高效空氣過(guò)濾器導流板對內部流場(chǎng)優(yōu)化的數值模擬 :
摘要：本文用計算流體力學(xué)方法對側出風(fēng)過(guò)濾器內部進(jìn)行了流場(chǎng)模擬，氣流在靜壓箱內部及出風(fēng)口處的分布很不均勻，通過(guò)在靜壓箱內增加導流板可以很好地優(yōu)化流場(chǎng)分布。對加裝的不同半徑和數量的導流板工況分別進(jìn)行了模擬分析，得出了最佳導流效果的導流板形式。
高效過(guò)濾器導流板數值模擬，前言、隨著(zhù)人們生活水平的提高室內空氣質(zhì)量對人體健康的影響已成為社會(huì )普遍關(guān)注的重要問(wèn)題之一。現代科學(xué)和現代工業(yè)，特別是電子、精密機械、冶金、宇航、核能、化工等工業(yè)以及醫療、制藥、食品等部門(mén)的發(fā)展，對生產(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(mǎn)足室內衛生標準、生產(chǎn)工藝對空氣質(zhì)量的要求以及潔凈間、無(wú)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)鍵設備空氣過(guò)濾器的發(fā)展。
高效空氣過(guò)濾器是實(shí)現高潔凈度空氣凈化的關(guān)鍵設備，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，在側出風(fēng)的過(guò)濾器中，出風(fēng)口的氣流分布很不均勻，這將對潔凈空間的流場(chǎng)以及后續設備的穩定、高效工作造成不利影響。在高效過(guò)濾器中加裝導流板能對此問(wèn)題起到很好的改善、優(yōu)化作用。本文對過(guò)濾器靜壓箱中加裝導流板后的流場(chǎng)情況進(jìn)行了數值模擬，以便更詳細地了解過(guò)濾器加設導流板后的性能、找出適合側出風(fēng)過(guò)濾器的導流板形式，也為側出風(fēng)式過(guò)濾器優(yōu)化設計提供一定的參考依據。
1、物理模型 圖1為過(guò)濾器模擬的模型，氣流經(jīng)頂部方形入口流入，經(jīng)濾料過(guò)濾后進(jìn)入靜壓箱，最后在右側出風(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軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件的定義，可以對模型的復雜結構生成附面層內網(wǎng)格，并且附面層內的貼體網(wǎng)格能很好地與主流區域的網(wǎng)格自動(dòng)銜接，進(jìn)而提高網(wǎng)格的質(zhì)量。為了使氣流數值模擬結果接近實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)，網(wǎng)格節點(diǎn)的數目要求足夠大，直到隨著(zhù)網(wǎng)格數目的增加，計算結果不再有顯著(zhù)的變化為止。同時(shí)，在滿(mǎn)足網(wǎng)格足夠細密的基礎上，盡量減少網(wǎng)格數量以降低計算量，提高收斂的穩定性。 本文用Gambit軟件對物模進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，采用直角坐標系，對于物理量變化較激烈的區域，如導流板表面等處進(jìn)行局部加密網(wǎng)格，使得計算的結果更加準確，過(guò)濾器箱體內部網(wǎng)格稍稀，可以減少節點(diǎn)、節省計算時(shí)間。對導流板使用Tri網(wǎng)格，尺寸為5mm，對整體使用Het/Hybrid劃分，尺寸為10mm。計算網(wǎng)格如圖2所示。
3、數學(xué)模型和邊界條件 過(guò)濾器內部流速較高，結構復雜，所以其內部流動(dòng)為湍流，模擬時(shí)采用標準k-ε模型，在近壁區域采用標準壁面函數法[3~4]。在建模時(shí)假設：流體作定常流動(dòng)；整個(gè)流動(dòng)過(guò)程為等溫過(guò)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)，系統還要遵守附加的湍流輸運方程。本文所研究的問(wèn)題為常溫下忽略能量傳遞的穩態(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，即與外界標準大氣壓相同。計算過(guò)程中用變量的殘差變化監視計算的收斂性，設定各方程兩次迭代殘差界限為1e-3，計算迭代1000次。
4、模擬工況 為分析過(guò)濾器內部氣流分布狀況，在出口表面上劃分8個(gè)等面積區域，根據出風(fēng)面的大小，輸出各面上平均速度值，利用這些數據進(jìn)行速度均勻性的分析，列出每組數據的相對誤差值和標準方差值，值越小說(shuō)明氣流越均勻。模擬時(shí)通過(guò)改變導流板的數量、半徑等參數，對不同導流板工況下的結果進(jìn)行對比，進(jìn)而選擇合理的導流板形式。表1為各種模擬工況。
5、模擬結果及分析 從表2中可以看出隨著(zhù)導流板個(gè)數的增加，出風(fēng)口相對誤差限從±9%降至±3%，標準方差從0.4823降至0.1515，因此導流板對氣流的路徑有很大的改善。在工況1的數據的單獨統計中，也即沒(méi)有導流板的工況下，出口下半部分相對誤差值為正值，上半部分為負值。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。導流板作用也是為了避免在側面風(fēng)口出現下面風(fēng)速大上面風(fēng)速小現象，盡可能使速度場(chǎng)均勻。過(guò)濾器出風(fēng)口的相對誤差限值和標準方差值隨導流板數目的增加而減小，說(shuō)明導流板數目的增加有利于出口氣流的均勻。但4個(gè)導流板時(shí)標準方差值略有上升，但相對誤差值并沒(méi)有隨著(zhù)趨勢大幅減小，說(shuō)明并非導流板的數目越多越好，并且導流板數目的增加會(huì )增加靜壓箱內部的阻力損失，加重了風(fēng)機負荷，還會(huì )帶來(lái)過(guò)濾器加工成本的上升。綜合分析各種因素，將3塊導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流板分布狀況，圖4為過(guò)濾器中心對稱(chēng)面取截面，得過(guò)濾器箱體內部速度矢量分布圖。
6、結論 側出風(fēng)過(guò)濾器出口流場(chǎng)是否均勻與氣體在靜壓箱內的分配狀況有很大關(guān)系，其中導流板對其影響較大。借助Fluent軟件對添加導流板前后的流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，結果表明：導流板對流場(chǎng)有明顯的影響，添加導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。導流板的數目為3個(gè)時(shí)，均勻程度為更好。
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