蘇　飛，魏　兵

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

誘導式風管內流體特性的數(shù)值模擬研究

蘇飛，魏兵

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

摘要：低溫送風誘導式縮放風管具有結構簡單、造價低廉、節(jié)省能耗、噪聲低、維修工作量小和能利用普通風口等優(yōu)點，但不易達到較高的誘導比。運用CFD軟件對風管內部流體特性進行模擬，通過云圖進行壓力分析，并在云圖靜壓較低處對應地設置二次風口。計算各種情況下誘導風管的誘導比，通過誘導比計算值的對比，確定出二次風口的最佳位置，設計出誘導式縮放風管的吸收段。

關鍵詞：誘導式風管；吸收段；二次風口；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU831.3

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.08.010

收稿日期：2015-06-19。

基金項目：國家自然科學基金青年基金(51408820)。

作者簡介：蘇飛(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為建筑節(jié)能技術，E-mail：sfhvac305@163.com。

Abstract：Considering its simple structure, low cost, energy savings, little noise, small amount of maintenance and adaptability to normal vent, cold air distribution induction scaling duct is spoken highly of. But it is not easy to reach a high induction ratio. In this paper, CFD software was adopted to simulate internal fluid properties in the induction ducts. Then secondary air inlets were located in the position with the lowest static pressure after the analysis of the contours. Finally, the induction ratios for different ducts were calculated. After comparing induction ratios, the optimal location of secondary air inlet is determined and the absorption section is designed.

Keywords：induction duct; absorption section; secondary air inlet; numerical simulation

0引言

低溫送風空調系統(tǒng)的送風溫度為4～10 ℃，比常溫空調系統(tǒng)的送風溫度12～16 ℃低[1,2]。采用低溫送風技術能夠降低空調系統(tǒng)的能耗，也能節(jié)省初投資和運行費用[3～7]，經(jīng)濟效益明顯。低溫送風的末端裝置對空調系統(tǒng)的成功運行起著至關重要的作用[8～10]。在低溫送風的各種形式中[11～13]，不帶風機的誘導式風管以其結構簡單、造價低廉、節(jié)省能耗、噪聲低、維修工作量小和能利用普通風口等優(yōu)點而備受推崇，但不易達到較高的誘導比[14]。

誘導比是衡量誘導式風管性能的關鍵參數(shù)[15]，提高誘導比成為設計誘導式風管的關鍵。當收縮段幾何造型固定時，吸收段二次風口(誘導風口)的位置對誘導比有很大的影響。使用CFD軟件對相關管道進行模擬[16～18]，此方法已廣泛應用于風管設計中。通過云圖分析與計算，并對誘導風口位置不同的吸收段比較，找到使得誘導比最高的吸收段，并將其幾何造型設計為整體誘導式縮放風管的一部分，即誘導式風管的吸收段。

1誘導式風管的工作原理

誘導式風管的工作原理：經(jīng)過制冷機組處理的低溫一次風(6 ℃)以一定速度(3～6 m/s)進入誘導式縮放風管。在收縮段中，一次風速度迅速升高，動壓升高，靜壓下降。到收縮段出口處，一次風的靜壓降為負值，速度達到最大值(10～15 m/s)。一次風高速噴射進入吸收段，在吸收段入口形成負壓，與室內溫度相同的二次風(27 ℃)從誘導風口引射入吸收段。一次風在吸收段內形成射流，在壁面處卷吸周圍空氣，帶著二次風向前，還會造成漩渦[19]，使得吸收段入口獲得一個比吸收段更低的壓力，這樣二次風在壓差的作用下源源不斷的從二次風口進入誘導式風管中。在吸收段內一次風與二次風進行速度、能量的均衡?；旌线^程中，一次風的速度下降，溫度升高，動量減少，二次風的速度上升，溫度下降，動量增加，沿風管的流動中，混合流體的速度漸漸均衡[20]。

2誘導式風管的數(shù)值模擬與計算

用CFD軟件先對未設置二次風口的風管進行模擬，通過云圖分析，在云圖靜壓較低處對應地設置二次風口。然后再用CFD軟件對已設置二次風口的風管模擬，在一次風量、二次風口總面積相同的情況下，通過計算設置在不同位置二次風口的誘導風量以及總風量，推導出各情況下的誘導比。誘導式風管幾何造型如圖1所示，本文只研究吸收段，故將收縮段之后設計為直管段。

圖1　誘導式風管的幾何結構圖

采用1∶1的比例，使用Gambit軟件對誘導式風管進行建模，并采用非結構化網(wǎng)格對其進行劃分。劃分完成后，對所有形體的網(wǎng)格進行檢查，結果未發(fā)現(xiàn)各形體的網(wǎng)格質量問題，故網(wǎng)格質量是可靠的。為排除網(wǎng)格數(shù)對模擬結果的影響，計算中進行了網(wǎng)格無關性驗證，對誘導式縮放風管結構分別模擬了18萬、20萬、22萬、25萬和28萬網(wǎng)格。并由模擬結果可知，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，模擬值更加接近實驗值，且網(wǎng)格數(shù)在20萬網(wǎng)格后變化較小，綜合考慮模擬精度及計算時長，最終確定總網(wǎng)格數(shù)為20萬。

為了簡化計算，根據(jù)誘導式風管流場的特點，對其進行以下假設：

(1)流體在計算過程中視為不可壓縮；

(2)計算過程中忽略重力的影響；

(3)風管中流體流動為定常湍流流動；

(4)忽略流體的粘性影響；

(5)誘導式風管內的氣體流動為不可壓定常流動，在數(shù)值計算過程中遵守質量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律。

湍流模型選擇標準型Standardk-ε模型，其基本方程有兩個，一個是湍動能k的傳輸方程，另一個是擴散率ε的傳輸方程。計算采用壓力速度耦合為SIMPLE算法，采用一階離散方法計算與空間相關的對流項和擴散項及湍流粘性系數(shù)。計算中忽略重力和壁面粗糙度對流場的影響。計算收斂標準設置為各方向速度參數(shù)的計算誤差小于10-6及k，ε的計算誤差小于10-3，求解區(qū)域進出口流量差小于0.1%。

2.1　對沒有設置誘導風口的風管模擬

本文先對沒有設置誘導風口的風管進行模擬，觀察風管靜壓與速度的模擬結果。通過圖2所示云圖分析，找到可能的壓力最低處，并在可能的壓力最低處設置誘導風口。一次風口為速度入口，直管段最右端為壓力出口。一次風入口風速為4.75 m/s，一次風的溫度為6 ℃，直管段最右端出口靜壓設為20 Pa。

圖2　無誘導風口風管模擬的靜壓云圖

通過圖3所示速度云圖，可以看出一次風經(jīng)過收縮段后，速度增加，形成射流。通過圖2所示靜壓云圖可以看出，直管段靜壓最低處可能在直管段最左端(端部)，也可能在直管段的兩側(側部)。將誘導風口分別設置在端部與側部，再用CFD軟件進行模擬，獲得各自的模擬參數(shù)云圖。

圖3　無誘導風口風管模擬的速度云圖

2.2　對誘導風口設置在直管段端部的風管模擬

本次模擬中，誘導式風管的幾何造型如圖4所示。

圖4　端部設置誘導風口的誘導式風管幾何結構圖

一次風口設為速度入口，二次風口(誘導風口)設為壓力入口，直管段最右端設為壓力出口。一次風入口平均風速設置為4.75 m/s，一次風入口截面積為0.32×0.32 m2。收縮段頸部的面積為0.16×0.16 m2。直管段的尺寸為1.2×0.4×0.4 m3。誘導風口為環(huán)形，外邊為0.325×0.325 m2。一次風的溫度為6 ℃，二次風(誘導風)的溫度為27 ℃，直管段最右端出口靜壓設為20 Pa。

由圖5所示靜壓云圖，可以發(fā)現(xiàn)當二次風口設置在吸收段的端部(最左端)時，風管內靜壓最低處(深色區(qū)域)分布在吸收段的最左端與吸收段靠近收縮段的風管兩側。這是由于一次風靜壓轉化為動壓，與射流向前流動造成漩渦共同造成的。

圖5　端部設置誘導風口風管模擬的靜壓云圖

由圖6所示速度云圖和圖7所示溫度云圖，可以發(fā)現(xiàn)一次風高速射入吸收段后，在吸收段內出現(xiàn)射流核心區(qū)。此處的射流核心區(qū)的長度竟超過了設置的吸收段的長度。

圖6　端部設置誘導風口風管模擬的速度云圖

圖7　端部設置誘導風口風管模擬的溫度云圖

2.3　對誘導風口設置在直管側部的風管模擬

本次模擬中，誘導式風管的幾何造型如圖8所示。

圖8　兩側設置誘導風口的誘導式風管幾何結構圖

一次風口設為速度入口，二次風口(誘導風口)設為壓力入口，直管段最右端設為壓力出口。一次風入口平均風速設置為4.75 m/s，一次風入口截面積為0.32×0.32 m2。收縮段頸部的面積為0.16×0.16 m2。直管段的尺寸為1.2×0.4×0.4 m3。誘導風口設置在直管段的兩側，兩個誘導風口的尺寸均為0.2×0.2 m2。保持兩種結構誘導風口的總面積一致。一次風的溫度為6 ℃，二次風(誘導風)的溫度為27 ℃，直管段最右端出口靜壓設為20 Pa。

由圖9所示靜壓云圖，可以發(fā)現(xiàn)當二次風口設置在吸收段的側部(兩側)時，風管內靜壓最低處(深色區(qū)域)分布在吸收段端部(最左端)與二次風口下游的管道中央。這是由于一次風與二次風出現(xiàn)漩渦造成的。

由圖10所示速度云圖和圖11所示溫度云圖，可以發(fā)現(xiàn)一次風高速射入吸收段后，同樣在吸收段內出現(xiàn)射流核心區(qū)。此處的射流核心區(qū)的長度明顯短于二次風口設置在吸收段端部時的射流核心區(qū)長度。

圖9　側部設置誘導風口風管模擬的靜壓云圖

圖10　側部設置誘導風口風管模擬的速度云圖

圖11　側部設置誘導風口風管模擬的溫度云圖

3對誘導比的計算

誘導比的定義為二次風的質量流量與一次風的質量流量的比值。由于溫度變化范圍不同，可認為二次風的密度與一次風的密度相同，所以誘導比可以表示為二次風的體積流量與一次風的體積流量之比。

式中：i為誘導比；G1為一次風的體積流量，m3/s；G2為二次風的體積流量，m3/s。

通過CFD軟件對兩種幾何造型的誘導式風管進行模擬計算，除云圖外，還可以獲得誘導風口的平均風速，由此可以計算出誘導風量，再計算出兩種幾何造型吸收段的誘導比，并進行比較。

已知一次風入口面積和截面平均風速，可以計算出一次風量；通過CFD軟件模擬計算，獲得誘導風速(二次風口截面平均風速)，二次風口(誘導風口)的面積是自己設定的，可以計算出二次風量，如表1所示。兩種幾何造型的吸收段誘導風口僅僅是設置位置不同，二次風口總面積是相同的，且風管其他部分和模擬條件都是相同的。

表1　兩種誘導式風管誘導風量及誘導比的計算表

4結論

(1)對沒有設置誘導風口的風管模擬，通過云圖分析，可以發(fā)現(xiàn)一次風經(jīng)過收縮段，速度升高，靜壓下降；在直管段中形成射流核心區(qū)，直管段靜壓最低處在直管段的最左端或直管段側面。

(2)將誘導風口分別設置在吸收段的端部(左端)和側部(兩側)，保證兩種造型的誘導風口總面積相同，再使用CFD軟件進行模擬。分別得到二者的靜壓、速度和溫度云圖。通過比較可知誘導風口設置在端部，射流核心區(qū)更長，更有利于卷吸二次風。

(3)通過CFD模擬軟件可計算出各誘導風口截面的平均風速，進而算出兩種情況下的誘導風量，通過比較可知，將誘導風口設置在吸收段端部，誘導風量更大，即更有利于誘導二次風。

(4)通過計算誘導比可知，將誘導風口設置在吸收段端部，可獲得更大的誘導比，因此，吸收段可按此設計。

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Numerical Simulation Study on Internal Fluid Properties in Induction Duct

Su Fei, Wei Bing

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)