高效空氣過濾器導(dǎo)流板對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)化的數(shù)值模擬 :
摘要：本文用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)側(cè)出風(fēng)過濾器內(nèi)部進(jìn)行了流場(chǎng)模擬，氣流在靜壓箱內(nèi)部及出風(fēng)口處的分布很不均勻，通過在靜壓箱內(nèi)增加導(dǎo)流板可以很好地優(yōu)化流場(chǎng)分布。對(duì)加裝的不同半徑和數(shù)量的導(dǎo)流板工況分別進(jìn)行了模擬分析，得出了最佳導(dǎo)流效果的導(dǎo)流板形式。
高效過濾器導(dǎo)流板數(shù)值模擬，前言、隨著人們生活水平的提高室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)人體健康的影響已成為社會(huì)普遍關(guān)注的重要問題之一。現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代工業(yè)，特別是電子、精密機(jī)械、冶金、宇航、核能、化工等工業(yè)以及醫(yī)療、制藥、食品等部門的發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)工藝環(huán)境也提出了更高的潔凈度要求。
采用空氣潔凈技術(shù)的目的正是為了滿足室內(nèi)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)工藝對(duì)空氣質(zhì)量的要求以及潔凈間、無菌室等特殊要求。這些都促進(jìn)了空氣潔凈技術(shù)及其關(guān)鍵設(shè)備空氣過濾器的發(fā)展。
高效空氣過濾器是實(shí)現(xiàn)高潔凈度空氣凈化的關(guān)鍵設(shè)備，是空氣潔凈技術(shù)的最基本和最必要的手段。其出風(fēng)的均勻性會(huì)直接影響潔凈室流場(chǎng)的均勻性，在側(cè)出風(fēng)的過濾器中，出風(fēng)口的氣流分布很不均勻，這將對(duì)潔凈空間的流場(chǎng)以及后續(xù)設(shè)備的穩(wěn)定、高效工作造成不利影響。在高效過濾器中加裝導(dǎo)流板能對(duì)此問題起到很好的改善、優(yōu)化作用。本文對(duì)過濾器靜壓箱中加裝導(dǎo)流板后的流場(chǎng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，以便更詳細(xì)地了解過濾器加設(shè)導(dǎo)流板后的性能、找出適合側(cè)出風(fēng)過濾器的導(dǎo)流板形式，也為側(cè)出風(fēng)式過濾器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。
1、物理模型 圖1為過濾器模擬的模型，氣流經(jīng)頂部方形入口流入，經(jīng)濾料過濾后進(jìn)入靜壓箱，最后在右側(cè)出風(fēng)口流出。模型中箱體尺寸為670mm×365mm×326mm，濾料尺寸為562mm×270mm×294mm。此型號(hào)入口風(fēng)量為1700m3/h，方形入口尺寸666mm×361mm，出口尺寸355mm×155mm。
2、網(wǎng)格劃分 本文用CFD前處理器Gambit軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件的定義，可以對(duì)模型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)生成附面層內(nèi)網(wǎng)格，并且附面層內(nèi)的貼體網(wǎng)格能很好地與主流區(qū)域的網(wǎng)格自動(dòng)銜接，進(jìn)而提高網(wǎng)格的質(zhì)量。為了使氣流數(shù)值模擬結(jié)果接近實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的數(shù)目要求足夠大，直到隨著網(wǎng)格數(shù)目的增加，計(jì)算結(jié)果不再有顯著的變化為止。同時(shí)，在滿足網(wǎng)格足夠細(xì)密的基礎(chǔ)上，盡量減少網(wǎng)格數(shù)量以降低計(jì)算量，提高收斂的穩(wěn)定性。 本文用Gambit軟件對(duì)物模進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，采用直角坐標(biāo)系，對(duì)于物理量變化較激烈的區(qū)域，如導(dǎo)流板表面等處進(jìn)行局部加密網(wǎng)格，使得計(jì)算的結(jié)果更加準(zhǔn)確，過濾器箱體內(nèi)部網(wǎng)格稍稀，可以減少節(jié)點(diǎn)、節(jié)省計(jì)算時(shí)間。對(duì)導(dǎo)流板使用Tri網(wǎng)格，尺寸為5mm，對(duì)整體使用Het/Hybrid劃分，尺寸為10mm。計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。
3、數(shù)學(xué)模型和邊界條件 過濾器內(nèi)部流速較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以其內(nèi)部流動(dòng)為湍流，模擬時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，在近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法[3~4]。在建模時(shí)假設(shè)：流體作定常流動(dòng)；整個(gè)流動(dòng)過程為等溫過程；流體為不可壓縮流體。流體流動(dòng)要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律。如果流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運(yùn)方程。本文所研究的問題為常溫下忽略能量傳遞的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。所以控制方程為：式中：v為動(dòng)力粘度；p為流體微元體上的壓力；μ、ν、ω為速度矢量在三個(gè)坐標(biāo)x、y、z方向的速度分量；
ρ為空氣密度。
空氣密度取為1.2kg/m3，操作壓力（Operatingpressure）設(shè)為101325Pa；入口采用Velocity-inlet，速度保持恒定；出口采用Pressuer-outlet，壓力值取0 Pa，即與外界標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相同。計(jì)算過程中用變量的殘差變化監(jiān)視計(jì)算的收斂性，設(shè)定各方程兩次迭代殘差界限為1e-3，計(jì)算迭代1000次。
4、模擬工況 為分析過濾器內(nèi)部氣流分布狀況，在出口表面上劃分8個(gè)等面積區(qū)域，根據(jù)出風(fēng)面的大小，輸出各面上平均速度值，利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行速度均勻性的分析，列出每組數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差值和標(biāo)準(zhǔn)方差值，值越小說明氣流越均勻。模擬時(shí)通過改變導(dǎo)流板的數(shù)量、半徑等參數(shù)，對(duì)不同導(dǎo)流板工況下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而選擇合理的導(dǎo)流板形式。表1為各種模擬工況。
5、模擬結(jié)果及分析 從表2中可以看出隨著導(dǎo)流板個(gè)數(shù)的增加，出風(fēng)口相對(duì)誤差限從±9%降至±3%，標(biāo)準(zhǔn)方差從0.4823降至0.1515，因此導(dǎo)流板對(duì)氣流的路徑有很大的改善。在工況1的數(shù)據(jù)的單獨(dú)統(tǒng)計(jì)中，也即沒有導(dǎo)流板的工況下，出口下半部分相對(duì)誤差值為正值，上半部分為負(fù)值。這是由于存在從濾料中流出的氣流在慣性的作用下在靜壓箱下部分配較多，使下部速度偏高，上部速度并不高。導(dǎo)流板作用也是為了避免在側(cè)面風(fēng)口出現(xiàn)下面風(fēng)速大上面風(fēng)速小現(xiàn)象，盡可能使速度場(chǎng)均勻。過濾器出風(fēng)口的相對(duì)誤差限值和標(biāo)準(zhǔn)方差值隨導(dǎo)流板數(shù)目的增加而減小，說明導(dǎo)流板數(shù)目的增加有利于出口氣流的均勻。但4個(gè)導(dǎo)流板時(shí)標(biāo)準(zhǔn)方差值略有上升，但相對(duì)誤差值并沒有隨著趨勢(shì)大幅減小，說明并非導(dǎo)流板的數(shù)目越多越好，并且導(dǎo)流板數(shù)目的增加會(huì)增加靜壓箱內(nèi)部的阻力損失，加重了風(fēng)機(jī)負(fù)荷，還會(huì)帶來過濾器加工成本的上升。綜合分析各種因素，將3塊導(dǎo)流板的工況定位最佳工況。從圖3中可以具體地看到最佳工況的導(dǎo)流板分布狀況，圖4為過濾器中心對(duì)稱面取截面，得過濾器箱體內(nèi)部速度矢量分布圖。
6、結(jié)論 側(cè)出風(fēng)過濾器出口流場(chǎng)是否均勻與氣體在靜壓箱內(nèi)的分配狀況有很大關(guān)系，其中導(dǎo)流板對(duì)其影響較大。借助Fluent軟件對(duì)添加導(dǎo)流板前后的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：導(dǎo)流板對(duì)流場(chǎng)有明顯的影響，添加導(dǎo)流板后氣流的速度場(chǎng)分布更為均勻，濾袋出口流量的不均度幅值大大降低。導(dǎo)流板的數(shù)目為3個(gè)時(shí)，均勻程度為更好。
