大型轴流风机风量测试CFD 模拟与实验研究

陈 雷

(解放军理工大学国防工程学院，江苏南京 210007)

风机作为最大的耗电设备，其能耗对通风系统能耗影响巨大［1］。对通风系统进行节能改造［2］必须要对风机与管路的性能曲线进行测试，测试工作量最大的就是对风量的测试。以南京地铁二号线为例，二号线共17个站，风机风量测试共需要测得近7.7万个数据，测试工作量巨大，因此需要研究正确的测试方法，否则将造成人力物力的巨大浪费。

然而在大型轴流风机风量测试中发现一个问题:在轴流风机出流端进行风量测试所得数据波动较大;而在入流端所测得的数据十分平稳，测量过程更加高效。本论文针对此问题进行研究，采用现场试验与CFD仿真模拟的方法为大型轴流风机风量测试提供一种较好的测试方法。

1 实验测试

1.1 测点选择

以南京地铁二号线新街口站A站端风机变频风量测试为研究对象。该测试采用将选择的测量断面根据其物理进行9等分，见图1。

1.2 风量的计算

间接测量法［3］。每个测点的风速信息进行3次的读取与记录。

式中:Q——风量;

A——面积;

图1 断面测点分布图

1.3 测量断面

对排风机风量进行测试，排风机风量测量断面及阀门启闭示意图见图2。风机频率为25 Hz时，选择排风机入流端消声器作为测量断面A6;再选择排风机出流端消声器作为测量断面A7。每个测点连续测量3次。

2 数据分析

两断面每个测点的均值和方差对比见图3，图4。结果表明在轴流风机负压端进行风量测试，数据的稳定性更好，测点选择对结果的影响也更小。下面将采用CFD模拟与实验测试的方式对该现象进行进一步研究。

3 物理数学模型

选取新街口站A站端排风机进行风机CFD研究，其中风机内直径为2 000 mm，外围滚筒的直径为2 012 mm，风机叶片的安装角度为25°，风机外筒长为1 760 mm，整流罩长为1 020 mm，整流罩内直径为2 012 mm，外直径为2 600 mm，模型如图5所示。

图2 排风机风量测量断面及阀门启闭示意图

图3 不同测量断面所得数据平均值对比

图4 不同测量断面所得数据方差对比

图5 风机模型图

3.1 物理模型

地铁风机内空气处于常温、常压状态，可认为其满足气体状态方程:

其中，P为空气压力，Pa;ρ为空气密度，kg/m3;R为空气常数，297 J/(kg·K);T为绝对温度，K。

通常可将空气流动的压力视为常数:

另外，所研究的空气流动基本为低速流动(＜30 m/s)，可将其视为不可压缩流体看待，即:

空气的粘性不可忽略，室内空气流动符合Boussinesq假设。

3.2 数学模型

根据上述物理模型，室内空气遵循具有不可压粘性流体性质的控制微分方程［4］。所采用控制微分方程与湍流模型如下:

1)连续性方程:

2)动量方程:

在动量守恒方程中，仅考虑对质量力项的影响［5］。

3)湍流模型［6］。

轴流风机流场内气流做高速运动，属于高雷诺数湍流模型，本课题采用只考虑低阶粘性作用而忽略高阶粘性作用的高Re数k-ε 紊流模型［7］。

4 CFD模拟与实验研究

4.1 轴流风机断面速度场CFD模拟

采用Fluent软件进行模拟计算。设定风机运行频率为25 Hz，轴流风机断面速度场模拟云图见图6，通过Fluent自带后处理工具［8］分析模拟结果可以得到风机整流罩入口处最大风速为8.17 m/s，平均风速为 6.95 m/s，风量为35.88 m3/s。分析图6 可以得到以下结论:

1)轴流风机入流断面速度场比出流断面速度场更加均匀;2)入流断面的速度场分布为断面中间速度较大、断面边缘速度较小;出流断面的速度场分布为断面中间速度较小、断面边缘速度较大。

4.2 变频工况CFD模拟与实验研究

风机在实际运行时频率变化范围很大，为使结论更加可靠，本论文针对变频工况下轴流风机各种运行频率进行CFD模拟与实验研究，风机的运行频率范围为13 Hz～39 Hz，CFD模拟与实验测试均选择A站端排风机入流端A6断面，以13 Hz为测量起始频率，以2 Hz为间隔共进行14组不同频率运行工况的CFD模拟与测试，风量模拟结果与测试结果对比见表1，图7。

图6 25 Hz时轴流风机断面速度场模拟云图

4.3 变频工况结果分析

1)对比分析数据，发现风量模拟结果与风量实测结果的协相关系数:

其中，ρr为协相关系数;分别为实际风量与模拟风量的方差。

表1 风量模拟结果与实测结果对比表

图7 风量模拟结果与风量实测结果对比图

说明模拟数据与实验测试数据一致，进一步验证了不同频率工况下轴流风机CFD模拟结果的可靠性。

2)选择入流断面速度场的平均风速与最大风速进行对比，分析风机在不同频率下入流断面风速分布的均匀性，见表2，图8。

表2 变频工况下入流断面最大风速与平均风速模拟值对比表

图8 变频工况下入流断面最大风速与平均风速模拟值对比图

对比分析可知，大型轴流风机各频率工况下入流端断面风速的最大值与平均值的差值较小，相对误差约为15%，且差值随着风机运行频率的增加从0.6 m/s缓慢增加到1.9 m/s。表明轴流风机入流断面速度场分布均匀，运行频率对入流断面风速分布的均匀性影响很小，因此轴流风机应该在入流断面进行风速测量更加合理。

5 结语

本论文采用实验测试与CFD模拟的方法，针对大型轴流风机风量测试时发现的问题进行了研究，得到以下结论:

1)大型轴流风机进行风量测试时，轴流风机入流断面每组测试数据与出流断面所得数据相比:方差较小、速度场分布更加均匀稳定。

2)对轴流风机运行频率为25 Hz的工况进行CFD模拟，模拟结果显示:轴流风机入流断面速度场比出流断面速度场更加均匀;入流断面的速度场分布为中间速度较大、边缘速度较小;出流断面的速度场分布为中间速度较小、边缘速度较大。

3)轴流风机运行频率13 Hz～39 Hz的14种工况CFD模拟结果与实测结果表明:模拟数据与实验测试数据的协相关系数ργ约等于1，说明轴流风机CFD模拟结果的可靠性;14种频率工况下入流断面速度场最大值与平均值的差值在0.6 m/s～1.9 m/s之间，相对误差约为15%，表明风机频率在13 Hz～39 Hz之间时入流断面速度场分布都很均匀。

上述分析说明在进行大型轴流风机风量测试时，在入流端选择断面进行风量测量，所测得结果会更加准确。

［1］朱培根，田义龙，何志康，等.地铁通风空调系统节能分析［J］.解放军理工大学学报(自然科学版)，2012(5):589-592.

［2］朱进桃.变风量空调系统的节能运行［J］.暖通空调，2014(5):97-102，78.

［3］丁祖荣，单雪雄.流体力学(下册)［M］.北京:高等教育出版社，2003:100.

［4］方晓龙.体育场馆内气态污染物散发与净化的数值模拟及实验研究［D］.上海:东华大学，2014.

［5］Guan Qing，Tang Guangfa.Numerical Research of Parallel Limited Jets of Cold Air in Large Space Buildings［J］.Acta Aerodynamica Sinica，1992(3):96.

［6］Nielsen P V.The select of turbulance models for prediction of room airflow，In:ASHRA ETrans，1998(104):1119-1126.

［7］Amano R S.Development of a turbulence near-wall model and application to separated and reattached flows［J］.Numer Heat Transfer，1984(19):759-760.

［8］朱红钧.Fluent 12流体分析及工程仿真［M］.北京:清华大学出版社，2011:34-35.