大空間紡織廠房管道送風均勻性數值模擬研究

王鳳超 高 杰 張利瑤 汪虎明 王利軍 陳文滔

（1.中國礦業大學，江蘇徐州，221116；2.江蘇精亞集團有限公司，江蘇無錫，214466）

隨著紡織業的不斷發展，我國形成了高度集中的大規模紡織生產模式。此種模式下，紡織車間的空間較大，單個車間的設計規模常在8 萬錠以上［1］，單側送風距離可達80 m［2］，送風距離遠、送風流量大對空氣調節系統的要求很高。目前，包括紡織車間的大空間工業廠房空調系統均采用全面空調系統，在溫度調控和節約能源方面取得了較好的效果。

為進一步優化大空間工業廠房的空調系統，國內外學者進行了大量研究。SIMMONDS P等［3］通過理論分析及現場實測研究了高大空間分層空調技術，通過優化風口參數的方式提高了運行節能及熱舒適性。張翔［4］結合三峽電站主廠房發電機層空調熱態模型試驗對高大空間空調技術的應用進行了研究。楊露露［5］根據相似理論建立廠房模型并進行試驗，結果表明：送風速度和送風口直徑對空氣分布特性有明顯影響。孫燕［6］采用CFD 數值模擬方法研究了高大中庭空調氣流組織的熱舒適性，并研究了送風角度和方式對室內熱環境的影響。劉曉雨等［7］對大空間的航站樓候機廳進行了數值模擬研究，結果表明航站樓中圍護結構形成的冷負荷占比較小且頂部不能設置排風口。梁超等［8］以航站樓等高大空間為例進行分析，獲得了高大空間內更為詳細的參數分布，并根據能量平衡關系獲得高大空間負荷減小的規律。趙楠楠等［9］分析了紡織軸流風機在多風機并聯情況下的風機性能參數變化規律，得出多風機并聯運行的設計、運行規律及優化方法，使送風系統高效安全運行。耿宇等［10］通過改變工業廠房送風口的高度和送風角度，發現風口高或送風角度向上可以有較遠的送風距離，但是工作區顆粒物濃度高，而較高風口選擇向下送風角度工作區顆粒物濃度大幅降低。

上述研究從空調結構和送風方式角度給出了優化空調系統的建議，但缺乏對送風口阻力系數的研究，也未對管道送風均勻性進行探索，限制了空調系統性能的進一步優化。因此，本研究基于設計的送風管道及送風口的結構尺寸，建立三維數值模型，并以實際送風量為計算邊界條件，開展送風過程數值計算，分析送風葉片的開度對送風口阻力系數的影響，進而通過調節送風葉片開度，實現大空間紡織車間管道送風的均勻性。

1 送風口阻力系數研究

1.1 數值建模

送風口結構取自江蘇精亞集團有限公司設計的全面空調系統，由送風主管和送風口組成。如圖1 所示，送風主管內設置與送風口平滑過渡的入口過渡片，送風口內設置梯形分流板和角度可調送風葉片。為等比例還原送風結構，本研究的仿真結構參數與精亞集團的實物保持一致，送風口主管的尺寸為2.0 m×1.0 m×0.8 m，送風口的尺寸為0.970 m×0.205 m×0.620 m。此外，送風口內設置為7 個梯形分流板，固定不能活動；送風口內設置為1 個送風葉片，角度可180°調節。

圖1 送風口結構圖

為模擬實際工作狀態下的管道送風狀態，主管入口的邊界條件設置為速度入口，風速由工業實際送風量和入口尺寸確定，因此，入口風速確定為3.5 m/s。送風口的邊界條件設置為壓力出口，壓力值選取為標準大氣壓。湍流模型使用kepsilon模型，壁面函數使用SWF 函數，壓力-速度耦合使用SIMPLE 算法，各項殘差設置為10e-4。

1.2 模擬結果與數據處理

1.2.1 阻力系數的計算方法

送風葉片開度為90 °的送風口氣流速度云圖如圖2 所示。氣流進入送風口后，先經過整流板，局部速度增加，進而穿過送風葉片，速度均勻性提高，送風口內的氣流速度范圍在3.2 m/s～3.8 m/s。此外，送風主管氣流全部進入送風口，主管右側處于無風區。

圖2 送風口氣流速度云圖

為計算送風口的阻力系數，需要在主管入口和送風口出口取1-1 和2-2 兩個緩變流截面，列出氣體的伯努利方程，如式（1）所示。其中，局部損失項hw可由公式（2）計算。

式中：p1、p2分別是1-1 和2-2 緩變流截面的壓強，v1、v2分別是1-1和2-2兩個緩變流截面的氣流速度，g是重力加速度，ρ是空氣密度，ξ為阻力系數。

根據公式（1）和公式（2），結合數值模擬得到的兩個緩變流截面的速度，可以計算得到送風葉片開度為90 °時，送風口阻力系數為1.44。

1.2.2 雷諾數對阻力系數的影響

以不同送風速度為邊界條件，對送風葉片開度為90 °的送風口進行了多組數值模擬。計算統計了不同速度（即雷諾數）條件下阻力系數的變化數值，如圖3 所示。可以發現，當雷諾數較小時，阻力系數隨雷諾數的增大而減小；當雷諾數較大時，阻力系數的降低幅度減小。整體來看，在雷諾數大幅增加的情況下，阻力系數只減小了約0.4，表明雷諾數對阻力系數幾乎沒有影響。

圖3 送風口阻力系數隨雷諾數的變化規律

1.2.3 葉片開度對阻力系數的影響

本研究開展了10 組不同葉片開度的送風口氣體流動過程數值模擬，每組送風口的葉片開度相差20°。圖片較多，本研究只節選了4 個不同葉片開度的送風口模擬結果進行展示，如圖4所示。

圖4 送風口不同葉片開度氣流速度云圖

由圖4 可知，當入口速度不變時，葉片前的氣流速度不隨葉片角度的改變而變化，而葉片后的氣流速度則發生明顯變化。此外，10 組葉片開度送風口的模擬結果顯示，當開度在0°～90°之間時，隨著開度的增大，氣體流速增加；而當葉片開度大于90°時，隨著開度的增大，氣體流速減小。

運用公式（1）和公式（2），本研究計算了10 組不同葉片開度的送風口阻力系數，并運用非線性擬合公式對阻力系數進行擬合，擬合結果如圖5所示。由圖5 可見，送風口的阻力系數在葉片開度為90°時取得最小值，即上文中的1.44；阻力系數在葉片開度為180°時出現最大值，即38.26。此外，跟上述氣流變化結果類似，當葉片開度在0°～90°之間時，隨著開度的增大，送風口阻力系數顯著降低；而當葉片開度大于90°時，隨著開度的增大，送風口阻力系數快速升高。因此，葉片開度對阻力系數有顯著性影響。

圖5 送風口阻力系數隨葉片開度變化規律

2 送風管道送風均勻性研究

2.1 數值建模

由于實際工程中的送風管道較長，管道一般需要進行變徑，提高每個送風口的風量均勻性。江蘇精亞集團設計的送風管道總長72 m，每24 m進行一次變徑，單變徑段內有12 個送風口。主管道的截面尺寸為1.6 m×1.2 m，一次變徑管道的截面尺寸為1.6 m×1.0 m，二次變徑管道的截面尺寸為1.4 m×0.8 m。由于一次調節36 個送風口的葉片角度使得每個送風口的風量均勻非常困難，本研究先對于二次送風管的送風過程進行數值模擬，得出基本規律后再對整條管道進行優化。模擬的邊界條件設置：管道入口設置為速度入口，風速由給定的風量計算為3.5 m/s；管道出口和送風口出口均設置為outflow。湍流模型、壁面函數、殘差設置等與送風口數值模擬保持一致。

2.2 二次變徑管道送風均勻性

圖6 顯示了二次變徑管道12 個送風口的氣流流場數值模擬結果。從圖中發現，送風口附近氣體靜壓降低，流速上升，表明氣體壓力能轉換為動能；此外，多個送風口附近的流速基本保持一致，送風口的流速在3.5 m/s 左右。

圖6 二次變徑管道速度和壓力分布圖

為了定量衡量管道的送風均勻性，本研究對每個送風口的流量進行統計，統計及誤差分析結果如表1 所示。最大流量出現在第5 送風口，流量為0.95 kg/s；最小流量出現在第4 送風口，流量為0.77 kg/s；預期送風流量為0.85 kg/s，送風流量最大誤差為11.8%，大部分誤差在10%以內，基本滿足紡織廠房送風均勻性要求。此外，數值模擬結果顯示同一管徑單個送風口前后的主管靜壓差都在-2 Pa 到-3 Pa 之間。因此，-2.5 Pa可以作為管道送風均勻性的一個經驗值，此時的同一管徑的送風主管中的壓力呈線性變化。

表1 二次變徑管道送風口流量分析表

2.3 送風管道送風均勻性

根據二次變徑管道模擬得出的主管靜壓差變化規律，本研究對整體變徑管道進行了送風葉片參數調節。首先，為了降低系統能耗，主管入口第一個送風口的開度設置為90°，此時的送風口阻力系數為1.44，計算得出主管壓力約為20 Pa。其次，由于比第一個送風口的壓力高2.5 Pa，第二個送風口的靜壓為22.5 Pa，此時的阻力系數為1.86，計算得出第二個送風口的葉片開度約為77°。以此類推，得到送風管道上36 個送風口的葉片開度。但是，由于工程上開度的精細調節難以實現，本研究的送風葉片開度對前述得出的角度進行簡化處理，即每5 Pa 進行一次調節。整體變徑管道的速度和靜壓分布云圖如圖7 所示。

圖7 整體變徑管道速度和壓力分布圖

在相同管徑的送風管道中，壓力和速度呈現均勻變化趨勢，而在變徑處，氣流靜壓和速度會發生突變。同一管徑下，靜壓呈線性遞增規律，速度呈線性遞減分布。雖然每個送風口的靜壓不同，但送風口的速度相差不大，基本實現均勻送風。

為了定量衡量管道的送風均勻性，本研究對整體管道中每個送風口的流量進行統計，如表2所示。最大流量出現在第7、第10、第12 送風口，送風流量為1.00 kg/s；最小流量出現在第25、第26 送風口，送風流量為0.69 kg/s。預期送風流量為0.85 kg/s，送風流量最大誤差為18.8%，大部分誤差在10%以內，基本滿足紡織廠房送風均勻性要求。此外，在此基礎上，可以預見通過葉片微調，可實現更加均勻的管道送風系統。

表2 單管變徑出口開度流量表

3 結論

為解決大空間紡紗車間管道送風不均勻的問題，本研究以實際送風管道結構為基礎，開展大空間紡織車間管道送風過程數值模擬研究，在確定不同葉片開度送風口阻力系數的基礎上，設計管道所有送風口的葉片開度，實現了管道均勻送風，研究結論如下。

（1）送風口阻力系數與葉片開度密切相關，當葉片開度在0°～90°之間時，隨著開度的增大，送風口阻力系數顯著降低；而當葉片開度大于90°時，隨著開度的增大，送風口阻力系數快速升高。

（2）主管壓力呈線性變化，隨主管長度增加，主管壓力逐漸增大。本研究所選模型每個送風口之間的主管進出口靜壓差約為-2.5 Pa。

（3）根據主管靜壓變化規律和送風口阻力系數與葉片開度的關系，經過葉片開度的調節，管道送風口的流量誤差在20%以內，管道送風均勻性得到保證。