空气过滤装置内部流场模拟及其结构优化

李光毅 刘金祥 周 斌 朱 越 黄 庆

1南京工业大学城市建设与安全工程学院

2江苏创云环保科技有限公司

空气过滤装置内部流场模拟及其结构优化

李光毅1刘金祥1周 斌1朱 越1黄 庆2

1南京工业大学城市建设与安全工程学院

2江苏创云环保科技有限公司

为了探明某鸡舍过滤装置内部流场及压力场的分布情况，应用计算流体力学方法对过滤装置内部流场进行仿真计算及分析，并搭建试验台进行测试，对仿真结果进行验证。研究结果表明减小过滤装置进气口与出气口角度，并且将突缩段做变径处理能够有效改善过滤装置的流场与压力场分布，经改进后的装置流阻损失减小8%。此过滤装置还适用于过滤进风口面积小、风速高的场合，如数据机房等。

空气过滤器 多孔介质 流场优化 结构优化

某鸡场过滤装置在额定工况下，经过实际运行发现过滤装置整体阻力略高于用户的要求，造成风机能耗偏大，需要对其内部结构进行优化，改进流场使其结构阻力降低以达到节能的目的。通过大量实际工作，本文采用CFD技术对该过滤装置进行流场分析，得到其内部的流场分布和压力分布。通过分析流场找出改进措施，然后对新的产品模型进行仿真计算分析、实验，使其改善内部流场分布及压力场分布，达到流动阻力减小降低风机能耗的目的。

1 数值计算模型分析

本文只针对过滤装置内部流场进行优化，所以为了简化模型，作了如下假设[1]：

1）空气过滤装置内部只有空气一种气相介质；

2）流体的密度变化很小，视为不可压缩流体；

3）当过滤装置在稳定工况下工作时，温度保持不变，可认为整个流动过程是个等温过程；

4）通过雷诺数的大小判断空气的流动形态，经计算可得到雷诺数为Re=1.44×105，大于层流和湍流的临界雷诺数，因此其流动为湍流，故采用湍流模型描述空气过滤装置内部的气流流动状况。

因此，空气过滤装置内部的气流可假定为稳定、不可压缩的单相流流动模型[2]。在划分网格时，使用非结构网格对计算区域进行离散。压力项和速度项采用耦合的SIMPLE算法。

2 数值计算模型

2.1 物理模型及网格划分

由于目前对滤芯阻力研究已经很成熟了，因此本文只针对过滤装置结构阻力进行研究。为了能够较为详细地了解该过滤装置的内部流场特性，保留了本装置的全部实际构件，该过滤装置由两个进风口、两个出风口、两块滤料及一个壳体组成，两进风口尺寸为590mm×750mm，两出风口尺寸为590mm×65mm，详见图1。因滤料的厚度与整个装置尺寸相比比例较大，划分网格数量较多，为节省计算时间将模型进行轴对称化处理，并采用非结构化的四面体网格划分计算区域，经过反复试算，找到最优网格大小及数量，最终网格总数为5601644个，详见图2。

图1 过滤装置结构图

图2 网格划分模型

2.2 介质物性参数设计

介质为空气，实际运行工况参数如下：环境大气压力 p=101.325kPa，温度 T=20℃，空气密度 ρ= 1.205kg/m3，空气粘度μ=1.82×10-5Pa·S。

2.3 边界条件设置

进口为压力入口，为当地大气压力；出口为速度出口，根据额定工况设定出口的流速；设空气过滤装置滤料为多孔介质区域，流体在多孔介质区域为层流流动，遵循Darcy定律，可以使用式（1）所述的数学模型来模拟动量方程的原项[3]：

对式（1）进行滤料厚度方向积分可得到式（2）：

式中：vi为i方向速度矢量；vmax为i方向最大速度矢量；v为速度矢量；α为多孔介质的渗透性。

式（2）表明，多孔介质的压力损失分为2个部分，第1部分是粘性损失项，第2项是惯性损失项。

通过实验测试得到滤料的厚度及速度和压降的关系，进行计算得到多孔介质粘性阻力1/α=-4.99353× 109m-2与惯性阻力C2=4.997×105m-1。

3 CFD分析结果

图3、图4分别为空气过滤装置在额定流量1100m3/h时的速度矢量分布图、压力分布云图。

图3 速度矢量分布图

图4 压力分布云图

为了较为清晰地观察内部流动情况，对突缩段进行局部放大（详见图5、图6）。从速度矢量场中可以看到由于过滤装置内部结构的影响，在突缩段速度场分布不均匀，存在流速很小的区域，造成较大的负压区。由于速度场分布不均匀导致内部总压损增大，所以需要改进过滤装置结构，以优化流场分布。

图5 突缩段速度矢量分布图

图6 突缩段压力分布云图

4 优化设计

由仿真结果，有针对性地提出两点改进措施：1）将过滤装置的突缩段做变径处理；2）减小同侧进气口与出气口的夹角，两进气口夹角为17°。

改进后的结构网格划分如图7所示。

图7 改进后结构网格划分模型

图8 改进模型突缩段速度矢量图

图8、图9为结构改进后突缩段速度矢量场及压力分布云图的局部放大图。从图8、图9中可以看出，改进后的模型与原模型相比气流流场与压力场分布均匀，达到了改进的目的。改进前流动压力损失为22.6Pa，改进后流动压力损失为20.8Pa，压力损失降低了8.0%，减小了鸡舍内风机的能耗。

图9 改进模型突缩段压力分布云图

5 方案验证

为了更加准确地验证模拟结果，搭建了如图10所示的试验台。

图10 试验台

鸡舍每台过滤装置的额定风量为1100m3/h，按照额定工况分别对原模型及改进后的模型进行了测试，得到的结果与模拟结果进行比对，结果见表2。

表2 模拟结果与实验结果对照表

在额定流量1100m3/h的工况下，原模型总压力损失为25.6Pa，改进后的模型总压力损失为23.5Pa，压力损失减小了2.1Pa比原模型压损降低了8.2%，符合仿真预期。

6 总结

1）为了研究整个过滤装置的流场特性，应用计算流体力学仿真模拟进行了流场的数值分析，通过数值分析计算得到各种参数分布图，基本能够表明过滤装置的内部流场特性，并通过试验验证了多孔介质模型的准确性。

2）将装置的突缩段做变径处理及减小进风口与出风口夹角后流场分布均匀，负压区消失，流阻损失与原装置相比减小8.2%，同时较为详细地描写了多孔介质的模拟仿真过程，并通过试验验证了多孔介质模型的准确性。

[1] 李佳,刘震涛,刘忠民,等.空气滤清器流动过程仿真与试验分析[J].浙江大学学报,2012,46(2):327-332

[2] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004 [3] Fluent6.3 User’s Guide[Z].Fluent Inc,2003

Numerical Simulation of Internal Flow and Structure Optimization for Air Filtration Unit

LI Guang-yi1,LIU Jin-xiang1,ZHOU Bin1,ZHU Yue1,HUANG Qing2

1 College of Urban Construction and Safety Engineering,Nanjing Technology University
2 Jiangsu Chuangyun Environmental Protection Technology Co.,Ltd.

In order to investigate the flow field and pressure field distribution inside the interior of the air filtration unit for hen poultry houses,applies the computational fluid dynamics method to calculate and analyze the internal flow field, and builds the test bench to validate the simulation results.The results indicate that it can effectively improve the flow field and pressure field distribution when the angle between the inlet and the outlet is reduced and when the size of the sudden contraction section changes gradually.The flow resistance can be reduced by 8%after the improvement of the device.This filter is also suitable for the applications where the inlet area for air filtration is small and the air velocity is large,such as the data room.

air filter,porous media,flow field analysis,structure optimization

1003-0344（2015）04-084-4

2014-3-19

李光毅（1987～），男，硕士研究生；南京市鼓楼区中山北路200号（210000）；E-mail:liguangyi0001@sina.com