基于CFD與正交試驗設計的均流板性能優化

郭月姣，顧 忱，周 琢，馮國增

（江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇鎮江 212003）

0 引言

空調箱主要由過濾段、表冷段、加熱段以及加濕段等空氣處理部件組成，現有空調箱風機出口空氣流速極大，一般達到12～18 m/s，強烈的氣體射流對過濾段空氣過濾器的沖擊作用會嚴重損害其使用壽命。因此，常在空調箱中設置均流孔板以提高氣流分布的均勻性，達到保護過濾器的目的，但是現有空調箱仍存在入口氣流分布不均勻、過濾器使用效率偏低以及使用壽命短暫等現象。

侯文龍等[1]對下進風內濾式袋式除塵器有無導流板時除塵器內的壓力場、流場、粒子軌跡和流線分布等進行了數值模擬，分析結果顯示，添加導流板后，氣流分布得到改善，速度變化均勻；張越等[2]通過CFD對高效過濾器的內部流場進行了模擬分析，通過改變均流板的安裝高度，統計高效過濾器的入口流速，得出特定尺寸的均流板安裝高度對入口速度分布的影響；張哲等[3]利用數值模擬技術，對下進風過濾器進行模擬試驗，模擬其內流場的變化并進行優化，試驗結果表明：增設孔板并將進口管改為漸擴管后，氣流均勻性得到了很大的提高。陳得勝等[4]提出了一種導流板和均流板的布置方案，運用CFD方法進行模擬分析，結果表明添加了導流板和均流板布置后，內部流場的均勻性得到了明顯改善。馬修元等[5]采用計算流體動力學（CFD）方法，研究孔板開孔率對流場分布的特性。

然而，這些研究對均流板結構參數研究不全面，未考慮均流板的實際結構，因此有必要對均流板各設計參數對流場影響做進一步的詳細分析。本文以空調箱均流板為研究對象，研究空調箱均流板的各設計參數（導流板出口與孔板距離、孔板孔的大小、孔板孔間距）對空氣均流能力的影響。由于試驗設計較復雜，采取CFD數值模擬的方式進行。

2 數值模擬

2.1 物理模型

所研究內容僅為風機氣流通過孔板后的氣流組織均勻性，故可將空調箱整體模型簡化，僅保留風機出口導流板部分、孔板部分和空調箱外殼部分。由Solidworks建立的模型如圖1所示。

圖1 空調箱模型圖

空調箱風機導流板截面矩形尺寸為750 mm×750mm，長度為125mm。空調箱箱體部分截面矩形尺寸為2200mm×1804mm，整體長度為2000mm。本文試驗的空調箱中，選用SYQ560K型號的風機，風量24770m3/h，出口風速為13.46m/s。

2.2 數學模型

空調箱內部為復雜的三維湍流流場，數值計算時假設流場為等溫定常流動，流體不可壓縮，湍流模型選取常用的標準k-ε湍流模型來模擬內部流體流動，連續性方程、動量方程、k方程以及

設置入口邊界條件為速度入口，速度大小設置為風機出口風速13.46 m/s；出口設置為壓力邊界條件，取大氣壓力；壁面邊界為無滑移壁面。

2.3 監測點設置

本文試驗目的是探究空氣通過孔板后氣流組織的均勻性，即了解截面上氣流速度或者壓力的變化情況，因此，以空調箱截面的平均速度梯度作為試驗的對比指標。由于空調箱截面較大，求解整個截面的平均速度梯度難以實現，所以可在截面選取測點求解其平均值代替整個截面的平均梯度。考慮現有空調箱過濾器安裝位置多位于風機出流后約1 m的位置，本文選取測點所在截面即為導流板直線距離1 mm。考慮孔板的均流作用，測點布置如圖2所示。先設置出3條標準線，中間標準線設置于空調箱縱向中線，上下2條標準線與中間標準線的距離均為600 mm，此3條標準線可分別探究孔板中間出流和孔板兩側空調箱內流體域出流的梯度。在每條標準線上設置5個測點，共計15個測點，利用15個測點的速度梯度平均值作為評價指標。相鄰測點間距約367 mm。同時可為截面測點進行命名，順序為從左到右、從上到下的標號。

圖2 測點布置截面分布圖（單位：mm）

3 正交試驗設計

本文主要研究空調箱均流板均流效果的影響因素和影響水平，如果按照傳統對照試驗，勢必會產生很大的工作量。因此，本文對正交試驗進行模擬分析。正交試驗設計法是日本著名的統計學家田口玄一提出的一種可高效尋求較優因素水平組合的設計方法[7]，其設計理念是在試驗因素的全部水平組合中，挑選出代表性強的少數組合方案，通過分析部分試驗結果來了解全面試驗情況，找出最優水平組合[8]。

主要針對調箱導流板出口與孔板距離、孔板孔的大小、孔板孔間距3個參數進行研究。以陳二松等[9]研究的參數選擇以及水平決定方案為依據，從實際研究以及差異性2方面考慮。擬選取的均流板孔徑面積參數分別為80 mm2、100 mm2和120 mm2，選取孔間距參數為15 mm、16 mm、17 mm、18 mm和19 mm；選取進風口距離參數分別為120 mm、125 mm、130 mm、135 mm和140 mm。孔板開孔按照正方形排列，其平面圖中心與進風口平面正方形同軸。

綜上所述，本文試驗設計為3因素5水平的正交試驗，根據正交試驗設計的原理以及所需要考慮的影響因素項目和水平，可設計出模擬試驗的參考正交表。如表1所示，共設計出25種試驗工況，需進行25次模擬試驗。

表1 正交試驗表

4 結果分析

4.1 模擬結果分析

以試驗1為例進行模擬結果速度云圖分析，選取y＝1 m（一般空調箱過濾器安裝距離即為1 m）截面，如圖3所示，高速氣流在由風機導流板的狹小空間流入到空調箱的大空間時，速度會有一定的衰減，但由于風機導流板較短，截面突擴阻力較小，且風機出口為氣體射流，所以速度變化不明顯。在氣流流過孔板后，孔板的阻力作用使得流體流速大幅降低。同時，由于部分氣體流經孔板兩側狹縫處，根據連續性方程，速度變大，但是狹縫后為空調箱的大空間，速度隨后降低。

圖3 y ＝1 m 時試驗1速度云圖

對模擬后的結果進行處理，查看25組試驗下導流板后1 m處截面的速度梯度，如圖4所示，可以看出，不同的結構參數設計對導流板的速度均勻性影響很大：試驗1（孔面積為80 mm2，孔間距為15 mm，進風距離為120 mm）的速度梯度最大，為1.13 s?1，試驗12（孔面積為120 mm2，孔間距為17 mm，進風距離為140 mm）時速度梯度為0.004 s?1。采用試驗12的結構參數速度均勻性較好。

4.2 多因素方差分析

圖4 各試驗下測點平均的速度梯度圖

表2 正交試驗的Minitab數據輸出

當有2個以及2個以上的因素會對試驗結果產生影響時，需要利用多因素方差分析的方法來對所選擇的影響因素進行定量分析。通過假設檢驗的過程來判斷所選的影響因素是否顯著，主要指標為F值和P值。由于方差分析計算量較大，且手工計算容易出現差錯，所以采用Minitab軟件協助計算，計算結果如表2。面積自由度為2，進風距離自由度為4，孔間距自由度為4，誤差自由度為14。根據因子自由度和誤差自由度的數目，可查得α為10%和75%時的F值分布，得到臨界F值為：F0.1(2,14)＝2.73，F0.1(4,14)＝2.39，F0.25(2,14)＝1.53，F0.25(4,14)＝1.52。通過比較各項因子所對應的F值和臨界F值可以看出：進風距離的F值2.52＞2.39，孔間距的F＞1.52。由此可以稱，有90%的置信度可以認為進風距離對于試驗指標有顯著的影響，有75%的置信度可以認為孔間距對于試驗指標有顯著影響，而孔板小孔面積的變化對于試驗指標影響并不顯著。如圖5所示，進風距離對于試驗指標的影響最為明顯。

圖5 正交試驗因素效應影響條形圖

5 結論

針對某工業正在使用的空調箱進行均流板的結構參數優化分析，利用正交試驗設計25組試驗，后用CFD模擬法對不同結構參數進行數值分析，得出主要結論如下：

1）對數值模擬出的結果進行分析，以速度梯度均勻性為評判指標，得到了進風距離是影響孔板均流效果的最顯著影響因素。

2）通過對各結構參數對速度梯度的耦合影響分析，可得參數組合為小孔面積120 mm2、進風距離140 mm、孔間距17 mm時，速度梯度數值最小，均流效果最明顯。