CN116467823A - 一种基于cfd数值模拟的长管道均匀送风设计方法 - Google Patents

一种基于cfd数值模拟的长管道均匀送风设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于CFD数值模拟的长管道均匀送风设计方法。首先，以实际送风管道结构为基础，开展长管道上单送风口的送风过程数值模拟，分析影响送风口阻力系数的因素。其次，统计单送风口在不同叶片开度时的阻力系数，得出送风口叶片开度与阻力系数间的对应关系。然后，对管道的气流场进行数值模拟，得出主管静压变化情况，分析主管静压变化规律。最后，通过阻力系数和静压变化规律确定不同出风口的叶片开度，用以控制不同送风口气流流速，最后实现大空间的均匀送风。

Description

一种基于CFD数值模拟的长管道均匀送风设计方法
技术领域
本发明属于通风与空调工程的设计方法领域，具体涉及一种基于CFD数值模拟的长管道均匀送风设计方法。
背景技术
随着纺织业的不断发展，我国形成了高度集中的大规模纺织生产模式。此种模式下，纺织车间的空间较大，单个车间的设计规模常在8万锭以上，单侧送风距离可达80m，送风距离远，送风流量大，对空气调节系统的要求很高。目前，包括纺织车间的大空间工业厂房的空调系统均采用全面空调系统，在温度调控和节约能源方面取得了较好的效果。但是在大厂房长管道送风均匀性问题上，仍存在很多问题，导致厂房散热散尘不及时、不均匀。这造成了能源浪费，且降低了工作效率。
为解决上述问题，现有技术从空调结构和送风方式角度给出了优化空调长管道送风的建议，但缺乏对送风口阻力系数的研究，也未对管道送风均匀性进行探索，限制了长管道送风均匀性的进一步优化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法，解决现有送风管道存在的不足。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法，所述方法包括以下步骤：
S1,以实际送风管道结构为基础，建立长管道上单送风口的送风过程数值模拟模型，分析影响送风口阻力系数的因素；
S2,统计单送风口在不同叶片开度时的阻力系数，得出送风口叶片开度与阻力系数间的对应关系；
S3,对需要设计的管道进行气流场数值模拟；
S4,得出主管静压，分析静压变化规律；
S5,通过阻力系数和主管静压变化规律确定不同出风口的叶片开度。
优选地，S1中所述长管道单风口的送风过程数值模拟模型按比例还原送风结构，仿真结构参数与实物保持一直，所述模型包括相互连通的送风主管和送风口，在所述送风口的入口位置设置多个固定的梯形分流板，在所述送风口的出口位置设置有一对平行布置的送风叶片。
优选地，所述梯形分流板在送风口的入口位置均匀间隔排列布置，所述送风叶片的两端与送风口壁面活动连接，可实现两个叶片之间的开度在0～180°之间开合。
优选地，S2中为计算送风口的阻力系数，在主管入口和送风口出口取两个缓变流截面，列出气体的伯努利方程和局部阻力方程：
p1、p2——两个缓变流截面的压强，Pa；
v1、v2——两个缓变流截面的气流速度，m/s；
hw——局部损失，m；
ξ——阻力系数；
根据公式(1)和公式(2)，结合数值模拟得到的两个缓变流截面的速度，可以计算得到不同送风叶片开度时，送风口的阻力系数。
优选地，S3中对长管道进行气流场数值模拟建模，将管道入口设置为速度入口，风速由给定的风量计算，湍流模型使用k-e模型，壁面函数使用SWF函数，压力-速度耦合使用SIMPLE算法，各项残差设置为10e-4。
优选地，S4中将长管道设置成变径管道，得到不同管径处正常送风的静压，通过模拟计算得到管道主管静压和压力变化规律：同一管径单个送风口前后的主管静压差在小范围-a Pa到-b Pa之间，取前后端静压的平均值-(a+b)/2Pa作为管道送风均匀性的经验值，此时同一管径的送风主管中压力呈线性变化。
优选地，S5中通过风口静压和阻力系数变化规律确定各风口叶片开度的步骤如下：
首先，主管入口第一个送风口的开度设置为90°，此时的送风口阻力系数为1.44，可以计算得出主管压力为A；
其次，同一管径管道内，由于比第一个送风口的压力高(a+b)/2Pa，第二个送风口的静压为A+(a+b)/2Pa，计算得出此时的阻力系数后，可以计算得出第二个送风口的叶片开度；
以此类推，得到同一管径送风管道上不同个送风口的叶片开度；
然后，发生变径时依据S4所述数值模拟的静压进行计算，得到变径后第一个送风叶片开度后，重复上述类推；
最后，以此类推，得到全部管道上所有送风口的叶片开度。
优选地，所述长管道单风口送风过程数值模拟参数设置如下：
所述主管入口的边界条件设置为速度入口，风速由单风口工业实际送风量和入口尺寸确定；
所述送风口的边界条件设置为压力出口，压力值选取为标准大气压；
湍流模型使用k-e模型，壁面函数使用SWF函数，压力-速度耦合使用SIMPLE算法，各项残差设置为10e-4。
优选地，所述送风口阻力系数受叶片开度影响，当叶片开度在0～90°之间时，随着开度的增大，送风口阻力系数显著降低；而当挡板叶片开度大于90°时，随着开度的增大，送风口阻力系数直线升高。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本申请设计的基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法，基于长管道送风的数值模拟，得到影响阻力系数的关键因素——送风口叶片开度。再从叶片开度入手，通过总结分析送风管道的静压变化规律，根据同一管径管道静压呈线性变化结论，结合管道压力分布情况，推算出各送分口的叶片开度，从而达到控制大空间各送风口均匀送风的目的。这从以上技术方案可以看出，本申请的基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法设计的送风管道，可以充分利用送风头，有效利用风量，节约送风成本。同时控制方法节能环保，容易加工操作，可调控，设计制作成本低。
附图说明
图1为本申请中提供的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法的流程示意图；
图2为本申请中提供的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法的一种实例长管道单风口送风结构图；
图3为本申请中提供的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀设计方法的一种实例送风口结构图；
图4为本申请中提供的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法的一种实例送风叶片开度为90°的送风口气流速度云图；
图5为本申请中提供的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法的一种实例送风口阻力系数随雷诺数的变化规律图；
图6为本申请中提供的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法的一种实例送风口阻力系数送风口不同叶片开度气流速度云图；
图7为本申请中提供的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法的一种实例送风口阻力系数随叶片开度变化规律图；
图8为本申请中提供的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法的一种实例单管道速度压力分布图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明内容作进一步说明。
请参阅图1至图8，本申请实施例中提供的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法设计的送风管道实例包括：
S1，以实际送风管道结构为基础，开展长管道上单送风口的送风过程数值模拟，分析影响送风口阻力系数的因素；
S2，统计单送风口在不同叶片开度时的阻力系数，得出送风口叶片开度与阻力系数间的对应关系；
S3，对需要设计的管道进行气流场进行数值模拟；
S4，得出主管静压，分析静压变化规律；
S5，通过阻力系数和主管静压变化规律确定不同出风口的叶片开度。
本申请设计的送风设计方法，首先以送风管道结构为基础，开展长管道上单送风口的送风过程数值模拟，分析影响送风口阻力系数的因素。
其中，送风管道包含送风主管和送风口。送风主管和送风口尺寸如图2所示，送风主管的尺寸为2m×1m×0.8m，送风口的尺寸为0.97m×0.205m×0.62m。送风口具体结构如图3所示，送风口内设置为7个梯形分流板，固定不能活动；送风口内设置为1个送风叶片，角度可180°调节。
基于上述送风管道的结构形式，管道单风口送风过程数值模拟参数设置如下：主管入口的边界条件设置为速度入口，风速由单风口工业实际送风量和入口尺寸确定，因此，入口风速确定为3.5m/s。送风口的边界条件设置为压力出口，压力值选取为标准大气压。湍流模型使用k-e模型，壁面函数使用SWF函数，压力-速度耦合使用SIMPLE算法，各项残差设置为10e-4。
其次，处理数值模拟结果，统计单送风口在不同叶片开度时的阻力系数，得出送风口叶片开度与阻力系数间的对应关系。
其中，送风叶片开度为90°的送风口气流速度云图如图4所示。气流进入送风口后，先经过整流板，局部速度增加，进而穿过送风叶片，速度均匀性提高，送风口内的气流速度范围在3.2～3.8m/s之间。此外，送风主管气流全部进入送风口，主管右侧处于无风区。
为计算送风口的阻力系数，需要在主管入口和送风口出口取1-1和2-2两个缓变流截面(如图4所示)，列出气体的伯努利方程和局部阻力方程。
其中：p1、p2——1-1和2-2缓变流截面的压强，Pa；
v1、v2——1-1和2-2两个缓变流截面的气流速度，m/s；
hw——局部损失，m；
ξ——阻力系数。
根据公式(1)和公式(2)，结合数值模拟得到的两个缓变流截面的速度，可以计算得到不同送风叶片开度时，送风口地阻力系数。叶片开度为90°时，送风口阻力系数为1.44。
进一步地，以不同送风速度为边界条件，对送风叶片开度为90°的送风口进行了多组数值模拟。计算统计了不同速度(即雷诺数)条件下阻力系数的变化数值，如图5所示。
可以发现，当雷诺数较小时，阻力系数随雷诺数的增大而减小；当雷诺数较大时，阻力系数的降低幅度减小。整体来看，在雷诺数大幅增加的情况下，阻力系数只减小了约0.4，表明雷诺数对阻力系数几乎没有影响。
基于上述方案本实施例中开展了10组不同叶片开度的送风口气体流动过程数值模拟，每组送风口的叶片开度相差20°。本实例节选了4个不同叶片开度的送风口模拟结果进行展示，如图6所示。利用公式(1)和(2)，计算了10组不同叶片开度的送风口阻力系数，并运用非线性拟合公式对阻力系数进行了拟合，拟合结果如图7所示。
由图可见，送风口的阻力系数在叶片开度为90°时取得最小值，即上文中的1.44；阻力系数在叶片开度为180°时出现最大值，即38.26。此外，跟上述气流变化结果类似，当叶片开度在0～90°之间时，随着开度的增大，送风口阻力系数显著降低；而当挡板叶片开度大于90°时，随着开度的增大，送风口阻力系数直线升高。因此，叶片开度对阻力系数有显著性影响。
对所述设计管道进行气流场数值模拟，得出主管静压，分析静压变化规律。由于实际工程中的送风管道较长，管道一般需要进行变径，提高每个送风口的风量均匀性。本实例设计的送风管道总长72米，每24米进行一次变径，单变径段内有12个送风口。主管道的截面尺寸为1.6×1.2m，一次变径管道的截面尺寸为1.6×1.0m，二次变径管道的截面尺寸为1.4×0.8m。由于一次调节36个送风口的叶片角度使得每个送风口的风量均匀非常困难，本论文先对于二次送风管的送风过程进行数值模拟，得出基本规律后再对整条管道进行优化。已知规律的情况下可跳过此步骤，依然包含在本申请之下。
进一步地，模拟的边界条件设置方面，管道入口设置为速度入口，风速由给定的风量计算为3.5m/s；管道出口和送风口出口均设置为outflow。湍流模型、壁面函数、残差设置等与上述送风口数值模拟保持一致。
图8显示了二次变径管道12个送风口的气流流场数值模拟结果。从图中发现，送风口附近气体静压降低，流速上升，表明气体压力能转换为动能。此外，从图中还可以看出，多个送风口附近的流速基本保持一致，送风口的流速在3.5m/s左右。
为了定量衡量管道的送风均匀性，对每个送风口的流量进行统计，统计及误差分析结果如表1所示。最大流量出现在第5送风口，流量为0.95kg/s；最小流量出现在第4送风口，流量为0.77kg/s；预期送风流量为0.85kg/s，因此送风流量最大误差为11.8％，大部分误差在在10％以内，基本满足纺织厂房送风均匀性要求。
表1二次变径管送风口流量分析表
此外，数值模拟结果显示同一管径单个送风口前后的主管静压差都在-2Pa到-3Pa之间。因此，-2.5Pa可以作为管道送风均匀性的一个经验值，此时的同一管径的送风主管中的压力呈线性变化。
最后，根据二次变径管道模拟得出的主管静压差变化规律，本实例对整体变径管道进行了送风叶片参数调节。
为了降低系统能耗，主管入口第一个送风口的开度设置为90°，此时的送风口阻力系数为1.44，可以计算得出主管压力约为20Pa。
由于比第一个送风口的压力高2.5Pa，第二个送风口的静压为22.5Pa，此时的阻力系数为为1.86，可以计算得出第二个送风口的叶片开度约为77°。
以此类推，得到送风管道上36个送风口的叶片开度。但是，由于工程上开度的精细调节难以实现，本实例的送风叶片的开度对前述得出的角度进行简化处理，即每5Pa进行一次调节。
本实例对整体管道中每个送风口的流量进行统计，如表2所示。
表2单管变径出口开度流量表
由表2可以看出最大流量出现在第7、10、12送风口，送风流量为1kg/s；最小流量出现在第25、26送风口，送风流量为0.69kg/s。预期送风流量为0.85kg/s，因此送风流量最大误差为18.8％，大部分误差在在10％以内，基本长管道送风均匀性要求。此外，在此基础上，可以预见通过叶片微调，可实现更加均匀的管道送风系统。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1,以实际送风管道结构为基础，建立长管道上单送风口的送风过程数值模拟模型，分析影响送风口阻力系数的因素；
S2,统计单送风口在不同叶片开度时的阻力系数，得出送风口叶片开度与阻力系数间的对应关系；
S3,对需要设计的管道进行气流场数值模拟；
S4,得出主管静压，分析静压变化规律；
S5,通过阻力系数和主管静压变化规律确定不同出风口的叶片开度。
2.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法，其特征在于：S1中所述长管道单风口的送风过程数值模拟模型按比例还原送风结构，仿真结构参数与实物保持一直，所述模型包括相互连通的送风主管和送风口，在所述送风口的入口位置设置多个固定的梯形分流板，在所述送风口的出口位置设置有一对平行布置的送风叶片。
3.根据权利要求2所述的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法，其特征在于：所述梯形分流板在送风口的入口位置均匀间隔排列布置，所述送风叶片的两端与送风口壁面活动连接，可实现两个叶片之间的开度在0～180°之间开合。
4.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法，其特征在于：S2中为计算送风口的阻力系数，在主管入口和送风口出口取两个缓变流截面，列出气体的伯努利方程和局部阻力方程：
p1、p2——两个缓变流截面的压强，Pa；
v1、v2——两个缓变流截面的气流速度，m/s；
hw——局部损失，m；
ξ——阻力系数；
根据公式(1)和公式(2)，结合数值模拟得到的两个缓变流截面的速度，可以计算得到不同送风叶片开度时，送风口的阻力系数。
5.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法，其特征在于：S3中对长管道进行气流场数值模拟建模，将管道入口设置为速度入口，风速由给定的风量计算，湍流模型使用k-e模型，壁面函数使用SWF函数，压力-速度耦合使用SIMPLE算法，各项残差设置为10e-4。
6.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法，其特征在于：S4中将长管道设置成变径管道，得到不同管径处正常送风的静压，通过模拟计算得到管道主管静压和压力变化规律：同一管径单个送风口前后的主管静压差在小范围-a Pa到-b Pa之间，取前后端静压的平均值-(a+b)/2Pa作为管道送风均匀性的经验值，此时同一管径的送风主管中压力呈线性变化。
7.根据权利要求1所述的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法，其特征在于：S5中通过风口静压和阻力系数变化规律确定各风口叶片开度的步骤如下：
首先，主管入口第一个送风口的开度设置为90°，此时的送风口阻力系数为1.44，可以计算得出主管压力为A；
其次，同一管径管道内，由于比第一个送风口的压力高(a+b)/2Pa，第二个送风口的静压为A+(a+b)/2Pa，计算得出此时的阻力系数后，可以计算得出第二个送风口的叶片开度；
以此类推，得到同一管径送风管道上不同个送风口的叶片开度；
然后，发生变径时依据S4所述数值模拟的静压进行计算，得到变径后第一个送风叶片开度后，重复上述类推；
最后，以此类推，得到全部管道上所有送风口的叶片开度。
8.根据权利要求2所述的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法，其特征在于：所述长管道单风口送风过程数值模拟参数设置如下：
所主管入口的边界条件设置为速度入口，风速由单风口工业实际送风量和入口尺寸确定；
所述送风口的边界条件设置为压力出口，压力值选取为标准大气压；
湍流模型使用k-e模型，壁面函数使用SWF函数，压力-速度耦合使用SIMPLE算法，各项残差设置为10e-4。
9.根据权利要求4所述的一种基于CFD数值模拟的长管道送风均匀性设计方法，其特征在于：所述送风口阻力系数受叶片开度影响，当叶片开度在0～90°之间时，随着开度的增大，送风口阻力系数显著降低；而当挡板叶片开度大于90°时，随着开度的增大，送风口阻力系数直线升高。
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