郭月姣，顧 忱，周 琢，馮國增

（江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

空調(diào)箱主要由過濾段、表冷段、加熱段以及加濕段等空氣處理部件組成，現(xiàn)有空調(diào)箱風(fēng)機(jī)出口空氣流速極大，一般達(dá)到12～18 m/s，強(qiáng)烈的氣體射流對(duì)過濾段空氣過濾器的沖擊作用會(huì)嚴(yán)重?fù)p害其使用壽命。因此，常在空調(diào)箱中設(shè)置均流孔板以提高氣流分布的均勻性，達(dá)到保護(hù)過濾器的目的，但是現(xiàn)有空調(diào)箱仍存在入口氣流分布不均勻、過濾器使用效率偏低以及使用壽命短暫等現(xiàn)象。

侯文龍等[1]對(duì)下進(jìn)風(fēng)內(nèi)濾式袋式除塵器有無導(dǎo)流板時(shí)除塵器內(nèi)的壓力場、流場、粒子軌跡和流線分布等進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析結(jié)果顯示，添加導(dǎo)流板后，氣流分布得到改善，速度變化均勻；張?jiān)降萚2]通過CFD對(duì)高效過濾器的內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬分析，通過改變均流板的安裝高度，統(tǒng)計(jì)高效過濾器的入口流速，得出特定尺寸的均流板安裝高度對(duì)入口速度分布的影響；張哲等[3]利用數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)下進(jìn)風(fēng)過濾器進(jìn)行模擬試驗(yàn)，模擬其內(nèi)流場的變化并進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果表明：增設(shè)孔板并將進(jìn)口管改為漸擴(kuò)管后，氣流均勻性得到了很大的提高。陳得勝等[4]提出了一種導(dǎo)流板和均流板的布置方案，運(yùn)用CFD方法進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明添加了導(dǎo)流板和均流板布置后，內(nèi)部流場的均勻性得到了明顯改善。馬修元等[5]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法，研究孔板開孔率對(duì)流場分布的特性。

然而，這些研究對(duì)均流板結(jié)構(gòu)參數(shù)研究不全面，未考慮均流板的實(shí)際結(jié)構(gòu)，因此有必要對(duì)均流板各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)流場影響做進(jìn)一步的詳細(xì)分析。本文以空調(diào)箱均流板為研究對(duì)象，研究空調(diào)箱均流板的各設(shè)計(jì)參數(shù)（導(dǎo)流板出口與孔板距離、孔板孔的大小、孔板孔間距）對(duì)空氣均流能力的影響。由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，采取CFD數(shù)值模擬的方式進(jìn)行。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

所研究內(nèi)容僅為風(fēng)機(jī)氣流通過孔板后的氣流組織均勻性，故可將空調(diào)箱整體模型簡化，僅保留風(fēng)機(jī)出口導(dǎo)流板部分、孔板部分和空調(diào)箱外殼部分。由Solidworks建立的模型如圖1所示。

圖1 空調(diào)箱模型圖

空調(diào)箱風(fēng)機(jī)導(dǎo)流板截面矩形尺寸為750 mm×750mm，長度為125mm?？照{(diào)箱箱體部分截面矩形尺寸為2200mm×1804mm，整體長度為2000mm。本文試驗(yàn)的空調(diào)箱中，選用SYQ560K型號(hào)的風(fēng)機(jī)，風(fēng)量24770m3/h，出口風(fēng)速為13.46m/s。

2.2 數(shù)學(xué)模型

空調(diào)箱內(nèi)部為復(fù)雜的三維湍流流場，數(shù)值計(jì)算時(shí)假設(shè)流場為等溫定常流動(dòng)，流體不可壓縮，湍流模型選取常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來模擬內(nèi)部流體流動(dòng)，連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k方程以及

設(shè)置入口邊界條件為速度入口，速度大小設(shè)置為風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速13.46 m/s；出口設(shè)置為壓力邊界條件，取大氣壓力；壁面邊界為無滑移壁面。

2.3 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

本文試驗(yàn)?zāi)康氖翘骄靠諝馔ㄟ^孔板后氣流組織的均勻性，即了解截面上氣流速度或者壓力的變化情況，因此，以空調(diào)箱截面的平均速度梯度作為試驗(yàn)的對(duì)比指標(biāo)。由于空調(diào)箱截面較大，求解整個(gè)截面的平均速度梯度難以實(shí)現(xiàn)，所以可在截面選取測點(diǎn)求解其平均值代替整個(gè)截面的平均梯度?？紤]現(xiàn)有空調(diào)箱過濾器安裝位置多位于風(fēng)機(jī)出流后約1 m的位置，本文選取測點(diǎn)所在截面即為導(dǎo)流板直線距離1 mm?？紤]孔板的均流作用，測點(diǎn)布置如圖2所示。先設(shè)置出3條標(biāo)準(zhǔn)線，中間標(biāo)準(zhǔn)線設(shè)置于空調(diào)箱縱向中線，上下2條標(biāo)準(zhǔn)線與中間標(biāo)準(zhǔn)線的距離均為600 mm，此3條標(biāo)準(zhǔn)線可分別探究孔板中間出流和孔板兩側(cè)空調(diào)箱內(nèi)流體域出流的梯度。在每條標(biāo)準(zhǔn)線上設(shè)置5個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)15個(gè)測點(diǎn)，利用15個(gè)測點(diǎn)的速度梯度平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。相鄰測點(diǎn)間距約367 mm。同時(shí)可為截面測點(diǎn)進(jìn)行命名，順序?yàn)閺淖蟮接?、從上到下的?biāo)號(hào)。

圖2 測點(diǎn)布置截面分布圖（單位：mm）

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文主要研究空調(diào)箱均流板均流效果的影響因素和影響水平，如果按照傳統(tǒng)對(duì)照試驗(yàn)，勢必會(huì)產(chǎn)生很大的工作量。因此，本文對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是日本著名的統(tǒng)計(jì)學(xué)家田口玄一提出的一種可高效尋求較優(yōu)因素水平組合的設(shè)計(jì)方法[7]，其設(shè)計(jì)理念是在試驗(yàn)因素的全部水平組合中，挑選出代表性強(qiáng)的少數(shù)組合方案，通過分析部分試驗(yàn)結(jié)果來了解全面試驗(yàn)情況，找出最優(yōu)水平組合[8]。

主要針對(duì)調(diào)箱導(dǎo)流板出口與孔板距離、孔板孔的大小、孔板孔間距3個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究。以陳二松等[9]研究的參數(shù)選擇以及水平?jīng)Q定方案為依據(jù)，從實(shí)際研究以及差異性2方面考慮。擬選取的均流板孔徑面積參數(shù)分別為80 mm2、100 mm2和120 mm2，選取孔間距參數(shù)為15 mm、16 mm、17 mm、18 mm和19 mm；選取進(jìn)風(fēng)口距離參數(shù)分別為120 mm、125 mm、130 mm、135 mm和140 mm?？装彘_孔按照正方形排列，其平面圖中心與進(jìn)風(fēng)口平面正方形同軸。

綜上所述，本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)為3因素5水平的正交試驗(yàn)，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理以及所需要考慮的影響因素項(xiàng)目和水平，可設(shè)計(jì)出模擬試驗(yàn)的參考正交表。如表1所示，共設(shè)計(jì)出25種試驗(yàn)工況，需進(jìn)行25次模擬試驗(yàn)。

表1 正交試驗(yàn)表

4 結(jié)果分析

4.1 模擬結(jié)果分析

以試驗(yàn)1為例進(jìn)行模擬結(jié)果速度云圖分析，選取y＝1 m（一般空調(diào)箱過濾器安裝距離即為1 m）截面，如圖3所示，高速氣流在由風(fēng)機(jī)導(dǎo)流板的狹小空間流入到空調(diào)箱的大空間時(shí)，速度會(huì)有一定的衰減，但由于風(fēng)機(jī)導(dǎo)流板較短，截面突擴(kuò)阻力較小，且風(fēng)機(jī)出口為氣體射流，所以速度變化不明顯。在氣流流過孔板后，孔板的阻力作用使得流體流速大幅降低。同時(shí)，由于部分氣體流經(jīng)孔板兩側(cè)狹縫處，根據(jù)連續(xù)性方程，速度變大，但是狹縫后為空調(diào)箱的大空間，速度隨后降低。

圖3 y ＝1 m 時(shí)試驗(yàn)1速度云圖

對(duì)模擬后的結(jié)果進(jìn)行處理，查看25組試驗(yàn)下導(dǎo)流板后1 m處截面的速度梯度，如圖4所示，可以看出，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)導(dǎo)流板的速度均勻性影響很大：試驗(yàn)1（孔面積為80 mm2，孔間距為15 mm，進(jìn)風(fēng)距離為120 mm）的速度梯度最大，為1.13 s?1，試驗(yàn)12（孔面積為120 mm2，孔間距為17 mm，進(jìn)風(fēng)距離為140 mm）時(shí)速度梯度為0.004 s?1。采用試驗(yàn)12的結(jié)構(gòu)參數(shù)速度均勻性較好。

4.2 多因素方差分析

圖4 各試驗(yàn)下測點(diǎn)平均的速度梯度圖

表2 正交試驗(yàn)的Minitab數(shù)據(jù)輸出

當(dāng)有2個(gè)以及2個(gè)以上的因素會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響時(shí)，需要利用多因素方差分析的方法來對(duì)所選擇的影響因素進(jìn)行定量分析。通過假設(shè)檢驗(yàn)的過程來判斷所選的影響因素是否顯著，主要指標(biāo)為F值和P值。由于方差分析計(jì)算量較大，且手工計(jì)算容易出現(xiàn)差錯(cuò)，所以采用Minitab軟件協(xié)助計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2。面積自由度為2，進(jìn)風(fēng)距離自由度為4，孔間距自由度為4，誤差自由度為14。根據(jù)因子自由度和誤差自由度的數(shù)目，可查得α為10%和75%時(shí)的F值分布，得到臨界F值為：F0.1(2,14)＝2.73，F(xiàn)0.1(4,14)＝2.39，F(xiàn)0.25(2,14)＝1.53，F(xiàn)0.25(4,14)＝1.52。通過比較各項(xiàng)因子所對(duì)應(yīng)的F值和臨界F值可以看出：進(jìn)風(fēng)距離的F值2.52＞2.39，孔間距的F＞1.52。由此可以稱，有90%的置信度可以認(rèn)為進(jìn)風(fēng)距離對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)有顯著的影響，有75%的置信度可以認(rèn)為孔間距對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)有顯著影響，而孔板小孔面積的變化對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)影響并不顯著。如圖5所示，進(jìn)風(fēng)距離對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)的影響最為明顯。

圖5 正交試驗(yàn)因素效應(yīng)影響條形圖

5 結(jié)論

針對(duì)某工業(yè)正在使用的空調(diào)箱進(jìn)行均流板的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)25組試驗(yàn)，后用CFD模擬法對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，得出主要結(jié)論如下：

1）對(duì)數(shù)值模擬出的結(jié)果進(jìn)行分析，以速度梯度均勻性為評(píng)判指標(biāo)，得到了進(jìn)風(fēng)距離是影響孔板均流效果的最顯著影響因素。

2）通過對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)速度梯度的耦合影響分析，可得參數(shù)組合為小孔面積120 mm2、進(jìn)風(fēng)距離140 mm、孔間距17 mm時(shí)，速度梯度數(shù)值最小，均流效果最明顯。