诱导式风管内流体特性的数值模拟研究

苏　飞，魏　兵

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003)

诱导式风管内流体特性的数值模拟研究

苏飞，魏兵

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003)

摘要：低温送风诱导式缩放风管具有结构简单、造价低廉、节省能耗、噪声低、维修工作量小和能利用普通风口等优点，但不易达到较高的诱导比。运用CFD软件对风管内部流体特性进行模拟，通过云图进行压力分析，并在云图静压较低处对应地设置二次风口。计算各种情况下诱导风管的诱导比，通过诱导比计算值的对比，确定出二次风口的最佳位置，设计出诱导式缩放风管的吸收段。

关键词：诱导式风管；吸收段；二次风口；数值模拟

中图分类号：TU831.3

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.08.010

收稿日期：2015-06-19。

基金项目：国家自然科学基金青年基金(51408820)。

作者简介：苏飞(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为建筑节能技术，E-mail：sfhvac305@163.com。

Abstract：Considering its simple structure, low cost, energy savings, little noise, small amount of maintenance and adaptability to normal vent, cold air distribution induction scaling duct is spoken highly of. But it is not easy to reach a high induction ratio. In this paper, CFD software was adopted to simulate internal fluid properties in the induction ducts. Then secondary air inlets were located in the position with the lowest static pressure after the analysis of the contours. Finally, the induction ratios for different ducts were calculated. After comparing induction ratios, the optimal location of secondary air inlet is determined and the absorption section is designed.

Keywords：induction duct; absorption section; secondary air inlet; numerical simulation

0引言

低温送风空调系统的送风温度为4～10 ℃，比常温空调系统的送风温度12～16 ℃低[1,2]。采用低温送风技术能够降低空调系统的能耗，也能节省初投资和运行费用[3～7]，经济效益明显。低温送风的末端装置对空调系统的成功运行起着至关重要的作用[8～10]。在低温送风的各种形式中[11～13]，不带风机的诱导式风管以其结构简单、造价低廉、节省能耗、噪声低、维修工作量小和能利用普通风口等优点而备受推崇，但不易达到较高的诱导比[14]。

诱导比是衡量诱导式风管性能的关键参数[15]，提高诱导比成为设计诱导式风管的关键。当收缩段几何造型固定时，吸收段二次风口(诱导风口)的位置对诱导比有很大的影响。使用CFD软件对相关管道进行模拟[16～18]，此方法已广泛应用于风管设计中。通过云图分析与计算，并对诱导风口位置不同的吸收段比较，找到使得诱导比最高的吸收段，并将其几何造型设计为整体诱导式缩放风管的一部分，即诱导式风管的吸收段。

1诱导式风管的工作原理

诱导式风管的工作原理：经过制冷机组处理的低温一次风(6 ℃)以一定速度(3～6 m/s)进入诱导式缩放风管。在收缩段中，一次风速度迅速升高，动压升高，静压下降。到收缩段出口处，一次风的静压降为负值，速度达到最大值(10～15 m/s)。一次风高速喷射进入吸收段，在吸收段入口形成负压，与室内温度相同的二次风(27 ℃)从诱导风口引射入吸收段。一次风在吸收段内形成射流，在壁面处卷吸周围空气，带着二次风向前，还会造成漩涡[19]，使得吸收段入口获得一个比吸收段更低的压力，这样二次风在压差的作用下源源不断的从二次风口进入诱导式风管中。在吸收段内一次风与二次风进行速度、能量的均衡。混合过程中，一次风的速度下降，温度升高，动量减少，二次风的速度上升，温度下降，动量增加，沿风管的流动中，混合流体的速度渐渐均衡[20]。

2诱导式风管的数值模拟与计算

用CFD软件先对未设置二次风口的风管进行模拟，通过云图分析，在云图静压较低处对应地设置二次风口。然后再用CFD软件对已设置二次风口的风管模拟，在一次风量、二次风口总面积相同的情况下，通过计算设置在不同位置二次风口的诱导风量以及总风量，推导出各情况下的诱导比。诱导式风管几何造型如图1所示，本文只研究吸收段，故将收缩段之后设计为直管段。

图1　诱导式风管的几何结构图

采用1∶1的比例，使用Gambit软件对诱导式风管进行建模，并采用非结构化网格对其进行划分。划分完成后，对所有形体的网格进行检查，结果未发现各形体的网格质量问题，故网格质量是可靠的。为排除网格数对模拟结果的影响，计算中进行了网格无关性验证，对诱导式缩放风管结构分别模拟了18万、20万、22万、25万和28万网格。并由模拟结果可知，随着网格数的增加，模拟值更加接近实验值，且网格数在20万网格后变化较小，综合考虑模拟精度及计算时长，最终确定总网格数为20万。

为了简化计算，根据诱导式风管流场的特点，对其进行以下假设：

(1)流体在计算过程中视为不可压缩；

(2)计算过程中忽略重力的影响；

(3)风管中流体流动为定常湍流流动；

(4)忽略流体的粘性影响；

(5)诱导式风管内的气体流动为不可压定常流动，在数值计算过程中遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律。

湍流模型选择标准型Standardk-ε模型，其基本方程有两个，一个是湍动能k的传输方程，另一个是扩散率ε的传输方程。计算采用压力速度耦合为SIMPLE算法，采用一阶离散方法计算与空间相关的对流项和扩散项及湍流粘性系数。计算中忽略重力和壁面粗糙度对流场的影响。计算收敛标准设置为各方向速度参数的计算误差小于10-6及k，ε的计算误差小于10-3，求解区域进出口流量差小于0.1%。

2.1　对没有设置诱导风口的风管模拟

本文先对没有设置诱导风口的风管进行模拟，观察风管静压与速度的模拟结果。通过图2所示云图分析，找到可能的压力最低处，并在可能的压力最低处设置诱导风口。一次风口为速度入口，直管段最右端为压力出口。一次风入口风速为4.75 m/s，一次风的温度为6 ℃，直管段最右端出口静压设为20 Pa。

图2　无诱导风口风管模拟的静压云图

通过图3所示速度云图，可以看出一次风经过收缩段后，速度增加，形成射流。通过图2所示静压云图可以看出，直管段静压最低处可能在直管段最左端(端部)，也可能在直管段的两侧(侧部)。将诱导风口分别设置在端部与侧部，再用CFD软件进行模拟，获得各自的模拟参数云图。

图3　无诱导风口风管模拟的速度云图

2.2　对诱导风口设置在直管段端部的风管模拟

本次模拟中，诱导式风管的几何造型如图4所示。

图4　端部设置诱导风口的诱导式风管几何结构图

一次风口设为速度入口，二次风口(诱导风口)设为压力入口，直管段最右端设为压力出口。一次风入口平均风速设置为4.75 m/s，一次风入口截面积为0.32×0.32 m2。收缩段颈部的面积为0.16×0.16 m2。直管段的尺寸为1.2×0.4×0.4 m3。诱导风口为环形，外边为0.325×0.325 m2。一次风的温度为6 ℃，二次风(诱导风)的温度为27 ℃，直管段最右端出口静压设为20 Pa。

由图5所示静压云图，可以发现当二次风口设置在吸收段的端部(最左端)时，风管内静压最低处(深色区域)分布在吸收段的最左端与吸收段靠近收缩段的风管两侧。这是由于一次风静压转化为动压，与射流向前流动造成漩涡共同造成的。

图5　端部设置诱导风口风管模拟的静压云图

由图6所示速度云图和图7所示温度云图，可以发现一次风高速射入吸收段后，在吸收段内出现射流核心区。此处的射流核心区的长度竟超过了设置的吸收段的长度。

图6　端部设置诱导风口风管模拟的速度云图

图7　端部设置诱导风口风管模拟的温度云图

2.3　对诱导风口设置在直管侧部的风管模拟

本次模拟中，诱导式风管的几何造型如图8所示。

图8　两侧设置诱导风口的诱导式风管几何结构图

一次风口设为速度入口，二次风口(诱导风口)设为压力入口，直管段最右端设为压力出口。一次风入口平均风速设置为4.75 m/s，一次风入口截面积为0.32×0.32 m2。收缩段颈部的面积为0.16×0.16 m2。直管段的尺寸为1.2×0.4×0.4 m3。诱导风口设置在直管段的两侧，两个诱导风口的尺寸均为0.2×0.2 m2。保持两种结构诱导风口的总面积一致。一次风的温度为6 ℃，二次风(诱导风)的温度为27 ℃，直管段最右端出口静压设为20 Pa。

由图9所示静压云图，可以发现当二次风口设置在吸收段的侧部(两侧)时，风管内静压最低处(深色区域)分布在吸收段端部(最左端)与二次风口下游的管道中央。这是由于一次风与二次风出现漩涡造成的。

由图10所示速度云图和图11所示温度云图，可以发现一次风高速射入吸收段后，同样在吸收段内出现射流核心区。此处的射流核心区的长度明显短于二次风口设置在吸收段端部时的射流核心区长度。

图9　侧部设置诱导风口风管模拟的静压云图

图10　侧部设置诱导风口风管模拟的速度云图

图11　侧部设置诱导风口风管模拟的温度云图

3对诱导比的计算

诱导比的定义为二次风的质量流量与一次风的质量流量的比值。由于温度变化范围不同，可认为二次风的密度与一次风的密度相同，所以诱导比可以表示为二次风的体积流量与一次风的体积流量之比。

式中：i为诱导比；G1为一次风的体积流量，m3/s；G2为二次风的体积流量，m3/s。

通过CFD软件对两种几何造型的诱导式风管进行模拟计算，除云图外，还可以获得诱导风口的平均风速，由此可以计算出诱导风量，再计算出两种几何造型吸收段的诱导比，并进行比较。

已知一次风入口面积和截面平均风速，可以计算出一次风量；通过CFD软件模拟计算，获得诱导风速(二次风口截面平均风速)，二次风口(诱导风口)的面积是自己设定的，可以计算出二次风量，如表1所示。两种几何造型的吸收段诱导风口仅仅是设置位置不同，二次风口总面积是相同的，且风管其他部分和模拟条件都是相同的。

表1　两种诱导式风管诱导风量及诱导比的计算表

4结论

(1)对没有设置诱导风口的风管模拟，通过云图分析，可以发现一次风经过收缩段，速度升高，静压下降；在直管段中形成射流核心区，直管段静压最低处在直管段的最左端或直管段侧面。

(2)将诱导风口分别设置在吸收段的端部(左端)和侧部(两侧)，保证两种造型的诱导风口总面积相同，再使用CFD软件进行模拟。分别得到二者的静压、速度和温度云图。通过比较可知诱导风口设置在端部，射流核心区更长，更有利于卷吸二次风。

(3)通过CFD模拟软件可计算出各诱导风口截面的平均风速，进而算出两种情况下的诱导风量，通过比较可知，将诱导风口设置在吸收段端部，诱导风量更大，即更有利于诱导二次风。

(4)通过计算诱导比可知，将诱导风口设置在吸收段端部，可获得更大的诱导比，因此，吸收段可按此设计。

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Numerical Simulation Study on Internal Fluid Properties in Induction Duct

Su Fei, Wei Bing

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)