大型軸流風機風量測試CFD 模擬與實驗研究

陳 雷

(解放軍理工大學國防工程學院，江蘇南京 210007)

風機作為最大的耗電設備，其能耗對通風系統能耗影響巨大［1］。對通風系統進行節能改造［2］必須要對風機與管路的性能曲線進行測試，測試工作量最大的就是對風量的測試。以南京地鐵二號線為例，二號線共17個站，風機風量測試共需要測得近7.7萬個數據，測試工作量巨大，因此需要研究正確的測試方法，否則將造成人力物力的巨大浪費。

然而在大型軸流風機風量測試中發現一個問題:在軸流風機出流端進行風量測試所得數據波動較大;而在入流端所測得的數據十分平穩，測量過程更加高效。本論文針對此問題進行研究，采用現場試驗與CFD仿真模擬的方法為大型軸流風機風量測試提供一種較好的測試方法。

1 實驗測試

1.1 測點選擇

以南京地鐵二號線新街口站A站端風機變頻風量測試為研究對象。該測試采用將選擇的測量斷面根據其物理進行9等分，見圖1。

1.2 風量的計算

間接測量法［3］。每個測點的風速信息進行3次的讀取與記錄。

式中:Q——風量;

A——面積;

圖1 斷面測點分布圖

1.3 測量斷面

對排風機風量進行測試，排風機風量測量斷面及閥門啟閉示意圖見圖2。風機頻率為25 Hz時，選擇排風機入流端消聲器作為測量斷面A6;再選擇排風機出流端消聲器作為測量斷面A7。每個測點連續測量3次。

2 數據分析

兩斷面每個測點的均值和方差對比見圖3，圖4。結果表明在軸流風機負壓端進行風量測試，數據的穩定性更好，測點選擇對結果的影響也更小。下面將采用CFD模擬與實驗測試的方式對該現象進行進一步研究。

3 物理數學模型

選取新街口站A站端排風機進行風機CFD研究，其中風機內直徑為2 000 mm，外圍滾筒的直徑為2 012 mm，風機葉片的安裝角度為25°，風機外筒長為1 760 mm，整流罩長為1 020 mm，整流罩內直徑為2 012 mm，外直徑為2 600 mm，模型如圖5所示。

圖2 排風機風量測量斷面及閥門啟閉示意圖

圖3 不同測量斷面所得數據平均值對比

圖4 不同測量斷面所得數據方差對比

圖5 風機模型圖

3.1 物理模型

地鐵風機內空氣處于常溫、常壓狀態，可認為其滿足氣體狀態方程:

其中，P為空氣壓力，Pa;ρ為空氣密度，kg/m3;R為空氣常數，297 J/(kg·K);T為絕對溫度，K。

通常可將空氣流動的壓力視為常數:

另外，所研究的空氣流動基本為低速流動(＜30 m/s)，可將其視為不可壓縮流體看待，即:

空氣的粘性不可忽略，室內空氣流動符合Boussinesq假設。

3.2 數學模型

根據上述物理模型，室內空氣遵循具有不可壓粘性流體性質的控制微分方程［4］。所采用控制微分方程與湍流模型如下:

1)連續性方程:

2)動量方程:

在動量守恒方程中，僅考慮對質量力項的影響［5］。

3)湍流模型［6］。

軸流風機流場內氣流做高速運動，屬于高雷諾數湍流模型，本課題采用只考慮低階粘性作用而忽略高階粘性作用的高Re數k-ε 紊流模型［7］。

4 CFD模擬與實驗研究

4.1 軸流風機斷面速度場CFD模擬

采用Fluent軟件進行模擬計算。設定風機運行頻率為25 Hz，軸流風機斷面速度場模擬云圖見圖6，通過Fluent自帶后處理工具［8］分析模擬結果可以得到風機整流罩入口處最大風速為8.17 m/s，平均風速為 6.95 m/s，風量為35.88 m3/s。分析圖6 可以得到以下結論:

1)軸流風機入流斷面速度場比出流斷面速度場更加均勻;2)入流斷面的速度場分布為斷面中間速度較大、斷面邊緣速度較小;出流斷面的速度場分布為斷面中間速度較小、斷面邊緣速度較大。

4.2 變頻工況CFD模擬與實驗研究

風機在實際運行時頻率變化范圍很大，為使結論更加可靠，本論文針對變頻工況下軸流風機各種運行頻率進行CFD模擬與實驗研究，風機的運行頻率范圍為13 Hz～39 Hz，CFD模擬與實驗測試均選擇A站端排風機入流端A6斷面，以13 Hz為測量起始頻率，以2 Hz為間隔共進行14組不同頻率運行工況的CFD模擬與測試，風量模擬結果與測試結果對比見表1，圖7。

圖6 25 Hz時軸流風機斷面速度場模擬云圖

4.3 變頻工況結果分析

1)對比分析數據，發現風量模擬結果與風量實測結果的協相關系數:

其中，ρr為協相關系數;分別為實際風量與模擬風量的方差。

表1 風量模擬結果與實測結果對比表

圖7 風量模擬結果與風量實測結果對比圖

說明模擬數據與實驗測試數據一致，進一步驗證了不同頻率工況下軸流風機CFD模擬結果的可靠性。

2)選擇入流斷面速度場的平均風速與最大風速進行對比，分析風機在不同頻率下入流斷面風速分布的均勻性，見表2，圖8。

表2 變頻工況下入流斷面最大風速與平均風速模擬值對比表

圖8 變頻工況下入流斷面最大風速與平均風速模擬值對比圖

對比分析可知，大型軸流風機各頻率工況下入流端斷面風速的最大值與平均值的差值較小，相對誤差約為15%，且差值隨著風機運行頻率的增加從0.6 m/s緩慢增加到1.9 m/s。表明軸流風機入流斷面速度場分布均勻，運行頻率對入流斷面風速分布的均勻性影響很小，因此軸流風機應該在入流斷面進行風速測量更加合理。

5 結語

本論文采用實驗測試與CFD模擬的方法，針對大型軸流風機風量測試時發現的問題進行了研究，得到以下結論:

1)大型軸流風機進行風量測試時，軸流風機入流斷面每組測試數據與出流斷面所得數據相比:方差較小、速度場分布更加均勻穩定。

2)對軸流風機運行頻率為25 Hz的工況進行CFD模擬，模擬結果顯示:軸流風機入流斷面速度場比出流斷面速度場更加均勻;入流斷面的速度場分布為中間速度較大、邊緣速度較小;出流斷面的速度場分布為中間速度較小、邊緣速度較大。

3)軸流風機運行頻率13 Hz～39 Hz的14種工況CFD模擬結果與實測結果表明:模擬數據與實驗測試數據的協相關系數ργ約等于1，說明軸流風機CFD模擬結果的可靠性;14種頻率工況下入流斷面速度場最大值與平均值的差值在0.6 m/s～1.9 m/s之間，相對誤差約為15%，表明風機頻率在13 Hz～39 Hz之間時入流斷面速度場分布都很均勻。

上述分析說明在進行大型軸流風機風量測試時，在入流端選擇斷面進行風量測量，所測得結果會更加準確。

［1］朱培根，田義龍，何志康，等.地鐵通風空調系統節能分析［J］.解放軍理工大學學報(自然科學版)，2012(5):589-592.

［2］朱進桃.變風量空調系統的節能運行［J］.暖通空調，2014(5):97-102，78.

［3］丁祖榮，單雪雄.流體力學(下冊)［M］.北京:高等教育出版社，2003:100.

［4］方曉龍.體育場館內氣態污染物散發與凈化的數值模擬及實驗研究［D］.上海:東華大學，2014.

［5］Guan Qing，Tang Guangfa.Numerical Research of Parallel Limited Jets of Cold Air in Large Space Buildings［J］.Acta Aerodynamica Sinica，1992(3):96.

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［8］朱紅鈞.Fluent 12流體分析及工程仿真［M］.北京:清華大學出版社，2011:34-35.