魏 剛，尹俊植，張 舟，朱 涵

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

在工程應(yīng)用系統(tǒng)中，為了使空氣流通，降低有害氣體濃度，設(shè)計(jì)安裝了排風(fēng)管網(wǎng)[1]。在排風(fēng)中，用機(jī)械或自然的方法向室內(nèi)空間送入足夠的新鮮空氣，同時(shí)把室內(nèi)不符合衛(wèi)生要求的污濁空氣排出，使室內(nèi)空氣滿足衛(wèi)生要求和生產(chǎn)過程需要[2]。

針對某些污染較嚴(yán)重的房間，為了防止其中的污濁空氣流入周圍的空間，應(yīng)使室內(nèi)的壓力小于大氣壓力，使室內(nèi)的污濁空氣不致流至室外[3-4]。同時(shí)，排風(fēng)經(jīng)下部的排風(fēng)口吸入過濾器，并通向排風(fēng)管網(wǎng)，最后匯入總管道，經(jīng)總煙囪排入大氣。排風(fēng)量的大小和排風(fēng)口的布置、通風(fēng)房間的空氣溫度和濕度對排風(fēng)系統(tǒng)工作特性有很大的影響[5]。合理地布置排風(fēng)口及分配排風(fēng)量[6]，對于排風(fēng)管網(wǎng)的安全運(yùn)行及室內(nèi)氣流組織的需求具有重要的意義。

在此背景下，本文針對實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，測量各風(fēng)管的流量分布特性與壓力分布特性。并使用Flowmaster仿真模擬軟件進(jìn)行建模，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并預(yù)測其它工況[7-8]。

1 實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)概況

本文為四川廣元某工廠實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)系統(tǒng)布置和儀表安裝布置如圖1所示。廣元實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)布置在一個(gè)房間內(nèi)，通風(fēng)管道由三個(gè)支路組成，這三個(gè)支路分別有2臺(風(fēng)機(jī)1A、1B)、2臺(風(fēng)機(jī)2A、2B)和1臺(風(fēng)機(jī)3)供風(fēng)。三個(gè)支路排風(fēng)匯集于總風(fēng)道，經(jīng)由房間外的煙囪排放至大氣。各支路風(fēng)機(jī)上游連接空氣過濾器、下游管路中安裝止回閥等管路原件(圖1中未標(biāo)出)。當(dāng)排風(fēng)匯經(jīng)同一風(fēng)道排走可能造成相互影響，造成各子項(xiàng)排風(fēng)的波動，進(jìn)而可能無法保證實(shí)際排風(fēng)量達(dá)到設(shè)計(jì)風(fēng)量[9]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證未來用于實(shí)際目標(biāo)工程排風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字模型和數(shù)值模擬研究方法的可靠性[10]，本文將針對四川廣元某工廠實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。為了標(biāo)定局部管件的阻力特性，本項(xiàng)目在局部管件上下游均布置壓力測點(diǎn)，在風(fēng)機(jī)出口與干線布置流量測點(diǎn)，壓力與流量通過壓力計(jì)與流量計(jì)測量。另外，由于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行工況是由風(fēng)機(jī)特性曲線和管道阻力特性曲線共同決定，房間內(nèi)及風(fēng)機(jī)進(jìn)口為微負(fù)壓，因此在各風(fēng)機(jī)及系統(tǒng)出口處均布置壓力測點(diǎn)。

2.1 測量儀表及安裝布置

實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)(圖1所示)安裝8臺流量計(jì)與9臺測壓裝置。

上述涉及的所有儀表均布置在風(fēng)機(jī)出口通風(fēng)管道及匯總管道上，具體位置如圖1所示。其中，Q表示流量計(jì)；P表示測壓裝置安裝位置。

圖1 實(shí)體通風(fēng)系統(tǒng)布置及儀表安裝位置示意圖

2.1.1 流量計(jì)安裝

為安裝德爾塔巴流量計(jì)的測量管，需要在通風(fēng)管道上進(jìn)行開孔，開孔直徑35 mm，流量計(jì)測量管從該孔插入，插入后將流量計(jì)底座與通風(fēng)管道壁面進(jìn)行焊接連接，如圖2所示。儀表焊接應(yīng)該保證全焊，保證密封性。

圖2 流量計(jì)現(xiàn)場安裝方法

2.1.2 均壓測壓裝置現(xiàn)場安裝

均壓測壓裝置需要按照通風(fēng)管道直徑的大小，沿著周向以相同間隔布置多個(gè)采壓孔，圖3(a)和(b)中以周向均勻打8孔為例，給出了風(fēng)道上多個(gè)采壓孔的示意。

實(shí)際施行中，應(yīng)按現(xiàn)場的位置靈活選擇，最少實(shí)現(xiàn)風(fēng)道周向打2孔的布置。取壓孔分別由取壓管與穩(wěn)壓罐連接，壓力傳感器與穩(wěn)壓罐連接測量該測點(diǎn)處的靜壓。

圖3 流量均壓測壓裝置現(xiàn)場安裝

2.2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試

本文分別對風(fēng)機(jī)的不同開、關(guān)組合情況下的系統(tǒng)各測點(diǎn)的壓力和流量進(jìn)行測量，不同工況見表1，建立不同風(fēng)機(jī)開或關(guān)組合工況時(shí)各局部管件壓差與支路流量的關(guān)系，為后續(xù)Flowmaster模擬仿真提供依據(jù)?，F(xiàn)僅選取代表性工況對組1、2進(jìn)行具體分析。

表1 實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場測試工況列表

2.2.1 流量分布特性

第1組測試的不同工況下沒有全部記錄原始流量計(jì)測試數(shù)據(jù)，例如圖4(b)和(c)中未給出測點(diǎn)6的流量。該組測試工況只開啟第1組風(fēng)機(jī)(風(fēng)機(jī)1A或/與風(fēng)機(jī)1B)，因此測點(diǎn)1與測點(diǎn)2的流量之和應(yīng)分別與測點(diǎn)6或測點(diǎn)8的流量相等，但是從圖4(a)、(b)與(c)中可以明顯看出，測點(diǎn)1與測點(diǎn)2的流量之和明顯高于測點(diǎn)6或測點(diǎn)8，存在質(zhì)量不守恒現(xiàn)象。而測點(diǎn)1與測點(diǎn)2處安裝的流量計(jì)已經(jīng)過多次歸零、校核、相互調(diào)換位置等操作，上述測量結(jié)果不變，因此本文分析認(rèn)為測點(diǎn)6上游風(fēng)管及支管可能存在一定程度的泄漏等原因，從而導(dǎo)致此質(zhì)量不守恒現(xiàn)象。除了圖4(a)中因壞點(diǎn)剔除未給出測點(diǎn)8的流量外，圖4(b)與4(c)中測點(diǎn)6與測點(diǎn)8的流量相差不大，滿足流量守恒關(guān)系。另外，三個(gè)測試工況下，測點(diǎn)6的流量幾乎相同，這表明第1組風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)不同風(fēng)機(jī)的開關(guān)組合對總流量的影響不大。系統(tǒng)內(nèi)的兩個(gè)風(fēng)機(jī)支路存在相互干擾情況，例如圖4(c)中風(fēng)機(jī)1A與1B同時(shí)開啟時(shí)各自流量小于獨(dú)自開啟時(shí)圖4(a)與圖4(b)中風(fēng)機(jī)1A與1B的流量，這將影響各自上游風(fēng)管內(nèi)廢氣的排放效率。

圖4 第1組測試工況各測點(diǎn)流量分布

第2組測試工況開啟第1組與/或第2組風(fēng)機(jī)，關(guān)閉第3組風(fēng)機(jī)。其中，第1組風(fēng)機(jī)包括兩臺風(fēng)機(jī)，第2組風(fēng)機(jī)也包含兩臺風(fēng)機(jī)，因此存在9種不同的開關(guān)組合。從9組工況中可以看出測點(diǎn)3與測點(diǎn)4的流量之和與兩個(gè)測點(diǎn)支路匯合后風(fēng)管測點(diǎn)7處的流量基本相同，滿足流量守恒關(guān)系。測點(diǎn)7所在的風(fēng)管支路將匯入風(fēng)管干線，其流量與測點(diǎn)6的流量匯合后應(yīng)與風(fēng)管干線上的測點(diǎn)8流量相同，圖5(a)～(i)所示九個(gè)工況均很好地符合這一流量守恒關(guān)系?？傮w來說，第1組風(fēng)機(jī)支路的流量高于第2組風(fēng)機(jī)的流量，這不僅與兩組風(fēng)機(jī)的特征曲線有關(guān)還與兩個(gè)支路的阻力特性有關(guān)。對比圖4(a)與圖5(a)～(c)可以發(fā)現(xiàn)這四種工況下的測點(diǎn)1處的流量幾乎相同，對比圖4(b)與圖5(d)～(f)可以發(fā)現(xiàn)四種工況下測點(diǎn)2處的流量也幾乎相同，對比圖4(c)與圖5(g)與(h)可以發(fā)現(xiàn)三種工況下測點(diǎn)1與測點(diǎn)2處的流量分別對應(yīng)相等。而圖5(i)與上述三種工況相差較大，測點(diǎn)1與測點(diǎn)2的流量發(fā)生了“調(diào)換”現(xiàn)象?，F(xiàn)場測試時(shí)各工況調(diào)節(jié)順序的原始記錄信息如下：第2組測試的第9工況(風(fēng)機(jī)1A和1B均為開啟狀態(tài))是在測完第3工況(1A開、1B關(guān)、2A開、2B開)完成之后，為風(fēng)機(jī)開/關(guān)操作方便，直接打開1B而進(jìn)行，即風(fēng)機(jī)1B在風(fēng)機(jī)1A已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)之后開啟，其結(jié)果是測點(diǎn)2流量低于測點(diǎn)1流量；而第7和第8工況(也是風(fēng)機(jī)1A和1B均為開啟狀態(tài))，則是在完成第6工況(1A關(guān)、1B開、2A開、2B開)之后順序進(jìn)行的，此時(shí)均是風(fēng)機(jī)1A在風(fēng)機(jī)1B已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)之后開啟，其結(jié)果均是測點(diǎn)1流量低于測點(diǎn)2流量。因此，可得出結(jié)論，上述測點(diǎn)1與測點(diǎn)2流量發(fā)生的“調(diào)換”現(xiàn)象，表明第一風(fēng)道支路的兩臺風(fēng)機(jī)之間存在明顯的相互干擾現(xiàn)象，即哪臺風(fēng)機(jī)先開啟，哪臺風(fēng)機(jī)“占據(jù)”較大流量，盡管這一相同風(fēng)道支路的兩臺風(fēng)機(jī)支路管路阻力特性相同、風(fēng)機(jī)特性曲線也相同。但是，如圖5的測試結(jié)果所示，上述同一風(fēng)道支路的兩臺風(fēng)機(jī)之間因開啟順序不同而存在的相互干擾現(xiàn)象并未發(fā)生在第二風(fēng)道支路(即風(fēng)機(jī)2A和2B之間)。對比圖4與圖5的測試結(jié)果可知，從流量角度來看第2組風(fēng)機(jī)的開啟與否對風(fēng)機(jī)1A的運(yùn)行幾乎不存在干擾。

圖5 第二組測試工況各測點(diǎn)流量分布

2.2.2 壓力分布特性

為了分析風(fēng)管內(nèi)的能耗，實(shí)驗(yàn)不僅給出了風(fēng)管測點(diǎn)1～8的靜壓分布，同時(shí)還測量了總壓分布情況，如圖6所示。其中總壓計(jì)算公式為

P總壓=P靜壓+ρV2/2

(1)

式中ρ——測試氣體密度/kg·m-3，取1.185 kg/m3；

V——風(fēng)管測點(diǎn)平均風(fēng)速/m·s-1。

值得注意的是，流量測點(diǎn)6位于緊鄰止回閥下游位置，計(jì)算其動壓時(shí)需考慮止回閥不同開合角度下的流通面積。根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目給出流量與開合角度的關(guān)系式如下

(2)

其中，Qmax取9 100 m3/h，αmax取75°。測點(diǎn)6處的平均風(fēng)速計(jì)算公式為

(3)

式中R——測點(diǎn)6處的風(fēng)管半徑。

對比不同測試工況可以看出風(fēng)機(jī)支路系統(tǒng)之間存在一定的相互影響關(guān)系，尤其是第1組風(fēng)機(jī)，因?yàn)榈?組第2組與第3組測試工況下1B風(fēng)機(jī)啟動情況下下游壓力測點(diǎn)2的壓力高于壓力測點(diǎn)1。還可以看出，有氣體流經(jīng)壓力測點(diǎn)3與測點(diǎn)4時(shí)會形成極大的總壓損失，該總壓損失來自止回閥這一局部阻力元件；與止回閥的總壓損失相比，相應(yīng)的靜壓損失要大得多，這是氣體經(jīng)過止回閥時(shí)流道突縮變成近似月牙形通道動力驟然增加造成的。具體分析見下文。

第1組測試工況只開啟第一組風(fēng)機(jī)(風(fēng)機(jī)1A與風(fēng)機(jī)1B)。從圖6(a)靜壓分布中可以看出除了測點(diǎn)1外三種測試工況下各個(gè)測點(diǎn)的靜壓相差不大。測點(diǎn)4處出現(xiàn)負(fù)壓是氣體經(jīng)過節(jié)流閥造成的。因未開啟風(fēng)機(jī)系統(tǒng)2與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)3，測點(diǎn)5與測點(diǎn)7靜壓為零。從圖6(b)中可以看出，由于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)2與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)3并未開啟，測點(diǎn)5與測點(diǎn)7總壓依然為零。第2工況與第3工況下各測點(diǎn)總壓分布大體相等，而第1工況則有所差異，主要體現(xiàn)在測點(diǎn)1與測點(diǎn)4。

圖6 第1組第1～3測試工況各測點(diǎn)壓力分布

第2組測試工況開啟風(fēng)機(jī)系統(tǒng)1與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)2，關(guān)閉風(fēng)機(jī)系統(tǒng)3。圖7給出的是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)1中僅開啟1A而風(fēng)機(jī)系統(tǒng)2中兩個(gè)風(fēng)機(jī)不同開啟情況下的三種工況?？梢钥闯龀说?工況下的測點(diǎn)1與測點(diǎn)5外其他測點(diǎn)靜壓與總壓分布幾乎相同。測點(diǎn)7處靜壓與總壓均為零，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)系統(tǒng)3沒有開啟。支路上的測點(diǎn)5靜壓與總壓分布遠(yuǎn)高于其他測點(diǎn)，主要是因?yàn)樵撝窚y點(diǎn)5下游安裝了止回閥造成憋壓所致。

圖7 第2組第1-3測試工況各測點(diǎn)壓力分布

圖8給出的是第2組測試工況下風(fēng)機(jī)系統(tǒng)1中僅開啟1B而風(fēng)機(jī)系統(tǒng)2中兩個(gè)風(fēng)機(jī)不同開啟情況下的三種工況。可以看出三種測試工況下除了測點(diǎn)5外其他測點(diǎn)靜壓與總壓分布幾乎相同。測點(diǎn)7處靜壓與總壓均為零，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)系統(tǒng)3沒有開啟。支路上的測點(diǎn)5靜壓與總壓分布遠(yuǎn)高于其他測點(diǎn)，也是因?yàn)樵撝窚y點(diǎn)5下游安裝了止回閥造成憋壓所致。三種工況下測點(diǎn)5靜壓與總壓分布差異較大。

圖9給出的是第2組測試工況下風(fēng)機(jī)系統(tǒng)1中1A與1B全開而風(fēng)機(jī)系統(tǒng)2中兩個(gè)風(fēng)機(jī)不同開啟情況下的三種工況。測點(diǎn)7處靜壓與總壓均為零，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)系統(tǒng)3沒有開啟。可以看出三種測試工況干線測點(diǎn)4、6、8的靜壓與總壓分布存在一定差異。這說明在輸量較高時(shí)各風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在壓力分布方面將存在相互干擾現(xiàn)象。

圖8 第2組第4～6測試工況各測點(diǎn)壓力分布

圖9 第2組第7～9測試工況各測點(diǎn)壓力分布

3 Flowmaster仿真分析

3.1 Flowmaster模擬仿真理論基礎(chǔ)

Flowmaster元器件庫中提供了豐富的元件，并在幫助文檔里附有詳細(xì)數(shù)學(xué)模型，可供工程師查閱，公開的數(shù)學(xué)方程也為工程師進(jìn)行二次開發(fā)提供了便利。通過這些數(shù)學(xué)模型，F(xiàn)lowmaster不僅可以描述具體的真實(shí)部件，而且可以對特性相同的新元件進(jìn)行開發(fā)。而對于整個(gè)流體系統(tǒng)，須滿足以下方程。

3.1.1 流動阻力方程

(4)

式中p1、p2——元器件進(jìn)、出口的壓力/MPa；

ξ——元器件的沿流動方向的流動損失系數(shù)，即1、2流通時(shí)的損失系數(shù)；

ρ——流體的密度/kg·m-3；

u——流速/m·s-1。

3.1.2 質(zhì)量守恒方程

Q=A1u1=A2u2

(5)

式中u1、u2——流速/m·s-1；

A1、A2——元器件邊界處的面積/m2；

上式的含義——系統(tǒng)中各處的流量相等。

3.1.3 壓力損失方程

(6)

式中 下標(biāo)1、2——上、下游的位置；

p——靜壓力/Pa；

z——該位置中心處的標(biāo)高/m。

當(dāng)流體流經(jīng)元器件的壓力損失等于進(jìn)、出口的全壓(靜壓力+動壓力)差與高度差壓頭的和。此方程可以對系統(tǒng)中任意兩處位置進(jìn)行分析。

Flowmaster模型完全可以對流動、壓力、傳質(zhì)傳熱等物理現(xiàn)象進(jìn)行比較準(zhǔn)確的建模?；谙嗤臄?shù)學(xué)模型，可以方便地通過Flowmaster通用模型參數(shù)對新元件進(jìn)行描述，使得Flowmaster的應(yīng)用范圍不僅僅局限于元件庫中的元件。另外，F(xiàn)lowmaster的二次開發(fā)功能為工程師提供了一個(gè)簡單而強(qiáng)大的模型描述手段，僅通過幾個(gè)方程，便可以描述滿足工程師要求的模型。

3.2 Flowmaster整體建模流程

根據(jù)排風(fēng)系統(tǒng)原理圖與實(shí)物圖，了解系統(tǒng)的工作原理、構(gòu)成。在Flowmaster建模過程中，首先給定風(fēng)機(jī)特性及管路阻力特性；根據(jù)風(fēng)機(jī)不同的開關(guān)組合工況，建立管路系統(tǒng)中流量及能量平衡關(guān)系，求解獲得各支路流量；利用獲得的流量及管路系統(tǒng)中能量平衡，求解管路系統(tǒng)壓力分布規(guī)律。對于實(shí)際系統(tǒng)中的部件，要考察在Flowmaster中是否都有對應(yīng)的部件，若無對應(yīng)元件，考慮如何進(jìn)行合理簡化或自定義元件；在Flowmaster軟件中選擇相應(yīng)的元件，并按工作原理將其依次連接；根據(jù)建立的模型，列出分析所需要的參數(shù)，并收集這些參數(shù)；將參數(shù)輸入到軟件中，進(jìn)行仿真；對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

通過分析實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)的管網(wǎng)系統(tǒng)布置，可以看出，風(fēng)機(jī)前端管網(wǎng)排布復(fù)雜，乏氣從廠房抽出后，經(jīng)過多個(gè)局部管件，尤其是經(jīng)過閥門及空氣過濾器，將消耗風(fēng)機(jī)全壓升的大部分能量，圖10至圖12分別建立了各風(fēng)機(jī)前段相對應(yīng)的Flowmaster模型。

圖10 Flowmaster紅區(qū)風(fēng)機(jī)1A、1B管網(wǎng)前段建模

圖11 Flowmaster紅區(qū)風(fēng)機(jī)2A、2B管網(wǎng)前段建模

3.3 風(fēng)機(jī)性能曲線的設(shè)置

風(fēng)機(jī)1A=1B：型號：NCDGB-4.5A， 額定功率：7.5 kW，額定流量：6 416 m3/h， 2 497 Pa(全壓升)，選型型號：4-72-13-No.4.5， 轉(zhuǎn)速：2 900 rpm。葉輪直徑：450 mm，進(jìn)風(fēng)口：φ450，出風(fēng)口：315 mm×360 mm，水力直徑φ336 mm。

圖12 Flowmaster紅區(qū)風(fēng)機(jī)3管網(wǎng)前段建模

圖13 風(fēng)機(jī)1A及1B參數(shù)及性能曲線

風(fēng)機(jī)2A=2B：型號：NCIAI-4.5A， 額定功率：5.5 kW，額定流量：1 839 m3/h， 4 580 Pa(全壓升)，選型型號：9-19-13-No.4.5， 轉(zhuǎn)速：2 900 rpm。葉輪直徑：450 mm，進(jìn)風(fēng)口：φ200，出風(fēng)口：104 mm×144 mm，水力直徑120.77 mm。

風(fēng)機(jī)3：型號：NCDGB-4.5A ，額定功率：5.5 kW，額定流量：6457 m3/h， 1 606 Pa(全壓升)，選型型號：4-72-13-No.4 ，轉(zhuǎn)速：2 900 rpm。葉輪直徑：400 mm，進(jìn)風(fēng)口：φ400，出風(fēng)口：280 mm×320 mm，水力直徑φ298.67 mm。

根據(jù)實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)中采用的風(fēng)機(jī)類型及型號，在Flowmaster中添加各風(fēng)機(jī)的性能曲線(如圖16所示)，不同風(fēng)機(jī)分別選擇相應(yīng)的風(fēng)機(jī)特性曲線。

圖14 風(fēng)機(jī)2A及2B參數(shù)及性能曲線

圖15 風(fēng)機(jī)3參數(shù)及性能曲線

圖16 風(fēng)機(jī)性能曲線設(shè)置

3.4 排風(fēng)系統(tǒng)中局部管件的設(shè)置

實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)包括多個(gè)局部管件，且受管路距離限制，局部管件入口流動多處于非充分發(fā)展流動。排風(fēng)系統(tǒng)中產(chǎn)生壓力損失的主要元件為風(fēng)機(jī)前端過濾器及閥門、風(fēng)機(jī)后端止回閥及閥門，需對這些元件進(jìn)行特殊設(shè)置。下面介紹本項(xiàng)目Flowmaster仿真中特殊元件及局部管件的具體設(shè)置。

(1)排風(fēng)廠房

在Flowmaster仿真中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，將全部排風(fēng)房間考慮為固定壓力源，其中各房間壓力設(shè)置為微負(fù)壓，表壓為-200 Pa，絕對壓力為101 125 Pa，考慮大氣壓為101 325 Pa。

(2)空氣過濾器

在Flowmaster仿真中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，將風(fēng)機(jī)前的過濾器考慮為恒壓差元件，定義其壓差不隨流量而變化，乏氣經(jīng)過過濾器產(chǎn)生壓差為200 Pa。

(3)止回閥

止回閥為在風(fēng)機(jī)后端管路中消耗風(fēng)機(jī)全壓升的最大元件，其特性根據(jù)CFD數(shù)值模擬、并參考試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，其中各風(fēng)機(jī)三個(gè)止回閥特性如圖17所示。

圖17 止回閥阻力元件及其特性曲線

(4)煙囪及排氣環(huán)境

煙囪管路系統(tǒng)為長距離漸縮管，對于氣體管路，其壓降明顯小于其他局部管件，尤其是止回閥管件。此外，當(dāng)存在溫度變化時(shí)，煙囪的特殊設(shè)計(jì)還會帶來一定的自吸力，帶動氣體的排出。本項(xiàng)目考慮等溫環(huán)境，將煙囪設(shè)置為高度為100 m的豎直向上漸縮變徑管，煙囪出口環(huán)境為100 m高度處大氣壓，設(shè)置其總壓為大氣壓(101 325 Pa，已經(jīng)考慮了實(shí)際高度帶來的靜壓影響變化)。煙囪的排氣出口為無窮大環(huán)境排氣，采用Flowmaster自帶阻力元件。該部分設(shè)置的如圖18所示。

圖18 煙囪及排氣環(huán)境原件

(5)非充分發(fā)展的三通及彎管

Flowmaster中自帶彎管及突縮等局部管件的阻力特性是針對于來流為充分發(fā)展的流動獲得，而本文中局部管件入口流動大多處于非充分發(fā)展流動。因此，在Flowmaster仿真中，重新定義了非充分發(fā)展彎頭壓降系數(shù)，如圖19所示。

圖19 三通及彎頭設(shè)置

(6)變徑管路

同樣地，對于變徑管路，針對非充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，重新定義Re<106時(shí)壓降系數(shù)為1。

圖20 漸變管路設(shè)置

(7)風(fēng)機(jī)前后閥門

風(fēng)機(jī)前后閥門，實(shí)際是系統(tǒng)中為蝶閥，按照壓降隨流速的變化關(guān)系，給出了前后閥門的阻力曲線(認(rèn)為閥門為阻力元件)，其性能曲線及設(shè)置如圖21所示。

圖21 風(fēng)機(jī)前后閥門設(shè)置

3.5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比

與實(shí)驗(yàn)測量工況相同，同樣共對7大組31個(gè)實(shí)驗(yàn)工況開關(guān)組合進(jìn)行了Flowmaster仿真。Flowmaster仿真與實(shí)驗(yàn)測量所得各測點(diǎn)的壓力結(jié)果(包括總壓及靜壓分布)對比見圖22、圖23所示。

圖22 工況1和工況3實(shí)驗(yàn)測量與Flowmaster仿真結(jié)果對比，風(fēng)機(jī)1A或1B打開，風(fēng)機(jī)2A、2B及風(fēng)機(jī)3關(guān)閉

圖22對比了工況1和工況3實(shí)驗(yàn)測量與Flowmaster仿真結(jié)果，工況1和工況3為風(fēng)機(jī)1A或1B打開，風(fēng)機(jī)2A、2B及風(fēng)機(jī)3均為關(guān)閉的工況，可以看出通過上述Flowmaster仿真的設(shè)置，能夠獲得與實(shí)驗(yàn)測量壓力分布(尤其是總壓分布)一致的結(jié)果，尤其是在測點(diǎn)3、4之間，由于止回閥的存在，使得壓力驟降，是風(fēng)機(jī)后端管路的壓力損失的主要元件。然而與實(shí)驗(yàn)中稍不一致的是壓力測點(diǎn)4的靜壓。由于壓力測點(diǎn)4布置于止回閥附近，當(dāng)?shù)鼐植抗軓酵豢s，氣體動能驟升，使得在實(shí)驗(yàn)測量中氣體經(jīng)過止回閥時(shí)，該點(diǎn)的靜壓為負(fù)壓，且低于該測點(diǎn)之后的壓力。在目前Flowmaster的設(shè)置中，將止回閥考慮為壓差阻力元件，并未考慮局部管徑的變化，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Flowmaster仿真結(jié)果略有不一致。但這一特性并不影響管路系統(tǒng)風(fēng)機(jī)特性與管路阻力特性的匹配及系統(tǒng)中的流量及總壓的計(jì)算結(jié)果。

圖23對比了工況4至工況12實(shí)驗(yàn)測量與Flowmaster仿真所得的靜壓和總壓分布。該系列工況為風(fēng)機(jī)3關(guān)閉，風(fēng)機(jī)1A和1B、風(fēng)機(jī)2A和2B進(jìn)行開關(guān)組合的工況，共計(jì)9組。同樣地，在該系列工況中，上述Flowmaster仿真的設(shè)置，能夠獲得與實(shí)驗(yàn)測量壓力分布(尤其是總壓分布)一致的結(jié)果。尤其是當(dāng)風(fēng)機(jī)1A或1B時(shí)與風(fēng)機(jī)2A或2B同時(shí)運(yùn)行，壓力測點(diǎn)3與4之間，由于止回閥的存在壓力驟降是風(fēng)機(jī)1A和1B之后管路中的壓力損失的主要元件，壓力測點(diǎn)5與6之間由于止回閥的存在壓力驟降，是風(fēng)機(jī)2A和2B之后管路中的壓力損失的主要元件。結(jié)果表明，建立Flowmaster仿真模型能夠較好地模擬實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)1和風(fēng)機(jī)2組合的工況。

盡管在某些測點(diǎn)的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量存在一定的偏差，但上述Flowmaster仿真的設(shè)置，仍能夠獲得與實(shí)驗(yàn)測量流量分布基本一致的結(jié)果。因此，可認(rèn)為建立Flowmaster仿真模型能夠較好地預(yù)測實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)中各工況的流量分布。

5 結(jié)論

從實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場測試結(jié)果和Flowmaster的詳細(xì)建模過程以及仿真結(jié)果分析中，我們得到如下結(jié)論：

(1)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)1(包括風(fēng)機(jī)1A與風(fēng)機(jī)1B)與它們下游干線處存在流量不守恒的現(xiàn)象，本文認(rèn)為該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可能存在一定程度的泄漏。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)2、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)3與下游支路和集中風(fēng)管流量基本滿足守恒關(guān)系。三組風(fēng)機(jī)開關(guān)組合對比測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明從流量角度來看各組風(fēng)機(jī)間的干擾很小，組內(nèi)風(fēng)機(jī)間存在一定的干擾，尤其是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)1中的1A和1B之間干擾較為明顯。

(2)因彎頭、三通、變徑與止回閥等阻力元件的存在，風(fēng)管靜壓分布存在上游壓力低于下游壓力的特性，以及局部負(fù)壓特性。動壓與靜壓之和——總壓則表現(xiàn)出上游高于下游的特性，基本符合能量守恒。在壓力方面風(fēng)機(jī)支路系統(tǒng)之間存在一定的相互影響關(guān)系。止回閥上下游存在很大的壓力損失，是該工廠風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要的阻力元件。

(3)Flowmaster的建模效率極高，在參數(shù)齊全的情況下，建模不需要花費(fèi)很長時(shí)間。Flowmaster的求解速度快，對于包含上百個(gè)部件的管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行一次穩(wěn)態(tài)分析的時(shí)間僅為數(shù)秒。通過Flowmaster仿真，可以在早期階段對多種方案進(jìn)行分析比較，獲得優(yōu)選方案，從而大量減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

(4)通過分析實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)布置，本文建立了適用于項(xiàng)目實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)的Flowmaster仿真模型。其中，實(shí)體排風(fēng)系統(tǒng)中管路的主要阻力來源于管路中的過濾器、閥門及局部管件等阻力元件。在建立相應(yīng)阻力元件的仿真模型時(shí)，需考慮來流為非充分發(fā)展來流的情況。

圖23 工況4至工況12實(shí)驗(yàn)測量與Flowmaster仿真結(jié)果對比