王鳳超 高 杰 張利瑤 汪虎明 王利軍 陳文滔

（1.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州，221116；2.江蘇精亞集團(tuán)有限公司，江蘇無錫，214466）

隨著紡織業(yè)的不斷發(fā)展，我國形成了高度集中的大規(guī)模紡織生產(chǎn)模式。此種模式下，紡織車間的空間較大，單個車間的設(shè)計(jì)規(guī)模常在8 萬錠以上［1］，單側(cè)送風(fēng)距離可達(dá)80 m［2］，送風(fēng)距離遠(yuǎn)、送風(fēng)流量大對空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求很高。目前，包括紡織車間的大空間工業(yè)廠房空調(diào)系統(tǒng)均采用全面空調(diào)系統(tǒng)，在溫度調(diào)控和節(jié)約能源方面取得了較好的效果。

為進(jìn)一步優(yōu)化大空間工業(yè)廠房的空調(diào)系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。SIMMONDS P等［3］通過理論分析及現(xiàn)場實(shí)測研究了高大空間分層空調(diào)技術(shù)，通過優(yōu)化風(fēng)口參數(shù)的方式提高了運(yùn)行節(jié)能及熱舒適性。張翔［4］結(jié)合三峽電站主廠房發(fā)電機(jī)層空調(diào)熱態(tài)模型試驗(yàn)對高大空間空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究。楊露露［5］根據(jù)相似理論建立廠房模型并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：送風(fēng)速度和送風(fēng)口直徑對空氣分布特性有明顯影響。孫燕［6］采用CFD 數(shù)值模擬方法研究了高大中庭空調(diào)氣流組織的熱舒適性，并研究了送風(fēng)角度和方式對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。劉曉雨等［7］對大空間的航站樓候機(jī)廳進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明航站樓中圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成的冷負(fù)荷占比較小且頂部不能設(shè)置排風(fēng)口。梁超等［8］以航站樓等高大空間為例進(jìn)行分析，獲得了高大空間內(nèi)更為詳細(xì)的參數(shù)分布，并根據(jù)能量平衡關(guān)系獲得高大空間負(fù)荷減小的規(guī)律。趙楠楠等［9］分析了紡織軸流風(fēng)機(jī)在多風(fēng)機(jī)并聯(lián)情況下的風(fēng)機(jī)性能參數(shù)變化規(guī)律，得出多風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的設(shè)計(jì)、運(yùn)行規(guī)律及優(yōu)化方法，使送風(fēng)系統(tǒng)高效安全運(yùn)行。耿宇等［10］通過改變工業(yè)廠房送風(fēng)口的高度和送風(fēng)角度，發(fā)現(xiàn)風(fēng)口高或送風(fēng)角度向上可以有較遠(yuǎn)的送風(fēng)距離，但是工作區(qū)顆粒物濃度高，而較高風(fēng)口選擇向下送風(fēng)角度工作區(qū)顆粒物濃度大幅降低。

上述研究從空調(diào)結(jié)構(gòu)和送風(fēng)方式角度給出了優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的建議，但缺乏對送風(fēng)口阻力系數(shù)的研究，也未對管道送風(fēng)均勻性進(jìn)行探索，限制了空調(diào)系統(tǒng)性能的進(jìn)一步優(yōu)化。因此，本研究基于設(shè)計(jì)的送風(fēng)管道及送風(fēng)口的結(jié)構(gòu)尺寸，建立三維數(shù)值模型，并以實(shí)際送風(fēng)量為計(jì)算邊界條件，開展送風(fēng)過程數(shù)值計(jì)算，分析送風(fēng)葉片的開度對送風(fēng)口阻力系數(shù)的影響，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)送風(fēng)葉片開度，實(shí)現(xiàn)大空間紡織車間管道送風(fēng)的均勻性。

1 送風(fēng)口阻力系數(shù)研究

1.1 數(shù)值建模

送風(fēng)口結(jié)構(gòu)取自江蘇精亞集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)的全面空調(diào)系統(tǒng)，由送風(fēng)主管和送風(fēng)口組成。如圖1 所示，送風(fēng)主管內(nèi)設(shè)置與送風(fēng)口平滑過渡的入口過渡片，送風(fēng)口內(nèi)設(shè)置梯形分流板和角度可調(diào)送風(fēng)葉片。為等比例還原送風(fēng)結(jié)構(gòu)，本研究的仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)與精亞集團(tuán)的實(shí)物保持一致，送風(fēng)口主管的尺寸為2.0 m×1.0 m×0.8 m，送風(fēng)口的尺寸為0.970 m×0.205 m×0.620 m。此外，送風(fēng)口內(nèi)設(shè)置為7 個梯形分流板，固定不能活動；送風(fēng)口內(nèi)設(shè)置為1 個送風(fēng)葉片，角度可180°調(diào)節(jié)。

圖1 送風(fēng)口結(jié)構(gòu)圖

為模擬實(shí)際工作狀態(tài)下的管道送風(fēng)狀態(tài)，主管入口的邊界條件設(shè)置為速度入口，風(fēng)速由工業(yè)實(shí)際送風(fēng)量和入口尺寸確定，因此，入口風(fēng)速確定為3.5 m/s。送風(fēng)口的邊界條件設(shè)置為壓力出口，壓力值選取為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。湍流模型使用kepsilon模型，壁面函數(shù)使用SWF 函數(shù)，壓力-速度耦合使用SIMPLE 算法，各項(xiàng)殘差設(shè)置為10e-4。

1.2 模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 阻力系數(shù)的計(jì)算方法

送風(fēng)葉片開度為90 °的送風(fēng)口氣流速度云圖如圖2 所示。氣流進(jìn)入送風(fēng)口后，先經(jīng)過整流板，局部速度增加，進(jìn)而穿過送風(fēng)葉片，速度均勻性提高，送風(fēng)口內(nèi)的氣流速度范圍在3.2 m/s～3.8 m/s。此外，送風(fēng)主管氣流全部進(jìn)入送風(fēng)口，主管右側(cè)處于無風(fēng)區(qū)。

圖2 送風(fēng)口氣流速度云圖

為計(jì)算送風(fēng)口的阻力系數(shù)，需要在主管入口和送風(fēng)口出口取1-1 和2-2 兩個緩變流截面，列出氣體的伯努利方程，如式（1）所示。其中，局部損失項(xiàng)hw可由公式（2）計(jì)算。

式中：p1、p2分別是1-1 和2-2 緩變流截面的壓強(qiáng)，v1、v2分別是1-1和2-2兩個緩變流截面的氣流速度，g是重力加速度，ρ是空氣密度，ξ為阻力系數(shù)。

根據(jù)公式（1）和公式（2），結(jié)合數(shù)值模擬得到的兩個緩變流截面的速度，可以計(jì)算得到送風(fēng)葉片開度為90 °時，送風(fēng)口阻力系數(shù)為1.44。

1.2.2 雷諾數(shù)對阻力系數(shù)的影響

以不同送風(fēng)速度為邊界條件，對送風(fēng)葉片開度為90 °的送風(fēng)口進(jìn)行了多組數(shù)值模擬。計(jì)算統(tǒng)計(jì)了不同速度（即雷諾數(shù)）條件下阻力系數(shù)的變化數(shù)值，如圖3 所示。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷諾數(shù)較小時，阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而減小；當(dāng)雷諾數(shù)較大時，阻力系數(shù)的降低幅度減小。整體來看，在雷諾數(shù)大幅增加的情況下，阻力系數(shù)只減小了約0.4，表明雷諾數(shù)對阻力系數(shù)幾乎沒有影響。

圖3 送風(fēng)口阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律

1.2.3 葉片開度對阻力系數(shù)的影響

本研究開展了10 組不同葉片開度的送風(fēng)口氣體流動過程數(shù)值模擬，每組送風(fēng)口的葉片開度相差20°。圖片較多，本研究只節(jié)選了4 個不同葉片開度的送風(fēng)口模擬結(jié)果進(jìn)行展示，如圖4所示。

圖4 送風(fēng)口不同葉片開度氣流速度云圖

由圖4 可知，當(dāng)入口速度不變時，葉片前的氣流速度不隨葉片角度的改變而變化，而葉片后的氣流速度則發(fā)生明顯變化。此外，10 組葉片開度送風(fēng)口的模擬結(jié)果顯示，當(dāng)開度在0°～90°之間時，隨著開度的增大，氣體流速增加；而當(dāng)葉片開度大于90°時，隨著開度的增大，氣體流速減小。

運(yùn)用公式（1）和公式（2），本研究計(jì)算了10 組不同葉片開度的送風(fēng)口阻力系數(shù)，并運(yùn)用非線性擬合公式對阻力系數(shù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖5所示。由圖5 可見，送風(fēng)口的阻力系數(shù)在葉片開度為90°時取得最小值，即上文中的1.44；阻力系數(shù)在葉片開度為180°時出現(xiàn)最大值，即38.26。此外，跟上述氣流變化結(jié)果類似，當(dāng)葉片開度在0°～90°之間時，隨著開度的增大，送風(fēng)口阻力系數(shù)顯著降低；而當(dāng)葉片開度大于90°時，隨著開度的增大，送風(fēng)口阻力系數(shù)快速升高。因此，葉片開度對阻力系數(shù)有顯著性影響。

圖5 送風(fēng)口阻力系數(shù)隨葉片開度變化規(guī)律

2 送風(fēng)管道送風(fēng)均勻性研究

2.1 數(shù)值建模

由于實(shí)際工程中的送風(fēng)管道較長，管道一般需要進(jìn)行變徑，提高每個送風(fēng)口的風(fēng)量均勻性。江蘇精亞集團(tuán)設(shè)計(jì)的送風(fēng)管道總長72 m，每24 m進(jìn)行一次變徑，單變徑段內(nèi)有12 個送風(fēng)口。主管道的截面尺寸為1.6 m×1.2 m，一次變徑管道的截面尺寸為1.6 m×1.0 m，二次變徑管道的截面尺寸為1.4 m×0.8 m。由于一次調(diào)節(jié)36 個送風(fēng)口的葉片角度使得每個送風(fēng)口的風(fēng)量均勻非常困難，本研究先對于二次送風(fēng)管的送風(fēng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出基本規(guī)律后再對整條管道進(jìn)行優(yōu)化。模擬的邊界條件設(shè)置：管道入口設(shè)置為速度入口，風(fēng)速由給定的風(fēng)量計(jì)算為3.5 m/s；管道出口和送風(fēng)口出口均設(shè)置為outflow。湍流模型、壁面函數(shù)、殘差設(shè)置等與送風(fēng)口數(shù)值模擬保持一致。

2.2 二次變徑管道送風(fēng)均勻性

圖6 顯示了二次變徑管道12 個送風(fēng)口的氣流流場數(shù)值模擬結(jié)果。從圖中發(fā)現(xiàn)，送風(fēng)口附近氣體靜壓降低，流速上升，表明氣體壓力能轉(zhuǎn)換為動能；此外，多個送風(fēng)口附近的流速基本保持一致，送風(fēng)口的流速在3.5 m/s 左右。

圖6 二次變徑管道速度和壓力分布圖

為了定量衡量管道的送風(fēng)均勻性，本研究對每個送風(fēng)口的流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)及誤差分析結(jié)果如表1 所示。最大流量出現(xiàn)在第5 送風(fēng)口，流量為0.95 kg/s；最小流量出現(xiàn)在第4 送風(fēng)口，流量為0.77 kg/s；預(yù)期送風(fēng)流量為0.85 kg/s，送風(fēng)流量最大誤差為11.8%，大部分誤差在10%以內(nèi)，基本滿足紡織廠房送風(fēng)均勻性要求。此外，數(shù)值模擬結(jié)果顯示同一管徑單個送風(fēng)口前后的主管靜壓差都在-2 Pa 到-3 Pa 之間。因此，-2.5 Pa可以作為管道送風(fēng)均勻性的一個經(jīng)驗(yàn)值，此時的同一管徑的送風(fēng)主管中的壓力呈線性變化。

表1 二次變徑管道送風(fēng)口流量分析表

2.3 送風(fēng)管道送風(fēng)均勻性

根據(jù)二次變徑管道模擬得出的主管靜壓差變化規(guī)律，本研究對整體變徑管道進(jìn)行了送風(fēng)葉片參數(shù)調(diào)節(jié)。首先，為了降低系統(tǒng)能耗，主管入口第一個送風(fēng)口的開度設(shè)置為90°，此時的送風(fēng)口阻力系數(shù)為1.44，計(jì)算得出主管壓力約為20 Pa。其次，由于比第一個送風(fēng)口的壓力高2.5 Pa，第二個送風(fēng)口的靜壓為22.5 Pa，此時的阻力系數(shù)為1.86，計(jì)算得出第二個送風(fēng)口的葉片開度約為77°。以此類推，得到送風(fēng)管道上36 個送風(fēng)口的葉片開度。但是，由于工程上開度的精細(xì)調(diào)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)，本研究的送風(fēng)葉片開度對前述得出的角度進(jìn)行簡化處理，即每5 Pa 進(jìn)行一次調(diào)節(jié)。整體變徑管道的速度和靜壓分布云圖如圖7 所示。

圖7 整體變徑管道速度和壓力分布圖

在相同管徑的送風(fēng)管道中，壓力和速度呈現(xiàn)均勻變化趨勢，而在變徑處，氣流靜壓和速度會發(fā)生突變。同一管徑下，靜壓呈線性遞增規(guī)律，速度呈線性遞減分布。雖然每個送風(fēng)口的靜壓不同，但送風(fēng)口的速度相差不大，基本實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)。

為了定量衡量管道的送風(fēng)均勻性，本研究對整體管道中每個送風(fēng)口的流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。最大流量出現(xiàn)在第7、第10、第12 送風(fēng)口，送風(fēng)流量為1.00 kg/s；最小流量出現(xiàn)在第25、第26 送風(fēng)口，送風(fēng)流量為0.69 kg/s。預(yù)期送風(fēng)流量為0.85 kg/s，送風(fēng)流量最大誤差為18.8%，大部分誤差在10%以內(nèi)，基本滿足紡織廠房送風(fēng)均勻性要求。此外，在此基礎(chǔ)上，可以預(yù)見通過葉片微調(diào)，可實(shí)現(xiàn)更加均勻的管道送風(fēng)系統(tǒng)。

表2 單管變徑出口開度流量表

3 結(jié)論

為解決大空間紡紗車間管道送風(fēng)不均勻的問題，本研究以實(shí)際送風(fēng)管道結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，開展大空間紡織車間管道送風(fēng)過程數(shù)值模擬研究，在確定不同葉片開度送風(fēng)口阻力系數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)管道所有送風(fēng)口的葉片開度，實(shí)現(xiàn)了管道均勻送風(fēng)，研究結(jié)論如下。

（1）送風(fēng)口阻力系數(shù)與葉片開度密切相關(guān)，當(dāng)葉片開度在0°～90°之間時，隨著開度的增大，送風(fēng)口阻力系數(shù)顯著降低；而當(dāng)葉片開度大于90°時，隨著開度的增大，送風(fēng)口阻力系數(shù)快速升高。

（2）主管壓力呈線性變化，隨主管長度增加，主管壓力逐漸增大。本研究所選模型每個送風(fēng)口之間的主管進(jìn)出口靜壓差約為-2.5 Pa。

（3）根據(jù)主管靜壓變化規(guī)律和送風(fēng)口阻力系數(shù)與葉片開度的關(guān)系，經(jīng)過葉片開度的調(diào)節(jié)，管道送風(fēng)口的流量誤差在20%以內(nèi)，管道送風(fēng)均勻性得到保證。