通风机性能试验数据处理软件的开发

朱如洪 唐照付

（上海诺地乐通用设备制造有限公司研究院)

通风机性能试验是通风机设计、生产、检验中必不可少的项目。通风机 （简称风机）的性能曲线能直观反映风机的性能状况，可以根据需要指导风机运行状态点的调节，也能为风机的改型设计提供参考。在所选试验方法一定的情况下，风机性能曲线能否精确反映风机实际性能，除了受试验过程中所选仪表精度和人为测量误差的影响外[1]，还在一定程度上取决于试验结果的处理方法。通风机性能试验结果的计算不仅要用到大量复杂的公式，而且有时还需要进行迭代计算。但是手工计算往往既费时费力又易出错，编写程序计算有时又不能很好地人机对话，没有很好的直观性。这些都是需要解决和改善的问题。

Matlab GUI利用了Matlab自身强大的数据和图形处理功能，在用户图形界面设计方面相比其他高级编程语言具有独特的优势[2]。本文以笔者平时做试验经常用到的进出气联合试验D型装置为例，开发了一种界面友好的、可精确快速地处理试验数据的计算软件。下面将介绍风机性能试验结果处理中的难点和基于Matlab GUI制作计算软件的方法，希望能给需要自制风机试验结果处理系统的个人或单位提供参考。

1 Matlab GUI编程的优势

Matlab自身含有强大的函数库可直接调用，无需繁琐的编程语言，特别在处理矩阵方面更具优势。由VC、Java、VB等高级编程语言制作出的软件界面友好，功能强大；然而在对大量数据进行各种复杂分析和处理时，相比于Matlab编程语言而言，这些高级语言则处于明显的劣势。Matlab GUI不但可以减少代码编写的工作量，而且制作出的软件同时具有界面友好和能够方便进行各种数据处理及图像分析等的特点[3-4]。

2 流量的计算方法

流量是分析求解风机性能时最重要的一个参数，流量的计算也是编程求解的难点。风机的性能参数压力、功率、效率等都与流量有关，流量的计算往往需要迭代求解。依据GB/T 1236—2000《工业通风机——用标准化风道进行性能试验》，流量的测定方法有ISO文丘里喷管、多喷嘴或文丘里喷管、90°圆弧进口喷嘴、锥形进口、孔板等。其中质量流量的计算可统一采用下式：

式中 α——流量系数；

ε——膨胀系数。

除了这两个系数外，其余都可以通过测量数据简单计算得出。各标准对于各种测量方法的流量系数和膨胀系数都有各自不同的规定，对这些系数的处理也是计算的难点。下面以锥形进口为例作一讨论，其复合流量系数αε=mlgRed+c，且

联合式 （1）、 式 （2） 得：

式中，m和c是试验风管直径的函数，Δp、μ等可以通过所测数据经简单计算得出。

以qm和Red为未知量的非线性方程组需要迭代求解。调用Matlab求解函数fsolve能很好地进行求解，其调用格式为[4]：

其中，fun为要求解的非线性方程组式 （3），x0为赋给fun的初值，options为结构指定的优化参数，比如收敛精度。

3 风机性能试验数据处理软件的制作

考虑到同一参数采用不同仪表所测的数据不同，程序中提供多个单位选项以方便对原始记录数据直接输入而无需先进行单位转换计算，提高了程序的丰富性。程序的设计流程如下：

原始试验数据的输入→选择相应的单位→计算→显示计算结果→曲线拟合→曲线输出。

打开Matlab新建GUI文件，进入用户界面设计，选择相应控件进行合理布局，此布局也就是最终设计软件的界面，应遵循简洁美观的原则。

在编写后台控制程序时，各状态参数要转换成标准进气状态 (ρ=1.2 kg/m3， p=101325 Pa，t=20℃，相对湿度50%)，并且还可设置某种需要的进气状态，这样可方便地进行各状态下风机性能的比较。由于一年中四季更替、环境改变以及系统中气体状态的变化，风机在运行时性能也会随之变化，如果把可能出现的进气状态都考虑到，得到不同状态下的风机性能曲线，那么这些曲线将对调节风机运行和改变性能最佳点的位置有指导意义。这样就可以提高风机的运行效率，及时找到满足系统要求的风机性能状态点，这对节约能源和保证系统正常运行有很大帮助。另外为了得到最佳的风机性能曲线，利用Matlab多项式拟合工具polyfit，即基于最小二乘法的拟合工具，就能很好地满足要求，无需借助其他曲线拟合软件。根据以上要求，特制作如图1所示的软件界面。

图1 风机性能试验计算软件界面图

Matlab GUI编写的程序只能在Matlab环境下才能使用，这样就给使用带来不便。利用Matlab的编译工具deploytool可将程序的m和fig文件编译成exe文件。因为Matlab在编写程序时调用了本身函数库的内容，要想在没有安装Matlab软件的计算机上使用exe文件，也必须先执行MCR(Matlab Components Runtime)，所以在编写exe文件的时候利用deploytool工具将MCR一起打包，最终生成完整的在Window下可执行的exe文件。

4 风机性能试验计算软件的应用

本文以一台漩涡风机为例说明该软件的应用。试验方法是按照 GB/T 1236—2000《工业通风机——用标准化风道进行性能试验》规定的进出气联合试验D型装置，所测结果的输入如图1所示，其中湿球温度下拉项还可以选择相对湿度，具体参数根据测量仪表而定。流量的测定采用锥形进口测流量法。风机出气风管截面4的静压pe4可采用U形管和精密压力表测量，软件对U形管又设置了水柱和水银两个选项以方便数据输入。软件中还设置了用户要求的进气状态的空气密度，通过相似理论把风机性能曲线转换到该条件下，从而直观地反应出用户要求的进气状态下的风机性能曲线。

图2 静压流量曲线

图3 空气功率流量曲线

图4 总效率流量曲线

从图2～图4中拟合的曲线可看出，各状态点基本上都落在曲线上，说明曲线拟合质量良好。由漩涡风机的性能曲线可以看出，高压小流量是漩涡风机典型的特征，并且压力随流量的增加而快速下降；空气功率随流量先增加后减少，说明该台漩涡风机对单位质量气体做的功在进口流量为200 m3/h处达到极大值；由于测量工具所限，本文只计算了总效率 （即空气功率与电机输入功率的比值），从曲线走势来看基本与空气功率相吻合，说明漩涡风机对气体做功最大处是效率最高点。该软件对用户要求的进气条件下的风机性能曲线进行了绘制，从所绘制的图中可方便地读出不同流量下的压力和效率，这对用户调节风机运行状态点有指导意义。如果再绘制出不同转速下的风机性能曲线，那么对调节风机性能更具指导意义，而这些都可以在Matlab后台程序中方便而简单地实现，在此不再详述。

5 结语

利用Matlab GUI用户图形设计功能及Matlab强大的数据处理和图形处理功能，在设计风机性能曲线计算程序时无需复杂繁琐的编程语言就能快速实现软件的编制，这为工程技术人员节省了大量时间。同时软件的图形界面化能一目了然地处理数据并分析数据。改变风机的进气状态能迅速得到该状态下的风机性能曲线，这对了解风机运行状态和调节风机对系统的作用具有直接的指导意义。

[1] 陈明涛，赛庆毅，蒋旭平，等.相对湿度对风机性能的影响 [J].风机技术，2009(4)：23-24.

[2] 吴正人,程友良.用VB语言实现泵或风机性能曲线的绘制和换算 [J].电力情报,2002(2）：45-48.

[3] 陈瑞峰，左曙光，郭伟.基于MATLAB GUI的信号分析系统 [J].佳木斯大学学报，2009,27（5）：645-647.

[4] 尚涛，谢龙汉,杜如虚，等.MATLAB工程计算及分析[M].北京：清华大学出版社，2011.