魏 剛，張 舟，尹俊植，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，室外風(fēng)道實(shí)現(xiàn)了對廠房所排廢氣的集中收集、輸運(yùn)與排放[1]。為了連接不同區(qū)位的廠房，室外風(fēng)道被設(shè)計(jì)為具有較多分支的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因此支路風(fēng)道之間的管路特性匹配問題，成為各廠房排風(fēng)設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素[2-6]。

對于分支管路，除了管路自身的沿程阻力特性之外，管路間連接結(jié)構(gòu)的局部阻力特性也是其管路特性的重要組成，影響支路間的流量分配[7]。傳統(tǒng)管路分析方法在研究此類問題時(shí)，通常采用一維假設(shè)和流動充分發(fā)展假設(shè)，無法有效考慮實(shí)際工程中的各局部阻力元件的非充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)特征[8]，所得的模擬預(yù)測結(jié)果往往與真實(shí)情況具有較大偏差[9]。因此，需要尋求其他方法準(zhǔn)確評估各阻力元件的實(shí)際阻力特性，并修正管路系統(tǒng)特性的模擬結(jié)果。

本文建立排風(fēng)系統(tǒng)室外風(fēng)道典型連接通道的縮比模型，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，并與Flowmaster仿真分析[10]的結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證[11]。除驗(yàn)證仿真分析程序的可靠性之外，本研究的目的是為模擬某大型目標(biāo)工程系統(tǒng)的工作特性，并進(jìn)一步研究多支路排風(fēng)系統(tǒng)的管網(wǎng)支路間相互影響規(guī)律。

1 縮比排風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

目標(biāo)工程排風(fēng)系統(tǒng)管道較長，空氣流動可以實(shí)現(xiàn)充分發(fā)展，因此選取較長的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行縮比實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)室的尺寸為：長20 m,寬3.5 m。為了滿足實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)室配備了高功率(22 kW)三相電源，并對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了粉刷與清理，避免粉塵等不可控因素干擾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文為最終解決多廠房集中排風(fēng)在多工況下的水力平衡問題提供依據(jù)。通過研究，弄清集中排風(fēng)的水力工況特性和各廠房風(fēng)機(jī)、風(fēng)壓對集中排風(fēng)的相互影響[9]，找到消除影響的技術(shù)措施，為室外集中排風(fēng)風(fēng)道布置、各廠房風(fēng)機(jī)、風(fēng)壓選型提供設(shè)計(jì)依據(jù)[10]，達(dá)到有效控制各廠房排風(fēng)之間的相互影響，保證多工況下各廠房排風(fēng)量符合設(shè)計(jì)要求的目的[11]。本文的總體目標(biāo)是建立實(shí)際排風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字模型，應(yīng)用數(shù)值模擬建立的可靠研究方法，研究實(shí)際目標(biāo)工程排風(fēng)系統(tǒng)的工作特性受不同運(yùn)行工況影響的規(guī)律，確立系統(tǒng)中各廠房排風(fēng)之間可能存在相互影響的有效控制措施。實(shí)際排風(fēng)系統(tǒng)尺寸大，因此采用縮比實(shí)驗(yàn)方法建立排風(fēng)系統(tǒng)模型進(jìn)行流動數(shù)據(jù)測量，驗(yàn)證上述確立的各廠房排風(fēng)影響控制措施的有效性。

1.2.1 總體設(shè)計(jì)

實(shí)際目標(biāo)工程總共擁有三條獨(dú)立支路，另外還有具備一條按季節(jié)運(yùn)行的吸氣支路，如圖1所示?？紤]到實(shí)際目標(biāo)工程管道特性，本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的縮比實(shí)驗(yàn)通風(fēng)系統(tǒng)?？s比實(shí)驗(yàn)的四條支路均使用一臺風(fēng)機(jī)，用于研究實(shí)際工程四條支路之間在多工況下的相互干擾情況。

圖1 實(shí)際目標(biāo)工程排風(fēng)系統(tǒng)示意圖

圖2 縮比實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)

1.2.2 實(shí)驗(yàn)工況

為了驗(yàn)證提出的排風(fēng)系統(tǒng)數(shù)字模型準(zhǔn)確性，同時(shí)研究4號抽風(fēng)風(fēng)機(jī)對三個(gè)支路的影響，本文設(shè)計(jì)了9個(gè)實(shí)驗(yàn)工況。各工況下風(fēng)機(jī)均處于額定轉(zhuǎn)速，各工況的區(qū)別在于三個(gè)支路的閥門開度(三個(gè)風(fēng)機(jī)閥門處于相同開度)，以及風(fēng)機(jī)4所在支路閥門的開度(全開、半開和全關(guān))。實(shí)驗(yàn)測試工況設(shè)計(jì)見表1，實(shí)驗(yàn)將得到設(shè)計(jì)閥門開度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速情況下的流量壓力等數(shù)據(jù)，可用于與仿真結(jié)果對比。其中，0°代表閥門關(guān)閉，90°時(shí)閥門全開。

表1 第一組縮比實(shí)驗(yàn)測試工況列表

為了進(jìn)一步研究各支路之間的相互干擾，本文設(shè)計(jì)了如表2所示的實(shí)驗(yàn)測試工況，實(shí)驗(yàn)給定各風(fēng)機(jī)所在支路流量，記錄風(fēng)機(jī)不同開啟順序下各支路閥門開度，從而分析它們之間的相互干擾關(guān)系。

表2 第二組縮比實(shí)驗(yàn)測試工況列表

另外，本文還研究了風(fēng)機(jī)不同開啟順序?qū)Ω髦妨髁康挠绊懬闆r，各個(gè)工況下閥門全開，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)測試工況設(shè)計(jì)見表3，實(shí)驗(yàn)將記錄各風(fēng)機(jī)的流量判斷開啟順序?qū)Ω髦返挠绊憽?/p>

表3 第三組縮比實(shí)驗(yàn)測試工況列表

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本小節(jié)將給出上述實(shí)驗(yàn)工況的記錄結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)給出平均數(shù)據(jù)，最后對平均數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3給出了第一組實(shí)驗(yàn)第1、4與7工況下風(fēng)機(jī)壓升的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果。三種工況的區(qū)別在于閥門4的開度不同，分別為90°、45°與0°?？梢钥闯鯲1=V2=V3=90°條件下1號風(fēng)機(jī)壓升幾乎一致。隨著閥門4的逐漸關(guān)閉，2號風(fēng)機(jī)與3號風(fēng)機(jī)壓升略有增加。上述現(xiàn)象表明抽風(fēng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行與否對各支路風(fēng)機(jī)壓升影響不大。另外，3號風(fēng)機(jī)壓升略高于2號風(fēng)機(jī)，盡管兩個(gè)風(fēng)機(jī)型號相同，這主要是由于3號風(fēng)機(jī)所在支路阻力略高于2號風(fēng)機(jī)所在支路造成的。

圖3 第一組實(shí)驗(yàn)第1、4與7工況風(fēng)機(jī)平均壓升

圖4給出了第一組實(shí)驗(yàn)第2、5與8工況下風(fēng)機(jī)壓升的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果。圖5給出了第一組實(shí)驗(yàn)第3、6與9工況下風(fēng)機(jī)壓升的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果。與1、4與7工況的區(qū)別在于三個(gè)支路風(fēng)機(jī)入口閥門開度的差異。1、4與7工況下支路閥門全開，2、5與8工況下支路閥門開度為60°，3、6與9工況下支路閥門開度為30°。通過圖6與圖7可以驗(yàn)證圖5的分析結(jié)果依然成立，即抽風(fēng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行與否對各支路風(fēng)機(jī)的壓升影響不大。另外對比圖4、圖5與圖6可以看出由于風(fēng)機(jī)上游吸入阻力的增加，各風(fēng)機(jī)所能提供的壓升減小。但是減小程度并非線性的，從90°關(guān)小至60°時(shí)壓升降低很小。從60°減小至30°時(shí)壓升降低較大。這主要是閥門過流面積與閥門開度呈非線性變化引起的。

圖4 第一組實(shí)驗(yàn)第2、5與8工況風(fēng)機(jī)平均壓升

圖5 第一組實(shí)驗(yàn)第3、6與9工況風(fēng)機(jī)平均壓升

圖6給出了第一組實(shí)驗(yàn)第1、4與7工況下風(fēng)機(jī)流量與出口總流量的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果。三種工況的區(qū)別在于閥門4的開度不同，分別為90°、45°與0°?？梢钥闯鯲1=V2=V3=90°條件下1號風(fēng)機(jī)流量幾乎一致。隨著閥門4的逐漸關(guān)閉，2號風(fēng)機(jī)與3號風(fēng)機(jī)流量略減小，系統(tǒng)的總流量也是略有減小。上述現(xiàn)象表明抽風(fēng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行與否對各支路風(fēng)機(jī)流量以及排風(fēng)系統(tǒng)總流量影響不大。3號風(fēng)機(jī)流量與2號風(fēng)機(jī)流量相差不大。隨著閥門4的開度逐漸減小風(fēng)機(jī)4流量逐漸減小，直至閥門4完全關(guān)閉風(fēng)機(jī)4不再開啟時(shí)流量為零。

圖6 第一組實(shí)驗(yàn)第1、4與7工況風(fēng)機(jī)平均流量

圖7給出了第一組實(shí)驗(yàn)第2、5與8工況下風(fēng)機(jī)流量的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果。圖8給出了第一組實(shí)驗(yàn)第3、6與9工況下風(fēng)機(jī)流量的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果。與1、4與7工況的區(qū)別在于三個(gè)支路風(fēng)機(jī)入口閥門開度的差異。1、4與7工況下支路閥門全開，2、5與8工況下支路閥門開度為60°，3、6與9工況下支路閥門開度為30°。通過圖7與圖8可以驗(yàn)證圖6的分析結(jié)果依然成立，即抽風(fēng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行與否對各支路風(fēng)機(jī)流量與排風(fēng)系統(tǒng)總流量影響不大。另外對比圖7、圖8與圖9可以看出由于風(fēng)機(jī)上游吸入阻力的增加，各風(fēng)機(jī)流量與系統(tǒng)總流量減小。由于閥門開度與過流面積呈非線性變化，各風(fēng)機(jī)流量與排風(fēng)系統(tǒng)總流量的減小過程也是非線性的。閥門從90°關(guān)小至60°時(shí)風(fēng)量減小很少。但是繼續(xù)關(guān)小至30°時(shí)風(fēng)量減小十分顯著。

圖7 第一組實(shí)驗(yàn)第2、5與8工況風(fēng)機(jī)平均流量

圖8 第一組實(shí)驗(yàn)第3、6與9工況風(fēng)機(jī)平均流量

圖9給出了第一組實(shí)驗(yàn)第1、4與7工況下典型阻力元件(彎頭、三通)上靜壓的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果。首先對比分析測點(diǎn)10與測點(diǎn)11的靜壓。可以看出三種工況下測點(diǎn)所在彎頭阻力幾乎相同，均消耗約20 Pa壓頭。接下來對比其他測點(diǎn)壓力?？傮w上，除了測點(diǎn)8靜壓幾乎不變，其他測點(diǎn)靜壓隨著支路閥門開度的減小而增加。當(dāng)閥門4全開時(shí)2號風(fēng)機(jī)所在支路部分流量被吸入抽風(fēng)風(fēng)機(jī)，因此工況1條件下測點(diǎn)6靜壓高于測點(diǎn)9。當(dāng)閥門開啟45°時(shí)2號風(fēng)機(jī)所在支路部分流量不再被吸入抽風(fēng)風(fēng)機(jī)，3號風(fēng)機(jī)部分流量反而要匯入2號風(fēng)機(jī)所在支路，因此工況4條件下測點(diǎn)6靜壓低于測點(diǎn)9。

圖9 第一組實(shí)驗(yàn)第1、4與7工況測點(diǎn)平均靜壓

圖10給出了第一組實(shí)驗(yàn)第2、5與8工況下測點(diǎn)靜壓的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果。圖11給出了第一組實(shí)驗(yàn)第3、6與9工況下測點(diǎn)靜壓的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果?？梢钥闯鲭S著各支路閥門開度的減小各個(gè)測點(diǎn)壓力表現(xiàn)出類似的發(fā)展規(guī)律。

圖10 第一組實(shí)驗(yàn)第2、5與8工況測點(diǎn)平均靜壓

圖11 第一組實(shí)驗(yàn)第3、6與9工況測點(diǎn)平均靜壓

圖12給出了第二組實(shí)驗(yàn)第1目標(biāo)工況下測點(diǎn)流量的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果。該工況的目標(biāo)風(fēng)量為Q1=500 m3/h、Q2=500 m3/h、Q3=670 m3/h、Q4=900 m3/h。實(shí)驗(yàn)過程按照1～4的順序反復(fù)調(diào)節(jié)閥門，使得各支路風(fēng)量達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)風(fēng)量。如圖11～圖13所示，首先對閥門1進(jìn)行了兩次調(diào)節(jié)(30°與31°)使得風(fēng)機(jī)1風(fēng)量達(dá)到490.4 m3/h，接近目標(biāo)風(fēng)量。其次對門閥2進(jìn)行了三次調(diào)節(jié)(45°、30°與35°)使得風(fēng)機(jī)2風(fēng)量達(dá)到494.2 m3/h，接近目標(biāo)風(fēng)量500 m3/h。隨后繼續(xù)調(diào)節(jié)3次閥門3(50°、45°與46°)使風(fēng)機(jī)3風(fēng)量達(dá)到656.4 m3/h，接近目標(biāo)風(fēng)量670 m3/h。最后調(diào)節(jié)兩次閥門4(40°與55°)使得風(fēng)機(jī)4風(fēng)量達(dá)到900.6 m3/h，接近目標(biāo)風(fēng)量900 m3/h。僅經(jīng)過一輪調(diào)節(jié)各支路風(fēng)量為Q1=504.2 m3/h、Q2=498.8 m3/h、Q3=649.8 m3/h、Q4=900.6 m3/h，與目標(biāo)風(fēng)量十分接近。

圖12 第二組實(shí)驗(yàn)第1目標(biāo)工況測點(diǎn)平均流量

接下來研究風(fēng)機(jī)4開啟時(shí)調(diào)節(jié)各支路風(fēng)量調(diào)節(jié)對其他支路風(fēng)量的干擾情況。圖13～圖16給出了各閥門1、閥門2、閥門3與閥門4調(diào)節(jié)對各支路風(fēng)量的影響情況。可以看出各閥門的調(diào)節(jié)僅影響其所在支路風(fēng)量，幾乎不影響其他支路風(fēng)量，因此僅進(jìn)行一輪調(diào)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)風(fēng)量。

圖13 第二組實(shí)驗(yàn)第1目標(biāo)工況閥門1調(diào)節(jié)對各支路風(fēng)量影響

圖14 第二組實(shí)驗(yàn)第1目標(biāo)工況閥門2調(diào)節(jié)對各支路風(fēng)量影響

圖15 第二組實(shí)驗(yàn)第1目標(biāo)工況閥門3調(diào)節(jié)對各支路風(fēng)量影響

圖16 第二組實(shí)驗(yàn)第1目標(biāo)工況閥門4調(diào)節(jié)對各支路風(fēng)量影響

圖17給出了第二組實(shí)驗(yàn)第2目標(biāo)工況下測點(diǎn)流量的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果。該工況下4號抽風(fēng)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，4號閥門完全關(guān)閉。該工況的目標(biāo)風(fēng)量為Q1=500 m3/h、Q2=500 m3/h、Q3=670 m3/h、Q4=0 m3/h。實(shí)驗(yàn)過程按照1～3的順序反復(fù)調(diào)節(jié)閥門，使得各支路風(fēng)量達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)風(fēng)量。如圖17所示，首先對閥門1進(jìn)行了兩次調(diào)節(jié)(25°與31°)使得風(fēng)機(jī)1風(fēng)量達(dá)到4 500.8 m3/h，接近目標(biāo)風(fēng)量。其次對門閥2進(jìn)行了三次調(diào)節(jié)(45°、30°與36°)使得風(fēng)機(jī)2風(fēng)量達(dá)到500 m3/h，與目標(biāo)風(fēng)量500 m3/h完全相符。隨后對閥門3進(jìn)行了1次調(diào)節(jié)(47°)使風(fēng)機(jī)3風(fēng)量達(dá)到667.2 m3/h，接近目標(biāo)風(fēng)量670 m3/h。繼續(xù)對閥門2進(jìn)行微調(diào)(34°)使得風(fēng)機(jī)2風(fēng)量達(dá)到493.8 m3/h，與目標(biāo)風(fēng)量500 m3/h接近。繼續(xù)調(diào)節(jié)閥門1(28°)，使得風(fēng)機(jī)1風(fēng)量達(dá)到499.6 m3/h，與目標(biāo)風(fēng)量500 m3/h接近。經(jīng)過兩輪調(diào)節(jié)各支路風(fēng)量為Q1=499.6 m3/h、Q2=494.2 m3/h、Q3=671 m3/h、Q4=0 m3/h與目標(biāo)風(fēng)量十分接近。

圖17 第二組實(shí)驗(yàn)第2目標(biāo)工況測點(diǎn)平均流量

接下來研究風(fēng)機(jī)4關(guān)閉時(shí)調(diào)節(jié)各支路風(fēng)量調(diào)節(jié)對其他支路風(fēng)量的干擾情況。圖18～圖21給出了各閥門1、閥門2與閥門3第一輪調(diào)節(jié)以及閥門2和閥門1第二輪調(diào)節(jié)對各支路風(fēng)量的影響情況?？梢钥闯龈鏖y門的調(diào)節(jié)僅改變其所在支路風(fēng)量，幾乎不影響其他支路風(fēng)量，因此僅進(jìn)行一輪調(diào)節(jié)與一輪微調(diào)就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)風(fēng)量。

圖18 第二組實(shí)驗(yàn)第2目標(biāo)工況閥門1第一輪調(diào)節(jié)對各支路風(fēng)量影響

圖19 第二組實(shí)驗(yàn)第2目標(biāo)工況閥門2第一輪調(diào)節(jié)對各支路風(fēng)量影響

圖20 第二組實(shí)驗(yàn)第2目標(biāo)工況閥門3第一輪調(diào)節(jié)對各支路風(fēng)量影響

圖21 第二組實(shí)驗(yàn)第2目標(biāo)工況閥門2和閥門1第二輪調(diào)節(jié)對各支路風(fēng)量影響

圖22給出了第二組實(shí)驗(yàn)第1目標(biāo)工況與第2目標(biāo)工況不同閥門開度下風(fēng)量對比。兩個(gè)工況下風(fēng)機(jī)1、風(fēng)機(jī)2與風(fēng)機(jī)3的目標(biāo)風(fēng)量均為Q1=500 m3/h、Q2=500 m3/h、Q3=670 m3/h。兩個(gè)工況的差別在于風(fēng)機(jī)4的開啟與否。由于各支路排風(fēng)相互干擾較小，當(dāng)抽風(fēng)風(fēng)機(jī)開始工作時(shí)3條支路閥門僅需微調(diào)：閥門1開度從28°增至31°，閥門2開度從34°增至35°，閥門3開度從47減至46°。

圖22 第二組實(shí)驗(yàn)第1目標(biāo)工況與第2目標(biāo)工況不同閥門開度下風(fēng)量對比

圖23給出了第三組實(shí)驗(yàn)第1～6工況下測點(diǎn)流量的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果。第1～6工況下風(fēng)機(jī)4開啟，閥門4全開。區(qū)別在于風(fēng)機(jī)1～3的開啟順序?？梢钥闯?，排風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作后各測點(diǎn)風(fēng)量不隨風(fēng)機(jī)開啟順序的變化而變化。因此可知該排風(fēng)縮比模型系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)開啟順序不會干擾各支路風(fēng)機(jī)的工作。

圖23 第三組實(shí)驗(yàn)第1～6工況測點(diǎn)平均流量

圖24給出了第三組實(shí)驗(yàn)第7～12工況下測點(diǎn)流量的統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果。第7～12工況下風(fēng)機(jī)4關(guān)閉，閥門4全關(guān)。它們的區(qū)別也在于風(fēng)機(jī)1～3的開啟順序?？梢钥闯?，排風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作后各測點(diǎn)風(fēng)量不隨風(fēng)機(jī)開啟順序的變化而變化。因此可以再次確定該排風(fēng)縮比模型系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)開啟順序不會干擾各支路風(fēng)機(jī)的工作。

圖24 第三組實(shí)驗(yàn)第7～12工況測點(diǎn)平均流量

由縮比排風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

第一組固定閥門開度條件下研究抽風(fēng)風(fēng)機(jī)對三個(gè)支路的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于管路阻力較小抽風(fēng)風(fēng)機(jī)的開啟與否以及開度對三個(gè)支路的影響不大，主要體現(xiàn)在三個(gè)支路的風(fēng)量以及風(fēng)機(jī)壓升的改變均不顯著。第二組給定各支路風(fēng)機(jī)目標(biāo)風(fēng)量條件下研究閥門開度變化對其他支路的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于管路阻力較小單支路閥門調(diào)節(jié)對其他支路風(fēng)機(jī)風(fēng)量的影響較弱，抽風(fēng)風(fēng)機(jī)開啟時(shí)僅需要一輪調(diào)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)風(fēng)量，抽風(fēng)風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)需要第二輪微調(diào)即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)風(fēng)量。第三組固定閥門開度條件下研究風(fēng)機(jī)開啟順序?qū)θ齻€(gè)支路的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論抽風(fēng)風(fēng)機(jī)開啟與否，三個(gè)支路風(fēng)機(jī)的開啟順序均不影響最終各支路風(fēng)量。

2 縮比排風(fēng)系統(tǒng)Flowmaster模擬仿真

2.1 Flowmaster建模過程

針對排風(fēng)管網(wǎng)系統(tǒng)，本文的Flowmaster建模及仿真流程如圖25所示。

圖25 目標(biāo)工程Flowmaster仿真計(jì)算流程圖

整體建模情況見圖26。

圖26 縮比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Flowmaster建模

2.2 風(fēng)機(jī)特性曲線

風(fēng)機(jī)是排風(fēng)管網(wǎng)的主要供能元件。本文研究對象包含九個(gè)子項(xiàng)共13個(gè)接口，所有子項(xiàng)均排風(fēng)時(shí)，共計(jì)28臺風(fēng)機(jī)同時(shí)工作，14臺備用；由于各子項(xiàng)設(shè)計(jì)風(fēng)量和管路特性不同，所需風(fēng)機(jī)性能也不同，本項(xiàng)目共計(jì)采用12個(gè)不同型號的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)型號及其對應(yīng)性能曲線如圖27所示。

圖27 目標(biāo)工程各風(fēng)機(jī)的性能曲線匯總

2.3 閥門特性曲線

閥門是排風(fēng)管網(wǎng)風(fēng)量調(diào)節(jié)及防止乏氣回流的關(guān)鍵部件，也是管網(wǎng)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)管網(wǎng)阻力的主要元件。本項(xiàng)目各子項(xiàng)中過濾器前后端、風(fēng)機(jī)前后端以及乏氣排往室外管道前均設(shè)置相應(yīng)的閥門(包括手動密閉調(diào)節(jié)閥、電動密閉調(diào)節(jié)閥及止回閥)進(jìn)行管網(wǎng)阻力特性的調(diào)節(jié)。圖28給出了不同型號閥門的阻力特性曲線。同樣地，在Flowmaster中建立不同型號閥門的阻力特性曲線，以便后續(xù)Flowmaster管網(wǎng)系統(tǒng)建模時(shí)選取。另外，甲方所提供閥門阻力元件的阻力特性均為在閥門全開條件下，缺少閥門在不同開度下的阻力特性，在Flowmaster建模中，設(shè)置阻力元件來實(shí)現(xiàn)閥門調(diào)節(jié)對管網(wǎng)阻力系統(tǒng)的影響，其阻力特性表示為ΔP=SQ2，式中：Q為管網(wǎng)風(fēng)量；ΔP為壓差，S為閥門阻力系數(shù)，其反映閥門的不同開度，在Flowmaster建模中設(shè)置為從0.5至60之間變動。

圖28 目標(biāo)工程閥門阻力特性匯總

2.4 仿真結(jié)果分析

此工況下，各支路流量及壓力測點(diǎn)的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，見表4至表7?？梢钥闯?，工況1的流量的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近，平均相對誤差3.7%；工況2的流量的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均誤差約為7.9%；兩個(gè)工況下，壓力的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均誤差約為8.5%。

表4 工況1各支路流量仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

表5 工況1壓力測點(diǎn)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

表6 工況2各支路流量仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

表7 工況2壓力測點(diǎn)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

上述誤差來源可能為：(1)Flowmaster建模時(shí)忽略了德爾塔巴流量計(jì)和全開閥門的阻力特性；(2)實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)的進(jìn)出口條件受環(huán)境影響可能會有輕微波動；(3)Flowmaster作為一維系統(tǒng)模擬軟件，其自帶的元件特性只能在一定誤差范圍內(nèi)反映流量、壓力特性，但無法完全精確地模擬?？傮w來說，盡管二者之間還存在一定誤差，但在上述簡化模型下Flowmaster仍較準(zhǔn)確地模擬了縮比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)特性與管路特性的匹配。

從關(guān)閉風(fēng)機(jī)4時(shí)對另外三個(gè)支路的影響來看，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢是一致的。圖29和圖30顯示了由工況1切換到工況2時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的流量變化情況?？梢钥闯?，由于支路1遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)4，因此切換到工況2時(shí)(即關(guān)閉風(fēng)機(jī)4)，支路1的流量幾乎不變；而支路2和支路3靠近風(fēng)機(jī)4，因此流量下降。這從表4和表7也能看出，由工況1切換到工況2，位于支路1的壓力測點(diǎn)1的壓力值變化很??；而位于支路2的壓力測點(diǎn)2和位于支路3和壓力測點(diǎn)3的壓力出現(xiàn)一定的變化。這說明在關(guān)閉風(fēng)機(jī)4時(shí)，對于靠近風(fēng)機(jī)4的支路有一定的影響，而遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)4的支路幾乎不受影響。

圖29 工況1切換到工況2時(shí)實(shí)驗(yàn)測得的流量

圖30 工況1切換到工況2時(shí)仿真得到的流量

縮比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的Flowmaster仿真結(jié)果表明，工況1的流量仿真值與實(shí)驗(yàn)值平均相對誤差3.7%；工況1的流量仿真值與實(shí)驗(yàn)值平均相對誤差約為7.9%；兩個(gè)工況下，壓力的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均誤差約為8.5%。總體來說，盡管二者之間還存在一定誤差，但在簡化模型下Flowmaster仍較準(zhǔn)確地模擬了縮比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)特性與管路特性的匹配。另外，從關(guān)閉風(fēng)機(jī)4時(shí)對另外三個(gè)支路的影響來看，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢是一致的。在關(guān)閉風(fēng)機(jī)4時(shí)，對于靠近風(fēng)機(jī)4的支路有一定的影響，而遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)4的支路幾乎不受影響。

3 結(jié)論

根據(jù)縮比排風(fēng)實(shí)驗(yàn)測試和Flowmaster系統(tǒng)仿真的結(jié)果，可歸納出以下結(jié)論：

(1)縮比實(shí)驗(yàn)排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，滿足相似原理的尺寸相似準(zhǔn)則與動力相似準(zhǔn)則，包含兩個(gè)連通的支路、一個(gè)獨(dú)立支路以及聯(lián)通支路上并聯(lián)的抽風(fēng)支路構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)工程相似的功能，用以研究目標(biāo)工程支路間的相互影響。

(2)縮比實(shí)驗(yàn)排風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，固定閥門開度時(shí)，由于管路阻力較小，抽風(fēng)風(fēng)機(jī)的開啟與否以及開度對三個(gè)支路的影響較??；固定閥門開度時(shí)，三個(gè)支路風(fēng)機(jī)的開啟順序均不影響最終各支路風(fēng)量；固定各支路風(fēng)機(jī)的風(fēng)量時(shí)，單支路閥門調(diào)節(jié)對其他支路風(fēng)機(jī)風(fēng)量的影響較弱。這些結(jié)論可以為目標(biāo)工程系統(tǒng)的調(diào)節(jié)提供思路。

(3)Flowmaster一維系統(tǒng)仿真結(jié)果顯示，管路的主要阻力來源于各子項(xiàng)內(nèi)部的過濾器、加熱器、閥門及局部管件等阻力元件。Flowmaster一維系統(tǒng)仿真，可以有效對排風(fēng)系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行系統(tǒng)級分析，模擬所得現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。結(jié)果表明，在簡化模型下，F(xiàn)lowmaster能較準(zhǔn)確地模擬縮比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)特性與管路特性的匹配。