長距離滲透噴射式布袋風管送風均勻性實驗研究

王雪縈 吳利瑞 劉東 毛毛

同濟大學機械與能源工程學院

隨著設施農業自動化、機械化程度的提高，溫室結構越來越呈現大型化、規模化的趨勢。為了保障大型溫室內部的空氣環境，出現了用于超大型溫室環境調控的關鍵設備——長距離滲透噴射式布袋風管。相較于金屬風管，滲透噴射式布袋風管具有不易產生冷凝水，風管內部靜壓較穩定和送風均勻性較好等特點，因此超大型溫室多采用滲透噴射式布袋風管實現均勻送風。滲透噴射式布袋風管通過纖維層滲透及條形或小孔風口噴射同時送風，纖維表面滲透送風增大了送風面積，有助于室內空氣均勻混合，條形或小孔風口噴射送風可保證一定的射流風速和射程[1]，誘導室內空氣均勻混合。長距離滲透噴射式布袋風管送風均勻性是保障溫室內空氣環境均勻的關鍵，目前對送風均勻性的研究多集中于計算機數值模擬[2-3]，實驗研究較少。本文主要通過理論計算和實驗研究的方法，對長度為120 m 的滲透噴射式布袋風管的送風均勻性進行了研究。

1 滲透噴射式布袋風管內部流速及其壓力模型

滲透噴射式布袋風管送風的均勻性主要取決于風管內部的空氣流速和靜壓分布。設滲透噴射式布袋風管長度為L，直徑為d，將風管分為n 個管段，共有n個截面，每段管段長度為l，孔口個數為m 個，單個小孔的面積為f，第1 個截面為風管入口，具體的情況見圖1。

圖1 滲透噴射式布袋風管計算模型

根據流體力學知識及文獻[4]，第k 個風管截面的靜壓-流速關系如式（1）。

式中：pjk為第k 個風管截面的靜壓，Pa；ρ 為空氣密度，kg/m3；d 為風管直徑，m；vk為第k 個截面的空氣流速，m/s；K 為風管壁面的當量粗糙高度；Re 為風管內的流體雷諾數；l 為第k-1 個截面和第k 個截面之間的距離，m。

根據質量守恒原理，第k-1 個風管截面與第k 個風管截面的風量之差為第k-1 個風管管段的送風量，即第k-1 個管段的滲透送風量與孔口噴射送風量之和[5]，如式（2）所示。

式中：Qk為第k 個截面的空氣流量，m3/s；Δqk-1為第k-1個管段的孔口送風量，m3/s；為第k-1 個管段的滲透送風量，m3/s；qc為單位面積的滲透風量，(m3/s)/m2；pc為滲透風量的基準壓力，Pa；m 為管段小孔的個數；μ為孔口流量系數；f 為孔口面積，m2。

將式（1）～（3）整理可以得到噴射滲透式布袋風管的流速方程見式（4）～（7）。

對于第n 個截面，管內流速方程見式（8）。

式（4）～（7）為噴射滲透式布袋風管的管內流速方程，根據風管物理參數，風管進口的空氣流速以及式（8），可以通過迭代解多元二次非線性方程組，得到滲透噴射式風管內部流速以及靜壓分布。

實驗測試環境的溫度為20 ℃，空氣在布袋風管內部可視為不可壓縮流動，在20 ℃的密度為1.205 kg/m3。風管壁面粗糙高度為1 mm[4]。孔口流量系數為0.85[4]。根據式（4）～（8）可利用迭代法求解非線性方程組，理論計算得到滲透噴射式布袋風管管內動壓和靜壓沿風管的分布情況。

2 實驗方法

為了掌握長距離噴射滲透式布袋風管的實際送風情況，需對送風管內的空氣流速，靜壓分布和各孔口送風風速進行測量。

2.1 滲透噴射式布袋風管

本實驗所用滲透噴射式纖維布袋風管用于250 m×250 m×7 m 的超大溫室中，空氣處理室位于溫室兩側，通過長度為120 m 的風管從兩側向溫室內部送風。每個風管的最大送風量為20000 m3/h，為了避免風管產生振動，進口風速應控制在15 m/s 以下，選用管徑為711 mm 的滲透噴射式布袋風管。布袋風管纖維層采用適用于高大空間的微滲透式，根據DurkeeSox 測試報告[5]，纖維層滲透率為在基準壓力125 Pa 下纖維樣品每平方米的透氣量（m3/h），本實驗所用布袋風管在基準壓力下的滲透率為18(m3/h)/m2。

溫室內部的氣流組織對作物冠層的溫度，濕度及CO2濃度都有很大影響[6]。作物冠層葉面氣流速度過小，蒸騰作用減小，葉面易發生病蟲害。若氣流速度過大，葉面可能會被吹干，也不利于作物的生長。《溫室工程設計手冊》[7]中推薦溫室內氣流速度一般控制在0.5m/s 以下，作物生長區域內推薦最小氣流為0.1 m/s。因此，孔口送風風速對作物的生長十分重要的，根據文獻[8]研究，孔口送風風速10 m/s，13 m/s 和15 m/s時對植物生長產生影響的區域與栽培槽上表面距離分別為290 mm，430 mm 和550 mm。考慮到本溫室大棚作物高度，本文中選擇孔口送風風速為15 m/s以下，經計算，在風管兩側斜向上45°的方向上各布置一排孔口，孔徑為0.3 英寸（7.62 mm），孔口間距為43 mm，風管采用吊裝的方式進行安裝，離地0.2 m，具體布置見圖2。

圖2 實驗用滲透噴射式布袋風管照片及示意圖

2.2 測試儀器

測量風管內靜壓和動壓采用L 型畢托管和壓差計（DC9V，測量范圍0～2.0 kPa，精度±1.0%）。由于風管后端管內風速較小，采用熱線風速儀（型號9535-A，測量范圍0～30 m/s，精度±3.0%，±0.015 m/s）測量風管后端的管內風速。測量孔口送風風速的儀器也采用熱線風速儀。

2.3 測試方案

在風管進口流速分別為13.5 m/s（工況1）、10.0 m/s（工況2）、6.8 m/s（工況3）三個工況下分別進行相關測量。

每3 m 作為一個測定截面，120 m 的風管共有40個截面，將每個截面劃分為3 個等面積圓環，在兩個方向分別測量點1 到點6 處的風速，風管截面測點布置見圖3。

圖3 風管截面測點布置圖

實驗步驟：根據圖3 確定測點距風管壁面的距離，對測試儀器的伸入長度做標記。調節風機轉速，使風管進口流速為13.5 m/s（工況1），測量風管各截面12個測點處的動壓（或風速）和靜壓，測量該截面處兩側孔口的送風風速。調節風機轉速，使風管進口空氣流速分別為10.0 m/s（工況2）、6.8 m/s（工況3），重復上述的步驟。

3 實驗結果分析

3.1 風管管內壓力變化情況

將理論計算得出的管內壓力分布圖和實驗測得的管內壓力分布圖進行對比，具體情況見圖4。

圖4 三個工況下風管內壓力分布實驗值與計算值對比

從圖4 可以看出，三個工況下動壓計算值與實驗值的吻合度較好，實驗值均大于計算值，工況3 動壓計算值與實驗值的吻合度最好。

相比較于動壓，三個工況下的靜壓計算值和實驗值的吻合度較低，實驗值均大于計算值，工況1 靜壓計算值與實驗值吻合度最好，工況2 和工況3 的靜壓計算值和實驗值在后期出現分離現象，相差大約為10～20 Pa 左右，究其原因，靜壓值計算是從風管尾端的流速與靜壓的關系逐步向首端推導計算的，末端流速的計算值小于實驗值，所以造成靜壓的計算結果整體偏小。三個工況中，靜壓沿風管均呈上升趨勢，工況1沿程靜壓上升40 Pa，上升值為平均靜壓的18.6%。工況2 靜壓上升18 Pa，上升值為平均靜壓的13.7%。工況3 靜壓上升14 Pa，上升值占平均靜壓的22.0%。三種工況中，工況2 沿程靜壓上升率最小，在125 Pa 左右波動，說明125 Pa 對于滲透噴射式布袋風管是較理想的靜壓值。

3.2 風管送風均勻性分析

為直觀研究噴射滲透式布袋風管送風均勻性，根據實驗結果計算40 個管段中每個管段的總送風量Δqk，孔口送風量和滲透送風量：

式中：Δqk為第k 個管段總送風量，m3/s；為第k 個截面處孔口的平均出風速度，m/s。

三個工況下各管段總送風量，孔口送風量以及滲透送風量的實驗值和計算值沿程變化見圖5。

圖5 三個工況下各管段總送風量，孔口送風量和滲透送風量的實驗值和計算值對比

由圖5 可知，各管段總送風量，孔口送風量和滲透送風量的計算值與實驗值相差比較大，但變化趨勢基本一致，沿風管呈增加趨勢。實驗值波動較大，與實驗儀器測量精度有關。

三個工況下，在風管入口到9 m 處之間，各管段總送風量，孔口送風量和滲透送風量的實驗值與計算值偏離最大，均小于計算值，究其原因，風管進口處離風機最近，氣流漩渦造成內部壓力不穩定。在12 m 到60 m 之間，各管段總送風量和滲透送風量的實驗值基本均小于計算值，但各管段間孔口送風量的實驗值基本均大于計算值，實際送風過程中，孔口送風量受到靜壓和孔口流量系數的影響，滲透送風量受到靜壓，纖維層粘性阻力系數和慣性阻力系數的共同影響，靜壓的改變對孔口送風量影響較小。在63 m 到111 m 之間，各管段總送風量，孔口送風量和滲透送風量的實驗值基本均大于計算值，原因是實測此段風管管內的靜壓比前段靜壓增大，造成送風量的增大。在114 m 到120 m 之間，各管段總送風量和滲透送風量的實驗值基本均小于計算值，但各管段間孔口送風量的實驗值基本均大于計算值，原因是風管尾部滲透造成滲透送風量的減小[9]。

為便于直觀比較不同工況下的風管送風的不均勻性，定義管段送風量不均勻度來進一步分析：

式中：φ 為送風不均勻度；Δqk為第k 個管段總送風量，m3/s；為平均送風風量，m3/s。

根據式（12）計算滲透噴射式布袋風管各管段的送風量不均勻度，圖6 為三個工況下的風管各管段沿風管的送風量不均勻度。

圖6 三個工況下的送風量不均勻度

由圖6 可以看出，三個工況下的送風量不均勻度沿風管基本呈現前負后正的趨勢，60 m 前各管段送風量小于平均風速，送風量不均勻度為負。60 m 后各管段送風量基本大于平均風速，送風量不均勻度基本為正。工況1、工況2 在風管進口處到10 m 之間送風量不均勻度十分大，接近-0.7，工況1 沿風管送風量不均勻度在-0.7～0.26 的范圍內波動，工況2 沿風管送風量不均勻度在-0.65～0.24 的范圍內，波動工況3 送風量不均勻度在-0.5～0.21 的范圍內波動。說明進口流速越小，滲透噴射式布袋風管的送風量不均勻度越小。在風管末端送風量不均勻度均有不同程度的減小是由于風管尾部滲透導致的滲透送風量減小[9]。

4 研究結論和改進建議

4.1 研究結論

1）比較三種工況下風管內沿程靜壓的變化情況，工況2（進口流速10 m/s）的沿程靜壓穩定在125 Pa 左右，上升率最小，有利于保證各噴口送風量的均勻性，建議在工程實際應用時將滲透噴射式布袋風管的入口風速控制在10 m/s 左右。

2）滲透噴射式布袋風管管內動壓分布的計算值和實驗值吻合度較高，管內靜壓分布計算值和實驗值吻合度較低，三個工況下靜壓計算值總是小于實驗值。管段總送風量和滲透送風量的實驗值和計算值相差較大。

3）三種工況下，送風量不均勻度在風管入口到60 m 間基本為負值，在60 m 后基本為正值，孔口送風量沿風管的變化較小，滲透送風量對均勻送風的影響較大。風管入口處和末端的不均勻度較大，在工程設計時要引起注意。

4.2 改進建議

對于120 m 的滲透噴射式布袋風管，在入口端到10 m 之間管段的送風量較小，可考慮在風機出口處增加導流器件，降低風管進風口處氣流的紊亂度。也可考慮前10～15 m 作為安全段，不種植作物。送風量在風管尾部減小主要是由于尾部封閉造成的，可考慮將布袋風管末端纖維層適當開孔，增加末端的送風。

為了保障沿風管各管段送風的均勻性，可考慮改變纖維層滲透率，開孔個數，孔口面積及孔間距等。送風量不均勻度在風管前半段為負、后半段為正，主要由滲透風量決定，可在風管前半段增加纖維層滲透率，進而增大滲透送風量，或在后半段減小纖維層滲透率，進而減小滲透送風量。若布袋風管纖維層滲透率不變，可在風管前半段增加開孔個數、擴大開孔面積、減小開孔間距，或在風管后半段減少開孔個數、縮小開孔面積、擴大開孔間距，以提高整個風管的送風均勻性。