风量罩均速矩阵结构优化与仿真分析

李 诚,陈业盛,鲁月林,2,郑衍畅,2*

(1.安徽工程大学 机械工程学院,安徽 芜湖 241000;2.安徽华东光电技术研究所,安徽 芜湖 241000)

当前,随着我国工业生产转型升级,风量测量装置应用场景越来越广泛,需求也在快速增加。洁净室设计建造过程中出风口的送风量[1],以及空调系统调试[2]中的吹风风量等相关数据普遍采用风量罩进行测量。风量罩是一种针对风口风量测量较为高效方便的仪器之一,可以快速检测并实时显示测量数据[3-4],测量精度受其原理、结构及使用方法等多方面影响。

风量罩主要采用压差式的测量原理,通过测量特定截面不同点位的全压及静压值,进而计算风量值的大小[5]。均速矩阵作为风量罩关键测量部件之一,布置在风量罩圆管基座段内,可以测量多点动压(全压和静压的差值)并求平均值,进而利用伯努利方程计算得到截面平均风速[6]。均速矩阵结构决定了测点的数目和位置,其结构本身也会对罩体内流场产生较大影响,这些均会影响测量结果的准确性[7-8]。因此,合理地设计均速矩阵结构对减少测量误差尤为重要。

目前,针对风量罩研究主要集中在罩体结构对测量结果的影响以及测量误差的不确定度分析方面。王成凤等[9-10]通过实验研究了风量罩罩体结构和相对于风口摆放位置对测量结果的影响,得出罩体尺寸的选择原则和风口居中摆放的结论。陆科等[11]参照风速类测量仪表不确定度的评定方法,对风量罩的不确定度进行了分析和评定。杨建国等[12]研究了应用于锅炉风量测量的均速笛形管结构对测量误差的影响,通过对多个不同结构笛形管的流场数值模拟,得出风道内笛形管设计布置的基本要求。但是,关于风量罩均速矩阵结构对风量测量准确性的影响及改进优化的相关文献尚未见报道。

本文建立了风量测量仿真方法,分析了不同均速矩阵结构对风量测量结果的影响,验证了优化后的圆环均速矩阵结构的优越性。

1 风量测量仿真方法

1.1 罩体模型建立

当前典型罩体结构的物理模型如图1所示。由图1可见,罩口为边长610 mm的正方形,基座段为直径400 mm、长度260 mm的圆筒,罩体段长720 mm,入风口为边长250 mm的正方形。

图1 罩体物理模型

1.2 仿真设置

本文主要研究风量罩测量风口风量过程中罩体内流场的分布情况,设置条件如下:①以定常无杂质不可压缩空气为流体介质;②不考虑温降,采用标准k-ε湍流模型进行流动模拟;③测量过程严格满足质量守恒定律;④风口位于罩口正中位置。采用非结构化网格对计算区域进行划分,对罩体壁面和均速矩阵支架等梯度较大的地方进行边界层网格加密处理,湍流动能、湍流耗散项和动量方程均采用二阶迎风格式,压力-速度耦合采用SIMPLEC算法,计算域进口采用Velocity-inlet条件,出口采用Outflow条件。设定风速边界,按照一般空调系统风管风速,给定风量罩入口风速,取值5 m/s。

1.3 风量计算方法

本文研究对象为风量罩,测量流量的流体介质为空气,空气被认为是不可压缩的理想定常流体,其流动过程遵循质量守恒定律和动量守恒定律,即流体运动的连续性方程与伯努利方程,其数学表达式如下:

(1)

式中,V1为迎风面测量区域平均风速;V2为背风面测量区域平均风速;P1为迎风面测点的全压值;P2为背风面测点的静压值;ρ为流体密度值。

由于均速矩阵迎风面的全压孔处的流体受到支架阻挡,此处风速为0,即V1=0。故式(1)可化简为:

(2)

(3)

(4)

根据速度-面积法,通过测量截面上各测点位置的全压及静压以及流体的密度得到对应截面的轴向风速,从而确定气流风量的大小。

(5)

式中,Qm为测量的质量风量值;A为测量截面面积;ΔPi为均速矩阵测点动压值;αi为压差标定系数。

1.4 仿真测量结果评价指标

在均速矩阵测点处记录静全压值的模拟结果,从而计算得到相应工况下的模拟风量值。通过计算风量测量相对误差来评价不同均速矩阵结构性能的好坏,测量相对误差公式[13]如下:

(6)

式中,γ为仿真测量相对误差值;Qs为仿真设定风量值;Q为仿真测量风量值。

2 现有均速矩阵分析

2.1 原理分析

以现有典型16点均速矩阵为例,说明工作原理。均速矩阵安装于风量罩基座中段,其结构基于皮托管原理设计。迎风面有16个相互连通的全压测量孔,气流从全压测量孔进入全压腔后混合,可直接获取1个截面平均全压值,背风面有16个相互连通的静压测量孔,气流从静压测量孔进入静压腔后混合,可直接获取1个截面平均静压值,且两面相互隔离[14-15]。测量截面平均动压值等于平均全压值减去平均静压值,再根据伯努利方程,计算截面平均风速,进而得到风量值。

2.2 仿真分析

典型16点均速矩阵如图2所示。由图2可知,其位于风量罩基座段中间,4根短均速管长度均为125 mm,2根长均速管长度均为375 mm。通过CFD(Computational Fluid Dynamics)方法对流场进行仿真分析。

图2 典型16点均速矩阵

当入口速度为5 m/s时,y-z剖面的速度分布和矢量分布如图3所示。由图3a可知,流体到达均速矩阵时速度梯度分布均匀,从中心到均速矩阵边缘不存在明显的分层现象,说明此模型下,罩体结构与风口大小能够满足准确测量要求。由图3a、b可以看出,流体通过均速矩阵后风速分布变化明显,在迎风面产生了涡流,在背风面产生了回流,均速矩阵对流体的阻碍作用较为明显,造成风速分布不稳定,从而造成风速测量结果误差较大。

图3 采用典型16点均速矩阵时的流场分布

均速矩阵的迎风面全压云图和背风面静压云图如图4所示。由图4可知,迎风面各测点处均为正压,背风面各测点处均为负压,符合测量条件。其中,均速矩阵16个测点的动压测量平均值为13.0 Pa,而均速矩阵所在截面的实际平均动压值为12.4 Pa,测量相对误差较大,为4.8%。

图4 采用典型16点均速矩阵时的迎、背风面压力分布

3 均速矩阵结构优化

3.1 优化策略

没有均速矩阵时,风量罩基座段测量截面风速分布如图5所示。由图5可知,整个截面风速梯度分布比较均匀,等风速线近似为同心圆。为减小均速矩阵结构对流场分布的影响,将均速矩阵设计成3个独立的圆环,分布采样所在区域的流体风速。圆环直径参数依据等面积法原则设定,通过将基座段测量截面等面积划分3个区域,最中间为圆,另外两个区域为同心圆环,等面积分布法测点位置如图6所示。圆环半径计算如式(7)所示:

图5 无均速矩阵时测量截面速度云图 图6 等面积法圆环位置示意图

(7)

式中,Ri为第i个圆环半径;R为基座段截面半径200 mm;i为从中心计数起圆环编号;n为圆环个数。

由式(7)可得:R1=0.408R,R2=0.707R,R3=0.913R。即当基座段直径为400 mm,内环直径为164 mm,中环直径为282 mm,外环直径为366 mm,如图6所示。流体分别通过每个圆环各自的全压和静压测量孔进入圆环内部的全压腔和静压腔,均匀混合得到圆环所在区域平均风压,每个圆环可独立地获取1个动压值,测量截面平均动压来自于3个圆环动压测量值的加权平均,避免了整体混合平均带来的误差,测量准确度更高。

3.2 仿真验证

圆环均速矩阵位于风量罩基座段中间,每个圆环上均匀分布5个相互连通的测点,如图7所示。

图7 圆环均速矩阵

设置与典型16点均速矩阵相同的仿真条件,对优化后的圆环均速矩阵进行数值模拟,分析罩体内的流场分布。y-z剖面的速度分布和矢量分布如图8所示,圆环均速矩阵的迎风面全压云图和背风面静压云图如图9所示。

图8 采用圆环均速矩阵时的流场分布

图9 采用圆环均速矩阵时的迎、背风面压力分布

由图8a、b可以看出,由于圆环结构对流体阻碍作用减小,流体通过圆环均速矩阵后风速分布未发生明显变化,迎风面的涡流现象和背风面的回流现象得到明显抑制。由图9a、b可得,圆环均速矩阵内环测得的动压值约为18.4 Pa,中环测得的动压值约为13.7 Pa,外环测得的动压值约为5.6 Pa。圆环均速矩阵的动压测量平均值由内、中、外环测得的动压值求平均所得,约为12.6 Pa,而圆环均速矩阵所在截面的实际平均动压值为12.2 Pa,测量相对误差为3.3%,准确度相比典型16点均速矩阵得到明显提高。

为了更全面地对比圆环均速矩阵和典型16点均速矩阵的测量准确度,我们设置了5种不同的风量工况,具体工况参数如表1所示,得到了5种不同风量工况下两种均速矩阵结构的测量相对误差,如图10所示。由表1及图10可以看出,5种风量工况下,优化后的圆环均速矩阵测量相对误差均比典型16点均速矩阵小,性能更为优越。

表1 模型仿真工况参数

图10 不同工况下仿真测量相对误差

4 结论

本文建立了基于CFD的风量测量仿真方法,并对典型16点均速矩阵和优化后的圆环均速矩阵进行了流场分析。结果表明：

(1)现有典型16点均速矩阵对流体阻碍作用较为明显,流体通过均速矩阵后风速分布变化明显。通过两个互相独立的空腔混合流体,各测点间压力直接平均只能得到一组动压值,导致测量相对误差较大。

(2)相比于典型16点均速矩阵,优化后的圆环均速矩阵对流体的阻碍作用更小,流体通过矩阵后的风速分布未发生明显变化,迎风面的涡流现象和背风面的回流现象得到明显抑制。

(3)通过圆环均速矩阵独立获取多组动压值,引入压差标定系数,解决了多点测量平均输出导致的误差问题,通过对比5种风量工况下的测量相对误差,优化后的圆环均速矩阵测量准确度更高,性能更优越。