基于文丘里原理的新型空气混合器的研究与设计

宋佳钫 刘淑慧 梁 爽

(天津工业大学机械工程学院，天津300387)

为了降低风机盘管能耗，必须进行风机盘管性能检测。静压腔内空气的取样、干湿球温度的测量直接影响焓值的测量精度。

影响精度的原因：由于空间中存在气流分层现象，所以会导致每个吸风口吸取气体的参数可能不尽相同，在汇集管处气体汇合不均匀，导致所测干湿球温度精度降低。充分考虑这个影响因素，针对此处气流组织设计管内混流器，有效地使干湿球温度计处的气流温度场分布更加均匀。并通过CFD仿真模拟进行此处温度场模拟。

1 文丘里管基本工作原理

混合管的设计运用了文丘里原理。文丘里管示意图如图1所示[1]。

图1 文丘里管示意图Figure 1 Venturi tube

文丘里管工作原理：由流体力学原理可知，在亚音速范围内，气体在收缩段内流动时，气体速度增大，而压力、密度、温度减小，称之为膨胀过程。当气体在扩压段流动时，气体速度减小，压力、温度、密度增大，称之为压缩过程[2]。

2 混合管的设计

混合管设计以文丘里原理为基础，在一定厚度的圆饼上设计若干个通气孔，通气孔的形状呈文丘里管状。由上面叙述可知，气体在收缩段温度降低，在扩压段温度升高。为了保证取样气体经过混合管后气体温度偏差最小，收缩段和扩压段是以喉口为对称轴对称的，即取L1=L3，d1=d3，α=β。

吸气管的汇集管直径为78 mm[1]。混合管安装在吸气管的汇集管内，且位置在干湿球温度计近端处。为了避免出气孔在出气面分布的不均匀性，形成束状空气流，不仅没有达到空气混合均匀的目的，反而造成空气分布更加不均匀。因此，在混合管直径尺寸一定的情况下，利用SolidWorks软件里的填充阵列功能，使进气端面和出气端面的孔均匀分布在整个面上。孔排布结果有两种排布如图2所示。A排布：d1=d3=4.7 mm，B排布：d1=d3=7.4 mm。

(a)A类混合器(b)B类混合器

扩压段为圆锥形，其最小直径应不小于喉口直径。扩压段扩散角取7°～15°[4]，扩散角选择14°，即β=α=14°。

喉口段长度取值为[4]：

L2=d2±0.03d2

(1)

由图1几何关系得出喉口部的直径d2为：

d2=d3-2L3tan(β/2)

(2)

A、B两种排布参数见表1。

L1、L3、d1、d3给定数值后，由公式(1)和公式(2)可求得A类和B类混合管的L2和d2的取值，分别见表1和表2。

表1 A类混合管参数Table 1 A type mixing tube parameters

表2 B类混合管参数Table 2 B type mixing tube parameters

3 边界条件设置

在仿真模拟中，为了验证混合管的混合效果，将进气端的气体通过五个面积不同的进气入口，且每个入口的气体物理参数是不同的。而在实际工程中，入口端的气体物理参数差异远小于本研究，这样做的目的是：在气体参数大差异下，通过混合管后，气体能够混合均匀。那么在实际工程中，由于气体参数差异小，通过混合管后，气体混合会更均匀。而且可以有效避免试验过程中，由于突发变化的外界条件等造成气体物理参数差异大而影响试验精度。仿真模拟选用k-ε标准湍流模型。进口参数设置见表3。

表3 进口参数设置Table 3 Inlet parameters setting

4 结果

4.1 数值模拟数学建模

(3)

速度、湍流参数等物理量对应关系见表4。

表4 数学物理模型参数关系Table 4 Mathematical physics model parameter relationship

4.2 气体不均匀度判断方法

气体分布不均匀度系数Bf为：

(4)

主要研究方法是利用Fluent进行数值模拟，通过云图求得气体分布不均匀度系数。选取所模拟混合器中部的一个面，运用面积法判断气体分布的均匀度。

(5)

由公式(4)、(5)得：

(6)

式中，Si为温度为所选取平面中温度为ti的面积；S为所选取平面的总面积。Bf值越小，气体温度分布越均匀[3]。

4.3 仿真模拟结果

A类混合器参数确定后，根据以上参数设计三种A混合器。用SolidWorks软件三维模拟，然后用Fluent进行数值模拟，数值模拟结果如图3所示。比较图3的三个温度云图可知，混合器起到一定的混合均匀效果，但是没有达到理想的混合效果。

图3 A类混合管的温度云图Figure 3 Temperature cloud charts of A type mixing tube

B类混合管包括四种混合器，得出四组数值模拟结果如图4所示。

图4 B类混合管的温度云图Figure 4 Temperature cloud charts of B type mixing tube

通过观察温度云图，可以发现B类四种混合管都起到了混合效果，但是均没有达到最佳效果。截取混合管中心一截面，运用公式(6)，求得气体分布的不均匀度Bf。

从表5可以看出A类a、b、c三个混合器中，c混合器的Bf最小，即气体通过c混合器后，分布最均匀。B类混合器的d、e、f、g四个混合器中，f混合器的Bf值最小，即B类的f混合器的混合效果最佳，但是f混合器的Bf值大于c混合器的Bf值。所以，混合效果最佳的是A类的c混合器。但是仍然没有达到最理想的混合效果。为了达到最佳的混合效果，采取的办法是叠加安装两个混合效果最佳的A类c混合器于取样器的汇集管内，得出温度云图如图5所示。

表5 混合管气体分布不均匀度Table 5 Gas distribution unevenness of mixing tube

图5 叠加混合管的温度云图Figure 5 Temperature cloud chart of superimposed mixing tube

由图5可以看出，叠加混合管的使用达到了理想的混合效果。Bf=0，即气体完全混合，达到了最理想的混合效果。

4.4 试验结果验证

由于设计的空气混合器结构简单，加工方便，所以，将设计的c混合器加工制造并安装在取样器中。利用温度传感器测取样器风机近端处N点温度，利用公式(6)求出空气不均匀度系数为0.93×10-3。试验值比模拟值小很多的原因是：为了验证混合效果，在进行数值模拟时，对进口参数的设置采用了不同进口参数大差异的处理方式，而实际工程中，取样器不同进口小孔的气体差异远小于设置差异。而试验测取的安装单个c混合器的气体不均匀度系数已经满足实际工程的需求。综上所述，在实际工程应用中，取样器内可以仅安装一个c混合器。

5 总结

利用文丘里原理设计了不同尺寸参数的空气混合器。通过仿真云图判断混合效果，并且提出了一种新的判断气体均匀度的方法，即温度分布不均匀度Bf，得出了最佳混合效果的空气混合器是A类c混合器：L1=L3=15 mm，d1=d3=4.7 mm。为了达到理想混合效果，在实际工程中，在吸气管中叠加安装两个A类c混合器。

设计的空气混合器具有结构简单、造价低、安装方便等优点。通过试验可知，在实际工程应用中，只需要安装一个c混合器即可满足工程的要求，提高测量精度。除此之外，安装一个混合器相比安装两个混合器，降低了压力损失，有利于降低能耗，提高测量精度。