通道式空气循环系统的数值模拟及试验验证

高如超，徐昭然，龚奇龙，高玉峰

（中航工程集成设备有限公司，北京102206）

空气循环系统是空气强制循环电炉的重要组成部分。铝卷退火炉的空气循环路径为：风机吸风口→蜗壳→风机出风口→导流箱体→喷口→风机吸风口。导流箱体的结构对喷口速度及速度分布均匀性有很大影响。喷口速度及速度分布均匀性决定了退火炉所处理产品的加热时间及产品性能，从而决定了铝卷退火炉的生产效率及能源消耗。通过对空气循环系统进行数值模拟，获得空气循环流场的压力分布及速度分布，可对循环流场结构的优化提供参考。

本文利用ANSYS Workbench 软件，对通道式及静压箱空气循环系统进行数值模拟，获得空气循环流场的压力分布及速度分布，并与试验结果对比，得出结论，为空气循环系统的进一步优化提供理论依据和数据支撑。

1 通道式空气循环系统数值模拟

1.1 模型建立及网格划分

物理模型以通道式空气循环系统试验装置的结构为研究对象，对装置内流场进行数值计算，为了便于计算结果与试验结果的比较，物理模型的尺寸与试验装置保持一致。采用三维模拟，坐标系采用直角坐标系。几何模型由Solidworks 软件建立，如图1 所示。同时，建立静压箱空气循环系统物理模型作为对比。

图1 物理模型示意图

数值模拟前处理包括几何处理和网格划分。本模型几何处理和网格划分分别采用ANSYS Workbench 中的DM 软件和Meshing 软件进行处理。本模型中，首先使用DM 软件对几何模型进行处理，再导入到Meshing 软件中进行网格划分，整体模型通过Advanced Size Functions 功能细化网格，整体网格采用Patch Conforming method 进行四面体非结构化网格划分，对喷口区域网格采用Edge Sizing 方法进行加密处理，同时用Body Sizing 方法进行局部尺寸控制。网格划分结果如图2 所示。

图2 模型网格划分结果图

边界条件设置：入口采用速度入口边界条件，入口速度值根据风机额定风量和入口截面积计算；出口边界采用压力出口边界条件，压力值根据风机性能设置；壁面采用非滑移、非渗透壁面边界条件；取常温空气的物性参数为计算参数。

1.2 模拟计算结果及分析

1.2.1 流场分布结果分析

图3、图4 分别是通道式、静压箱空气循环系统速度迹线图和导流箱截面速度云图。由图可知，通道式空气循环系统，气流沿通道方向整体流动较顺畅，并无涡流产生，但到通道末端气流较小，大部分气流在前段喷口流出；静压箱空气循环系统，在导流箱中有涡流产生。

1.2.2 喷口阵列出流状态结果分析

图3 通道式空气循环系统速度迹线图和速度云图

图4 静压箱空气循环系统速度迹线图和速度云图

图5 是通道式空气循环系统垂直于喷口出口截面及距离喷口阵列出口0 mm、50 mm、100 mm、200 mm、300 mm 截面的速度云图。由图5（b）可知，喷口阵列出风并不均匀，通道前段条缝喷口出风速度较大，通道末端条缝喷口出风速度较小。同时，对于同一条缝喷口，沿气流流动方向，出风速度有增大趋势，这主要是因为通道内气流流动的惯性力使得部分流体还未流至喷口出口处已被气流惯性带向通道前方。由图5（c）、（d）、（e）、（f）可知，随着距离喷口出口截面距离越来越远，喷口射流速度逐渐减小，而且射流受吸风口负压影响增大。由图5（d）可知，当距离喷口截面300 mm 处，喷口阵列射流轮廓已十分模糊，喷口射流速度衰减至15 m/s 左右。说明此喷口阵列射流不稳定，易受射流空间干扰。

图5 通道式空气循环系统Z=0 截面速度云图及距离喷口出口不同距离截面速度云图

图6 是静压箱空气循环系统垂直于喷口出口截面及距离喷口阵列出口0 mm、50 mm、100 mm、200 mm、300 mm 截面的速度云图。由图6（b）可知，喷口阵列出风较均匀。由图6（c）、（d）、（e）、（f）可知，随着距离喷口出口截面距离越来越远，喷口射流速度同样逐渐衰减，而且射流受吸风口负压影响增大。当距离喷口截面300 mm 处，喷口阵列射流轮廓也十分模糊。

图6 静压箱空气循环系统Z=0 截面速度云图及距离喷口出口不同距离截面速度云图

1.2.3 对比结果

对通道式空气循环系统与静压箱空气循环系统模拟结果进行对比，可知：（1）两种结构喷口射流速度均随距离增大而逐渐减小；（2）通道式空气循环系统喷口出口截面速度较大，且射流距离较远，但喷口阵列出风均匀性较差；（3）随着距离喷口出口截面距离越来越远，两种结构射流受吸风口负压影响均增大。

2 通道式空气循环系统流场试验测试

2.1 测点布置及测试工况

2.1.1 测点布置

流场测试主要内容为喷口阵列出风均匀性测试。测点布置和方案如图7 所示。

2.1.2 测试工况

图7 喷口阵列测点布置示意图

分别对以上三种工况进行了测试，测试工况方案见表1。工况一，在风机频率分别为20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz 下，对喷口阵列出口截面的测点进行风速测试；工况二，在风机频率为30 Hz 下，对距离喷口阵列出口截面距离分别为50 mm、100 mm、200 mm、300 mm 的测点进行风速测试；工况三，在风机频率为50 Hz 下，对距离喷口阵列出口截面距离分别为50 mm、100 mm、200 mm、300 mm 的测点进行风速测试。测试结果见图8～图10。

表1 测试工况方案表

图8 工况一，不同频率同一喷口阵列出口截面（X=0）测点风速折线图

2.1.3 测试结果及分析

通过对三种工况的测试结果进行对比分析，可知：（1）随着风机频率的增大，同一喷口阵列出口截面的风速逐渐增大；（2）相同风机频率下，随着距离喷口出口截面距离越来越远，喷口射流速度逐渐减小；（3）测点13、16、19，位于风道拐角处速度较小；（4）由于风道末端的静压箱效应，风道末端风速分布较均匀。

图9 工况二，相同频率（30Hz）不同喷口阵列出口截面测点风速折线图

3 结语

本文利用ANSYS Workbench 对通道式空气循环系统与静压箱空气循环系统进行数值模拟，并与试验结果进行对比后，得出以下结论：

（1）数值模拟结果与试验测试结果趋势相同。

（2）通道式空气循环系统与静压箱空气循环系统，喷口喷射速度均随距离增大而逐渐减小。

（3）通道式空气循环系统喷口出口截面速度较大，且射流距离较远，但相对于静压箱空气循环系统喷口阵列出风均匀性较差。

（4）两种结构射流均受吸风口负压影响增大。

图10 工况三，相同频率（50Hz）不同喷口阵列出口截面测点风速折线图

依据上述分析结果，后期空气循环系统结构的优化及改造需综合静压箱与通道式空气循环系统的优点，在提高喷口射流速度的同时，保证喷口阵列出口截面速度的均匀性。