擬的基礎，直接影響到數(shù)值計算結果的精確性和可靠性.由于后期需要對模擬結果進行試驗驗證，所以物理模型完全按照實物尺寸進行建立，如圖1所示.

圖1 物理模型

使用三維軟件pro/e進行建模，模型分為5個部分:入口、葉輪、主體、過濾器和出口.入口和出口都進行了加長，以保證進、出口流體都能達到穩(wěn)定狀態(tài)，有利于計算的收斂.使用ICEM劃分網(wǎng)格，其中入口、葉輪、過濾器和出口這4部分由于結構比較規(guī)則，劃分為結構化網(wǎng)格，即每個單元都為六面體，這樣網(wǎng)格數(shù)量就較少且有利于計算的收斂.對于主體部分，由于內部結構比較復雜，劃分成結構化網(wǎng)格比較困難，故采用非結構化網(wǎng)格，每個網(wǎng)格單元都為四面體.各部分之間使用Interface(交界面)進行連接.

1.2 數(shù)學模型

FFU內部的流動是典型的湍流流動，選用的湍流模型是標準k-ε模型.k-ε模型需要求解湍動能及其耗散率方程.湍動能輸運方程是通過精確的方程推導得到，但耗散率方程是通過物理推理，數(shù)學上模擬相似原形方程得到的.該模型假設流動為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略.因此，標準k-ε模型只適合完全湍流的流動過程模擬，對于壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法.

1.3 模型設置求解及邊界條件

工作流體設為25℃的空氣，各物性參數(shù)為軟件自帶參數(shù).入口采用速度入口邊界條件，根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定入口來流的平均速度為3.2 m·s-1，出口采用壓力出口邊界條件，平均靜壓為0 Pa.過濾膜阻力為120 Pa，采用多孔介質模型，阻力系數(shù)設為10 050 kg·m-4.壁面采用無滑移壁面邊界條件，近壁區(qū)的處理采用壁面函數(shù)法.各區(qū)域之間采用交界面進行連接，具體連接模式為GGI模式.

2 模擬結果可靠性驗證

計算結果的準確性是后續(xù)優(yōu)化的基礎，因此首先必須要驗證計算結果.為了驗證數(shù)值模擬的有效性，將計算結果與試驗數(shù)據(jù)進行了對比.試驗驗證示意圖如圖2所示.

圖2 試驗驗證示意圖

在FFU的出口處設置了9個觀測點，分別對比這9個點上的速度.x為水平方向長度，vn為速度，計算的結果可以用軟件直接顯示，采用熱線風速儀進行測定得到試驗結果，模擬結果和試驗結果對比如圖3所示，兩者還是存在一定的誤差，造成誤差的原因主要包括數(shù)值仿真計算中的誤差和測試中的誤差.總體上兩者數(shù)據(jù)吻合較好，誤差在可接受的范圍內，表明使用CFX來對FFU模型進行數(shù)值模擬得到的內部流場分布是可靠的.

圖3 模擬結果和試驗結果對比圖

3 結構參數(shù)優(yōu)化

3.1 流道優(yōu)化

為提高FFU的技術性能，降低阻力和噪聲，在模型上對FFU進行優(yōu)化設計.首先分析渦漩產生的原因，然后對模型進行適當?shù)男薷?，再通過計算結果來判斷優(yōu)化后的效果，重復這一過程，直到達到最佳的效果.v為流速，S形流道出口處渦漩如圖4所示.

圖4 S形流道出口處渦漩圖

S形流道突擴處的渦漩產生的原因是突擴結構處的流體產生了回流，被稱為突擴回流.相關學者對影響回流的一些參數(shù)進行了廣泛而深入的研究，普遍認為控制回流的主要因素包括:流動狀態(tài)(層流、湍流)、初始速度分布、自由來流的湍流速度和突擴比等.由于流道面積的突然擴張，在面積變化的截面后存在回流、分離、重附和剪切等流動現(xiàn)象，會引起壓力降低和能量損失，初始流道結構如圖5所示.

圖5 初始流道結構

因此對這一部分的優(yōu)化主要集中在突擴結構的消除上，優(yōu)化后的流道結構如圖6所示，去除了這一突擴結構，流道幾何形狀緩慢變化.

圖6 優(yōu)化后的流道結構

修改成漸擴結構后，流道的截面積會逐漸增大，又由于流量是不變的，流速將逐漸變小，根據(jù)伯努利方程:

式中:z為高度;p為壓力;ρ為流體密度;g為重力加速度;C為常數(shù).

流道水平放置，故z不變，在速度v減小的情況下，壓力p逐漸增大，因此隨著流道的擴張，壓力逐漸增大，在該區(qū)域內存在較大的壓力梯度，流體從高壓端流向低壓端，流道出口區(qū)域會發(fā)生回流.

為解決這一問題，可以將流道截面積設計成相等，在流量一定的情況下，流道各處的流速相等，各處壓力也趨于相等，不會出現(xiàn)大的壓力梯度，就不會出現(xiàn)回流現(xiàn)象.等截面流道模型如圖7所示.

圖7 等截面流道模型

在流道逐漸擴張的過程中將高度逐漸減少，得到的精確方程為

式中y為豎直方向長度.

按圖7修改好模型之后再次進行計算，待計算收斂之后對結果進行分析，回流現(xiàn)象消失，所有的流體都同向運動，且十分流暢，達到優(yōu)化的效果.優(yōu)化后流道的整體速度矢量圖如圖8所示，渦漩全部消失，流動變得十分順暢，有效減少流道阻力.

圖8 優(yōu)化后流道的整體速度矢量圖

3.2 導流裝置優(yōu)化

FFU中導流板的作用是將S形流道流出的空氣導入到下層空間，再經過過濾器進入室內，此過程中既要保證能量損失盡量小，又要保證送風的均勻性.因此導流板的彎曲角度和開孔數(shù)量及大小對送風狀態(tài)有很大的影響.該型號的FFU的導流板彎曲角度為35°，筆者使用數(shù)值模擬的方法對比了彎曲角度分別為 20°，35°，50°這 3 種情況下的流動狀態(tài)，得出了3種導流板形式下的流動狀態(tài)的速度矢量圖如圖9所示.

圖9 導流板角度在20°，35°，50°時的速度矢量圖

單獨觀察圖9a-c可以發(fā)現(xiàn):在彎曲角度為20°時，左側壁面附近區(qū)域有少量漩渦;彎曲角度為35°時左側壁面附近出現(xiàn)漩渦;彎曲角度為50°時在導流板的正上方出現(xiàn)漩渦.

整體觀察圖9可以發(fā)現(xiàn)這種導流方式存在的幾個典型問題:①無論怎么改變導流板的角度，均會出現(xiàn)氣流回旋現(xiàn)象，表現(xiàn)在FFU的整體性能上就是在出風口的部分位置會出現(xiàn)出風不均勻現(xiàn)象;②導流板的切線方向上的速度遠大于其他位置的速度，表現(xiàn)在出口速度上就是圖3所示的雙駝峰現(xiàn)象，導致出風極不均勻，出風均勻性是評價FFU的性能的一個最直觀的指標，直接影響到室內的凈化效率.出風的均勻性主要影響室內氣流組織形式，GB 50457—2008《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設計規(guī)范》規(guī)定100級以上的潔凈室的氣流流型應采用單向流，出風均勻性好的FFU能形成良好的單向流，不會在室內產生漩渦，減少污染物的堆積，凈化效果明顯提升;③都在左下角的直角轉彎區(qū)域形成了一塊流動速度很小的區(qū)域，該區(qū)域極易形成漩渦，導致能量的損失以及噪音的形成.綜上所述，該導流板的作用不夠理想，不能滿足實際的要求，需重新設計導流板，重新設計的導流裝置如圖10所示，新的導流裝置由2部分組成:① 一個環(huán)形的等截面的流道，能夠將空氣順暢地導入到上層空間;②帶條縫的導流板，導流板上的條縫數(shù)量及寬度由導流板上方的區(qū)域占整個出口區(qū)域面積的比例決定，以確保出口風量的均勻.另外導流板末端水平，流出的空氣不會直接撞在過濾膜上，因此不會出現(xiàn)圖3所示的雙駝峰現(xiàn)象，出口速度將會比較均勻.修改后的導流矢量圖如圖11所示，導流板的導流效果非常明顯，出風十分均勻.

圖10 修改后的導流裝置

圖11 修改后的導流矢量圖

4 試驗驗證

為檢驗優(yōu)化設計的合理性，將原FFU按上述的修改方案進行了修改，并用FFU性能測試臺進行性能檢測，F(xiàn)FU性能測試臺如圖12所示，可進行余壓、定風量、定轉速檢測，依據(jù)GB/T 1236—2000《工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗》測試的性能參數(shù)包括風量、機外余壓、轉速、功率、空氣動力效率、電壓和電流等，同時得出完整的性能曲線.

圖12 FFU性能測試臺

為量化地評價出風的均勻性，將距離出口平面0.15 m處的平面上均勻布置27個測點，如圖13所示，圖中尺寸單位為mm.

圖13 出口測點分布圖

引入不均勻度作為評價指標.出風不均勻度為

式中:vi為任一點實測風速;ˉv為平均風速;N為測點數(shù).

用式(3)表征出口速度的不均勻性，其值越大表示出風越不均勻.GB 50591—2010《潔凈室施工及驗收規(guī)范》中規(guī)定潔凈室中氣流不均勻度不大于25.00%.按照式(3)計算得優(yōu)化前出風的不均勻度為23.84%，優(yōu)化后出風的不均勻性達到19.63%，說明新的導流裝置能有效提高出風的均勻性.

優(yōu)化前后靜壓與面速度的關系如圖14所示，在額定轉速下變換風量得到不同靜壓值，優(yōu)化后靜壓值有所提高，在面速度為0.45 m·s-1時靜壓提高了30 Pa左右，說明流道的改進提升了FFU的性能，可以應用在靜壓需求更高的場合，可以使用更高效的過濾膜.空氣動力效率是指一定流量下推動空氣流動的功率占總輸入功率的百分比，表征了能量的有效利用程度.空氣動力效率與面速度之間的關系如圖15所示，由于高效過濾膜的阻礙作用，空氣動力效率整體處于較低水平.空氣動力效率的變化分為2個階段:① 面速度較小時，優(yōu)化前后的空氣動力效率變化不大;② 當面速度大于0.4 m·s-1時，優(yōu)化后的效率明顯高于優(yōu)化前，這是由于流道阻力與速度的平方成正比，隨著速度的增大，流道的阻力變得越來越顯著，此時阻力較小的流道空氣動力效率更高.

圖14 優(yōu)化前后靜壓與面速度的關系

圖15 優(yōu)化前后空氣動力效率與面速度的關系

5 結論

1)運用數(shù)值模擬的方法可以有效地模擬FFU的內部流場，并可以觀察到FFU內部渦漩產生的具體區(qū)域.

2)通過對模擬結果的分析，修改了S形流道的突擴結構，并保證流道截面積相同，這樣就可以消除突擴結構造成的渦漩，并且不產生回流現(xiàn)象.重新設計了導流裝置，得到了更加均勻的出流.

3)使用FFU性能測試臺對優(yōu)化前后FFU性能進行對比，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的FFU出風更均勻，具有更高的靜壓，在風速較高時空氣動力效率也更高.

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