風量罩均速矩陣結構優化與仿真分析

李 誠,陳業盛,魯月林,2,鄭衍暢,2*

(1.安徽工程大學 機械工程學院,安徽 蕪湖 241000;2.安徽華東光電技術研究所,安徽 蕪湖 241000)

當前,隨著我國工業生產轉型升級,風量測量裝置應用場景越來越廣泛,需求也在快速增加。潔凈室設計建造過程中出風口的送風量[1],以及空調系統調試[2]中的吹風風量等相關數據普遍采用風量罩進行測量。風量罩是一種針對風口風量測量較為高效方便的儀器之一,可以快速檢測并實時顯示測量數據[3-4],測量精度受其原理、結構及使用方法等多方面影響。

風量罩主要采用壓差式的測量原理,通過測量特定截面不同點位的全壓及靜壓值,進而計算風量值的大小[5]。均速矩陣作為風量罩關鍵測量部件之一,布置在風量罩圓管基座段內,可以測量多點動壓(全壓和靜壓的差值)并求平均值,進而利用伯努利方程計算得到截面平均風速[6]。均速矩陣結構決定了測點的數目和位置,其結構本身也會對罩體內流場產生較大影響,這些均會影響測量結果的準確性[7-8]。因此,合理地設計均速矩陣結構對減少測量誤差尤為重要。

目前,針對風量罩研究主要集中在罩體結構對測量結果的影響以及測量誤差的不確定度分析方面。王成鳳等[9-10]通過實驗研究了風量罩罩體結構和相對于風口擺放位置對測量結果的影響,得出罩體尺寸的選擇原則和風口居中擺放的結論。陸科等[11]參照風速類測量儀表不確定度的評定方法,對風量罩的不確定度進行了分析和評定。楊建國等[12]研究了應用于鍋爐風量測量的均速笛形管結構對測量誤差的影響,通過對多個不同結構笛形管的流場數值模擬,得出風道內笛形管設計布置的基本要求。但是,關于風量罩均速矩陣結構對風量測量準確性的影響及改進優化的相關文獻尚未見報道。

本文建立了風量測量仿真方法,分析了不同均速矩陣結構對風量測量結果的影響,驗證了優化后的圓環均速矩陣結構的優越性。

1 風量測量仿真方法

1.1 罩體模型建立

當前典型罩體結構的物理模型如圖1所示。由圖1可見,罩口為邊長610 mm的正方形,基座段為直徑400 mm、長度260 mm的圓筒,罩體段長720 mm,入風口為邊長250 mm的正方形。

圖1 罩體物理模型

1.2 仿真設置

本文主要研究風量罩測量風口風量過程中罩體內流場的分布情況,設置條件如下:①以定常無雜質不可壓縮空氣為流體介質;②不考慮溫降,采用標準k-ε湍流模型進行流動模擬;③測量過程嚴格滿足質量守恒定律;④風口位于罩口正中位置。采用非結構化網格對計算區域進行劃分,對罩體壁面和均速矩陣支架等梯度較大的地方進行邊界層網格加密處理,湍流動能、湍流耗散項和動量方程均采用二階迎風格式,壓力-速度耦合采用SIMPLEC算法,計算域進口采用Velocity-inlet條件,出口采用Outflow條件。設定風速邊界,按照一般空調系統風管風速,給定風量罩入口風速,取值5 m/s。

1.3 風量計算方法

本文研究對象為風量罩,測量流量的流體介質為空氣,空氣被認為是不可壓縮的理想定常流體,其流動過程遵循質量守恒定律和動量守恒定律,即流體運動的連續性方程與伯努利方程,其數學表達式如下:

(1)

式中,V1為迎風面測量區域平均風速;V2為背風面測量區域平均風速;P1為迎風面測點的全壓值;P2為背風面測點的靜壓值;ρ為流體密度值。

由于均速矩陣迎風面的全壓孔處的流體受到支架阻擋,此處風速為0,即V1=0。故式(1)可化簡為:

(2)

(3)

(4)

根據速度-面積法,通過測量截面上各測點位置的全壓及靜壓以及流體的密度得到對應截面的軸向風速,從而確定氣流風量的大小。

(5)

式中,Qm為測量的質量風量值;A為測量截面面積;ΔPi為均速矩陣測點動壓值;αi為壓差標定系數。

1.4 仿真測量結果評價指標

在均速矩陣測點處記錄靜全壓值的模擬結果,從而計算得到相應工況下的模擬風量值。通過計算風量測量相對誤差來評價不同均速矩陣結構性能的好壞,測量相對誤差公式[13]如下:

(6)

式中,γ為仿真測量相對誤差值;Qs為仿真設定風量值;Q為仿真測量風量值。

2 現有均速矩陣分析

2.1 原理分析

以現有典型16點均速矩陣為例,說明工作原理。均速矩陣安裝于風量罩基座中段,其結構基于皮托管原理設計。迎風面有16個相互連通的全壓測量孔,氣流從全壓測量孔進入全壓腔后混合,可直接獲取1個截面平均全壓值,背風面有16個相互連通的靜壓測量孔,氣流從靜壓測量孔進入靜壓腔后混合,可直接獲取1個截面平均靜壓值,且兩面相互隔離[14-15]。測量截面平均動壓值等于平均全壓值減去平均靜壓值,再根據伯努利方程,計算截面平均風速,進而得到風量值。

2.2 仿真分析

典型16點均速矩陣如圖2所示。由圖2可知,其位于風量罩基座段中間,4根短均速管長度均為125 mm,2根長均速管長度均為375 mm。通過CFD(Computational Fluid Dynamics)方法對流場進行仿真分析。

圖2 典型16點均速矩陣

當入口速度為5 m/s時,y-z剖面的速度分布和矢量分布如圖3所示。由圖3a可知,流體到達均速矩陣時速度梯度分布均勻,從中心到均速矩陣邊緣不存在明顯的分層現象,說明此模型下,罩體結構與風口大小能夠滿足準確測量要求。由圖3a、b可以看出,流體通過均速矩陣后風速分布變化明顯,在迎風面產生了渦流,在背風面產生了回流,均速矩陣對流體的阻礙作用較為明顯,造成風速分布不穩定,從而造成風速測量結果誤差較大。

圖3 采用典型16點均速矩陣時的流場分布

均速矩陣的迎風面全壓云圖和背風面靜壓云圖如圖4所示。由圖4可知,迎風面各測點處均為正壓,背風面各測點處均為負壓,符合測量條件。其中,均速矩陣16個測點的動壓測量平均值為13.0 Pa,而均速矩陣所在截面的實際平均動壓值為12.4 Pa,測量相對誤差較大,為4.8%。

圖4 采用典型16點均速矩陣時的迎、背風面壓力分布

3 均速矩陣結構優化

3.1 優化策略

沒有均速矩陣時,風量罩基座段測量截面風速分布如圖5所示。由圖5可知,整個截面風速梯度分布比較均勻,等風速線近似為同心圓。為減小均速矩陣結構對流場分布的影響,將均速矩陣設計成3個獨立的圓環,分布采樣所在區域的流體風速。圓環直徑參數依據等面積法原則設定,通過將基座段測量截面等面積劃分3個區域,最中間為圓,另外兩個區域為同心圓環,等面積分布法測點位置如圖6所示。圓環半徑計算如式(7)所示:

圖5 無均速矩陣時測量截面速度云圖 圖6 等面積法圓環位置示意圖

(7)

式中,Ri為第i個圓環半徑;R為基座段截面半徑200 mm;i為從中心計數起圓環編號;n為圓環個數。

由式(7)可得:R1=0.408R,R2=0.707R,R3=0.913R。即當基座段直徑為400 mm,內環直徑為164 mm,中環直徑為282 mm,外環直徑為366 mm,如圖6所示。流體分別通過每個圓環各自的全壓和靜壓測量孔進入圓環內部的全壓腔和靜壓腔,均勻混合得到圓環所在區域平均風壓,每個圓環可獨立地獲取1個動壓值,測量截面平均動壓來自于3個圓環動壓測量值的加權平均,避免了整體混合平均帶來的誤差,測量準確度更高。

3.2 仿真驗證

圓環均速矩陣位于風量罩基座段中間,每個圓環上均勻分布5個相互連通的測點,如圖7所示。

圖7 圓環均速矩陣

設置與典型16點均速矩陣相同的仿真條件,對優化后的圓環均速矩陣進行數值模擬,分析罩體內的流場分布。y-z剖面的速度分布和矢量分布如圖8所示,圓環均速矩陣的迎風面全壓云圖和背風面靜壓云圖如圖9所示。

圖8 采用圓環均速矩陣時的流場分布

圖9 采用圓環均速矩陣時的迎、背風面壓力分布

由圖8a、b可以看出,由于圓環結構對流體阻礙作用減小,流體通過圓環均速矩陣后風速分布未發生明顯變化,迎風面的渦流現象和背風面的回流現象得到明顯抑制。由圖9a、b可得,圓環均速矩陣內環測得的動壓值約為18.4 Pa,中環測得的動壓值約為13.7 Pa,外環測得的動壓值約為5.6 Pa。圓環均速矩陣的動壓測量平均值由內、中、外環測得的動壓值求平均所得,約為12.6 Pa,而圓環均速矩陣所在截面的實際平均動壓值為12.2 Pa,測量相對誤差為3.3%,準確度相比典型16點均速矩陣得到明顯提高。

為了更全面地對比圓環均速矩陣和典型16點均速矩陣的測量準確度,我們設置了5種不同的風量工況,具體工況參數如表1所示,得到了5種不同風量工況下兩種均速矩陣結構的測量相對誤差,如圖10所示。由表1及圖10可以看出,5種風量工況下,優化后的圓環均速矩陣測量相對誤差均比典型16點均速矩陣小,性能更為優越。

表1 模型仿真工況參數

圖10 不同工況下仿真測量相對誤差

4 結論

本文建立了基于CFD的風量測量仿真方法,并對典型16點均速矩陣和優化后的圓環均速矩陣進行了流場分析。結果表明：

(1)現有典型16點均速矩陣對流體阻礙作用較為明顯,流體通過均速矩陣后風速分布變化明顯。通過兩個互相獨立的空腔混合流體,各測點間壓力直接平均只能得到一組動壓值,導致測量相對誤差較大。

(2)相比于典型16點均速矩陣,優化后的圓環均速矩陣對流體的阻礙作用更小,流體通過矩陣后的風速分布未發生明顯變化,迎風面的渦流現象和背風面的回流現象得到明顯抑制。

(3)通過圓環均速矩陣獨立獲取多組動壓值,引入壓差標定系數,解決了多點測量平均輸出導致的誤差問題,通過對比5種風量工況下的測量相對誤差,優化后的圓環均速矩陣測量準確度更高,性能更優越。