宋佳鈁 劉淑慧 梁 爽

(天津工業(yè)大學機械工程學院，天津300387)

為了降低風機盤管能耗，必須進行風機盤管性能檢測。靜壓腔內(nèi)空氣的取樣、干濕球溫度的測量直接影響焓值的測量精度。

影響精度的原因：由于空間中存在氣流分層現(xiàn)象，所以會導致每個吸風口吸取氣體的參數(shù)可能不盡相同，在匯集管處氣體匯合不均勻，導致所測干濕球溫度精度降低。充分考慮這個影響因素，針對此處氣流組織設(shè)計管內(nèi)混流器，有效地使干濕球溫度計處的氣流溫度場分布更加均勻。并通過CFD仿真模擬進行此處溫度場模擬。

1 文丘里管基本工作原理

混合管的設(shè)計運用了文丘里原理。文丘里管示意圖如圖1所示[1]。

圖1 文丘里管示意圖Figure 1 Venturi tube

文丘里管工作原理：由流體力學原理可知，在亞音速范圍內(nèi)，氣體在收縮段內(nèi)流動時，氣體速度增大，而壓力、密度、溫度減小，稱之為膨脹過程。當氣體在擴壓段流動時，氣體速度減小，壓力、溫度、密度增大，稱之為壓縮過程[2]。

2 混合管的設(shè)計

混合管設(shè)計以文丘里原理為基礎(chǔ)，在一定厚度的圓餅上設(shè)計若干個通氣孔，通氣孔的形狀呈文丘里管狀。由上面敘述可知，氣體在收縮段溫度降低，在擴壓段溫度升高。為了保證取樣氣體經(jīng)過混合管后氣體溫度偏差最小，收縮段和擴壓段是以喉口為對稱軸對稱的，即取L1=L3，d1=d3，α=β。

吸氣管的匯集管直徑為78 mm[1]?；旌瞎馨惭b在吸氣管的匯集管內(nèi)，且位置在干濕球溫度計近端處。為了避免出氣孔在出氣面分布的不均勻性，形成束狀空氣流，不僅沒有達到空氣混合均勻的目的，反而造成空氣分布更加不均勻。因此，在混合管直徑尺寸一定的情況下，利用SolidWorks軟件里的填充陣列功能，使進氣端面和出氣端面的孔均勻分布在整個面上。孔排布結(jié)果有兩種排布如圖2所示。A排布：d1=d3=4.7 mm，B排布：d1=d3=7.4 mm。

(a)A類混合器(b)B類混合器

擴壓段為圓錐形，其最小直徑應不小于喉口直徑。擴壓段擴散角取7°～15°[4]，擴散角選擇14°，即β=α=14°。

喉口段長度取值為[4]：

L2=d2±0.03d2

(1)

由圖1幾何關(guān)系得出喉口部的直徑d2為：

d2=d3-2L3tan(β/2)

(2)

A、B兩種排布參數(shù)見表1。

L1、L3、d1、d3給定數(shù)值后，由公式(1)和公式(2)可求得A類和B類混合管的L2和d2的取值，分別見表1和表2。

表1 A類混合管參數(shù)Table 1 A type mixing tube parameters

表2 B類混合管參數(shù)Table 2 B type mixing tube parameters

3 邊界條件設(shè)置

在仿真模擬中，為了驗證混合管的混合效果，將進氣端的氣體通過五個面積不同的進氣入口，且每個入口的氣體物理參數(shù)是不同的。而在實際工程中，入口端的氣體物理參數(shù)差異遠小于本研究，這樣做的目的是：在氣體參數(shù)大差異下，通過混合管后，氣體能夠混合均勻。那么在實際工程中，由于氣體參數(shù)差異小，通過混合管后，氣體混合會更均勻。而且可以有效避免試驗過程中，由于突發(fā)變化的外界條件等造成氣體物理參數(shù)差異大而影響試驗精度。仿真模擬選用k-ε標準湍流模型。進口參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 進口參數(shù)設(shè)置Table 3 Inlet parameters setting

4 結(jié)果

4.1 數(shù)值模擬數(shù)學建模

(3)

速度、湍流參數(shù)等物理量對應關(guān)系見表4。

表4 數(shù)學物理模型參數(shù)關(guān)系Table 4 Mathematical physics model parameter relationship

4.2 氣體不均勻度判斷方法

氣體分布不均勻度系數(shù)Bf為：

(4)

主要研究方法是利用Fluent進行數(shù)值模擬，通過云圖求得氣體分布不均勻度系數(shù)。選取所模擬混合器中部的一個面，運用面積法判斷氣體分布的均勻度。

(5)

由公式(4)、(5)得：

(6)

式中，Si為溫度為所選取平面中溫度為ti的面積；S為所選取平面的總面積。Bf值越小，氣體溫度分布越均勻[3]。

4.3 仿真模擬結(jié)果

A類混合器參數(shù)確定后，根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計三種A混合器。用SolidWorks軟件三維模擬，然后用Fluent進行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。比較圖3的三個溫度云圖可知，混合器起到一定的混合均勻效果，但是沒有達到理想的混合效果。

圖3 A類混合管的溫度云圖Figure 3 Temperature cloud charts of A type mixing tube

B類混合管包括四種混合器，得出四組數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 B類混合管的溫度云圖Figure 4 Temperature cloud charts of B type mixing tube

通過觀察溫度云圖，可以發(fā)現(xiàn)B類四種混合管都起到了混合效果，但是均沒有達到最佳效果。截取混合管中心一截面，運用公式(6)，求得氣體分布的不均勻度Bf。

從表5可以看出A類a、b、c三個混合器中，c混合器的Bf最小，即氣體通過c混合器后，分布最均勻。B類混合器的d、e、f、g四個混合器中，f混合器的Bf值最小，即B類的f混合器的混合效果最佳，但是f混合器的Bf值大于c混合器的Bf值。所以，混合效果最佳的是A類的c混合器。但是仍然沒有達到最理想的混合效果。為了達到最佳的混合效果，采取的辦法是疊加安裝兩個混合效果最佳的A類c混合器于取樣器的匯集管內(nèi)，得出溫度云圖如圖5所示。

表5 混合管氣體分布不均勻度Table 5 Gas distribution unevenness of mixing tube

圖5 疊加混合管的溫度云圖Figure 5 Temperature cloud chart of superimposed mixing tube

由圖5可以看出，疊加混合管的使用達到了理想的混合效果。Bf=0，即氣體完全混合，達到了最理想的混合效果。

4.4 試驗結(jié)果驗證

由于設(shè)計的空氣混合器結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，所以，將設(shè)計的c混合器加工制造并安裝在取樣器中。利用溫度傳感器測取樣器風機近端處N點溫度，利用公式(6)求出空氣不均勻度系數(shù)為0.93×10-3。試驗值比模擬值小很多的原因是：為了驗證混合效果，在進行數(shù)值模擬時，對進口參數(shù)的設(shè)置采用了不同進口參數(shù)大差異的處理方式，而實際工程中，取樣器不同進口小孔的氣體差異遠小于設(shè)置差異。而試驗測取的安裝單個c混合器的氣體不均勻度系數(shù)已經(jīng)滿足實際工程的需求。綜上所述，在實際工程應用中，取樣器內(nèi)可以僅安裝一個c混合器。

5 總結(jié)

利用文丘里原理設(shè)計了不同尺寸參數(shù)的空氣混合器。通過仿真云圖判斷混合效果，并且提出了一種新的判斷氣體均勻度的方法，即溫度分布不均勻度Bf，得出了最佳混合效果的空氣混合器是A類c混合器：L1=L3=15 mm，d1=d3=4.7 mm。為了達到理想混合效果，在實際工程中，在吸氣管中疊加安裝兩個A類c混合器。

設(shè)計的空氣混合器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、安裝方便等優(yōu)點。通過試驗可知，在實際工程應用中，只需要安裝一個c混合器即可滿足工程的要求，提高測量精度。除此之外，安裝一個混合器相比安裝兩個混合器，降低了壓力損失，有利于降低能耗，提高測量精度。