空氣過濾裝置內部流場模擬及其結構優化

李光毅 劉金祥 周 斌 朱 越 黃 慶

1南京工業大學城市建設與安全工程學院

2江蘇創云環?？萍加邢薰?/p>

空氣過濾裝置內部流場模擬及其結構優化

李光毅1劉金祥1周 斌1朱 越1黃 慶2

1南京工業大學城市建設與安全工程學院

2江蘇創云環?？萍加邢薰?/p>

為了探明某雞舍過濾裝置內部流場及壓力場的分布情況，應用計算流體力學方法對過濾裝置內部流場進行仿真計算及分析，并搭建試驗臺進行測試，對仿真結果進行驗證。研究結果表明減小過濾裝置進氣口與出氣口角度，并且將突縮段做變徑處理能夠有效改善過濾裝置的流場與壓力場分布，經改進后的裝置流阻損失減小8%。此過濾裝置還適用于過濾進風口面積小、風速高的場合，如數據機房等。

空氣過濾器 多孔介質 流場優化 結構優化

某雞場過濾裝置在額定工況下，經過實際運行發現過濾裝置整體阻力略高于用戶的要求，造成風機能耗偏大，需要對其內部結構進行優化，改進流場使其結構阻力降低以達到節能的目的。通過大量實際工作，本文采用CFD技術對該過濾裝置進行流場分析，得到其內部的流場分布和壓力分布。通過分析流場找出改進措施，然后對新的產品模型進行仿真計算分析、實驗，使其改善內部流場分布及壓力場分布，達到流動阻力減小降低風機能耗的目的。

1 數值計算模型分析

本文只針對過濾裝置內部流場進行優化，所以為了簡化模型，作了如下假設[1]：

1）空氣過濾裝置內部只有空氣一種氣相介質；

2）流體的密度變化很小，視為不可壓縮流體；

3）當過濾裝置在穩定工況下工作時，溫度保持不變，可認為整個流動過程是個等溫過程；

4）通過雷諾數的大小判斷空氣的流動形態，經計算可得到雷諾數為Re=1.44×105，大于層流和湍流的臨界雷諾數，因此其流動為湍流，故采用湍流模型描述空氣過濾裝置內部的氣流流動狀況。

因此，空氣過濾裝置內部的氣流可假定為穩定、不可壓縮的單相流流動模型[2]。在劃分網格時，使用非結構網格對計算區域進行離散。壓力項和速度項采用耦合的SIMPLE算法。

2 數值計算模型

2.1 物理模型及網格劃分

由于目前對濾芯阻力研究已經很成熟了，因此本文只針對過濾裝置結構阻力進行研究。為了能夠較為詳細地了解該過濾裝置的內部流場特性，保留了本裝置的全部實際構件，該過濾裝置由兩個進風口、兩個出風口、兩塊濾料及一個殼體組成，兩進風口尺寸為590mm×750mm，兩出風口尺寸為590mm×65mm，詳見圖1。因濾料的厚度與整個裝置尺寸相比比例較大，劃分網格數量較多，為節省計算時間將模型進行軸對稱化處理，并采用非結構化的四面體網格劃分計算區域，經過反復試算，找到最優網格大小及數量，最終網格總數為5601644個，詳見圖2。

圖1 過濾裝置結構圖

圖2 網格劃分模型

2.2 介質物性參數設計

介質為空氣，實際運行工況參數如下：環境大氣壓力 p=101.325kPa，溫度 T=20℃，空氣密度 ρ= 1.205kg/m3，空氣粘度μ=1.82×10-5Pa·S。

2.3 邊界條件設置

進口為壓力入口，為當地大氣壓力；出口為速度出口，根據額定工況設定出口的流速；設空氣過濾裝置濾料為多孔介質區域，流體在多孔介質區域為層流流動，遵循Darcy定律，可以使用式（1）所述的數學模型來模擬動量方程的原項[3]：

對式（1）進行濾料厚度方向積分可得到式（2）：

式中：vi為i方向速度矢量；vmax為i方向最大速度矢量；v為速度矢量；α為多孔介質的滲透性。

式（2）表明，多孔介質的壓力損失分為2個部分，第1部分是粘性損失項，第2項是慣性損失項。

通過實驗測試得到濾料的厚度及速度和壓降的關系，進行計算得到多孔介質粘性阻力1/α=-4.99353× 109m-2與慣性阻力C2=4.997×105m-1。

3 CFD分析結果

圖3、圖4分別為空氣過濾裝置在額定流量1100m3/h時的速度矢量分布圖、壓力分布云圖。

圖3 速度矢量分布圖

圖4 壓力分布云圖

為了較為清晰地觀察內部流動情況，對突縮段進行局部放大（詳見圖5、圖6）。從速度矢量場中可以看到由于過濾裝置內部結構的影響，在突縮段速度場分布不均勻，存在流速很小的區域，造成較大的負壓區。由于速度場分布不均勻導致內部總壓損增大，所以需要改進過濾裝置結構，以優化流場分布。

圖5 突縮段速度矢量分布圖

圖6 突縮段壓力分布云圖

4 優化設計

由仿真結果，有針對性地提出兩點改進措施：1）將過濾裝置的突縮段做變徑處理；2）減小同側進氣口與出氣口的夾角，兩進氣口夾角為17°。

改進后的結構網格劃分如圖7所示。

圖7 改進后結構網格劃分模型

圖8 改進模型突縮段速度矢量圖

圖8、圖9為結構改進后突縮段速度矢量場及壓力分布云圖的局部放大圖。從圖8、圖9中可以看出，改進后的模型與原模型相比氣流流場與壓力場分布均勻，達到了改進的目的。改進前流動壓力損失為22.6Pa，改進后流動壓力損失為20.8Pa，壓力損失降低了8.0%，減小了雞舍內風機的能耗。

圖9 改進模型突縮段壓力分布云圖

5 方案驗證

為了更加準確地驗證模擬結果，搭建了如圖10所示的試驗臺。

圖10 試驗臺

雞舍每臺過濾裝置的額定風量為1100m3/h，按照額定工況分別對原模型及改進后的模型進行了測試，得到的結果與模擬結果進行比對，結果見表2。

表2 模擬結果與實驗結果對照表

在額定流量1100m3/h的工況下，原模型總壓力損失為25.6Pa，改進后的模型總壓力損失為23.5Pa，壓力損失減小了2.1Pa比原模型壓損降低了8.2%，符合仿真預期。

6 總結

1）為了研究整個過濾裝置的流場特性，應用計算流體力學仿真模擬進行了流場的數值分析，通過數值分析計算得到各種參數分布圖，基本能夠表明過濾裝置的內部流場特性，并通過試驗驗證了多孔介質模型的準確性。

2）將裝置的突縮段做變徑處理及減小進風口與出風口夾角后流場分布均勻，負壓區消失，流阻損失與原裝置相比減小8.2%，同時較為詳細地描寫了多孔介質的模擬仿真過程，并通過試驗驗證了多孔介質模型的準確性。

[1] 李佳,劉震濤,劉忠民,等.空氣濾清器流動過程仿真與試驗分析[J].浙江大學學報,2012,46(2):327-332

[2] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京:清華大學出版社,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，碩士研究生；南京市鼓樓區中山北路200號（210000）；E-mail:liguangyi0001@sina.com