基于CFD与正交试验设计的均流板性能优化

郭月姣，顾 忱，周 琢，冯国增

（江苏科技大学 能源与动力学院，江苏镇江 212003）

0 引言

空调箱主要由过滤段、表冷段、加热段以及加湿段等空气处理部件组成，现有空调箱风机出口空气流速极大，一般达到12～18 m/s，强烈的气体射流对过滤段空气过滤器的冲击作用会严重损害其使用寿命。因此，常在空调箱中设置均流孔板以提高气流分布的均匀性，达到保护过滤器的目的，但是现有空调箱仍存在入口气流分布不均匀、过滤器使用效率偏低以及使用寿命短暂等现象。

侯文龙等[1]对下进风内滤式袋式除尘器有无导流板时除尘器内的压力场、流场、粒子轨迹和流线分布等进行了数值模拟，分析结果显示，添加导流板后，气流分布得到改善，速度变化均匀；张越等[2]通过CFD对高效过滤器的内部流场进行了模拟分析，通过改变均流板的安装高度，统计高效过滤器的入口流速，得出特定尺寸的均流板安装高度对入口速度分布的影响；张哲等[3]利用数值模拟技术，对下进风过滤器进行模拟试验，模拟其内流场的变化并进行优化，试验结果表明：增设孔板并将进口管改为渐扩管后，气流均匀性得到了很大的提高。陈得胜等[4]提出了一种导流板和均流板的布置方案，运用CFD方法进行模拟分析，结果表明添加了导流板和均流板布置后，内部流场的均匀性得到了明显改善。马修元等[5]采用计算流体动力学（CFD）方法，研究孔板开孔率对流场分布的特性。

然而，这些研究对均流板结构参数研究不全面，未考虑均流板的实际结构，因此有必要对均流板各设计参数对流场影响做进一步的详细分析。本文以空调箱均流板为研究对象，研究空调箱均流板的各设计参数（导流板出口与孔板距离、孔板孔的大小、孔板孔间距）对空气均流能力的影响。由于试验设计较复杂，采取CFD数值模拟的方式进行。

2 数值模拟

2.1 物理模型

所研究内容仅为风机气流通过孔板后的气流组织均匀性，故可将空调箱整体模型简化，仅保留风机出口导流板部分、孔板部分和空调箱外壳部分。由Solidworks建立的模型如图1所示。

图1 空调箱模型图

空调箱风机导流板截面矩形尺寸为750 mm×750mm，长度为125mm。空调箱箱体部分截面矩形尺寸为2200mm×1804mm，整体长度为2000mm。本文试验的空调箱中，选用SYQ560K型号的风机，风量24770m3/h，出口风速为13.46m/s。

2.2 数学模型

空调箱内部为复杂的三维湍流流场，数值计算时假设流场为等温定常流动，流体不可压缩，湍流模型选取常用的标准k-ε湍流模型来模拟内部流体流动，连续性方程、动量方程、k方程以及

设置入口边界条件为速度入口，速度大小设置为风机出口风速13.46 m/s；出口设置为压力边界条件，取大气压力；壁面边界为无滑移壁面。

2.3 监测点设置

本文试验目的是探究空气通过孔板后气流组织的均匀性，即了解截面上气流速度或者压力的变化情况，因此，以空调箱截面的平均速度梯度作为试验的对比指标。由于空调箱截面较大，求解整个截面的平均速度梯度难以实现，所以可在截面选取测点求解其平均值代替整个截面的平均梯度。考虑现有空调箱过滤器安装位置多位于风机出流后约1 m的位置，本文选取测点所在截面即为导流板直线距离1 mm。考虑孔板的均流作用，测点布置如图2所示。先设置出3条标准线，中间标准线设置于空调箱纵向中线，上下2条标准线与中间标准线的距离均为600 mm，此3条标准线可分别探究孔板中间出流和孔板两侧空调箱内流体域出流的梯度。在每条标准线上设置5个测点，共计15个测点，利用15个测点的速度梯度平均值作为评价指标。相邻测点间距约367 mm。同时可为截面测点进行命名，顺序为从左到右、从上到下的标号。

图2 测点布置截面分布图（单位：mm）

3 正交试验设计

本文主要研究空调箱均流板均流效果的影响因素和影响水平，如果按照传统对照试验，势必会产生很大的工作量。因此，本文对正交试验进行模拟分析。正交试验设计法是日本著名的统计学家田口玄一提出的一种可高效寻求较优因素水平组合的设计方法[7]，其设计理念是在试验因素的全部水平组合中，挑选出代表性强的少数组合方案，通过分析部分试验结果来了解全面试验情况，找出最优水平组合[8]。

主要针对调箱导流板出口与孔板距离、孔板孔的大小、孔板孔间距3个参数进行研究。以陈二松等[9]研究的参数选择以及水平决定方案为依据，从实际研究以及差异性2方面考虑。拟选取的均流板孔径面积参数分别为80 mm2、100 mm2和120 mm2，选取孔间距参数为15 mm、16 mm、17 mm、18 mm和19 mm；选取进风口距离参数分别为120 mm、125 mm、130 mm、135 mm和140 mm。孔板开孔按照正方形排列，其平面图中心与进风口平面正方形同轴。

综上所述，本文试验设计为3因素5水平的正交试验，根据正交试验设计的原理以及所需要考虑的影响因素项目和水平，可设计出模拟试验的参考正交表。如表1所示，共设计出25种试验工况，需进行25次模拟试验。

表1 正交试验表

4 结果分析

4.1 模拟结果分析

以试验1为例进行模拟结果速度云图分析，选取y＝1 m（一般空调箱过滤器安装距离即为1 m）截面，如图3所示，高速气流在由风机导流板的狭小空间流入到空调箱的大空间时，速度会有一定的衰减，但由于风机导流板较短，截面突扩阻力较小，且风机出口为气体射流，所以速度变化不明显。在气流流过孔板后，孔板的阻力作用使得流体流速大幅降低。同时，由于部分气体流经孔板两侧狭缝处，根据连续性方程，速度变大，但是狭缝后为空调箱的大空间，速度随后降低。

图3 y ＝1 m 时试验1速度云图

对模拟后的结果进行处理，查看25组试验下导流板后1 m处截面的速度梯度，如图4所示，可以看出，不同的结构参数设计对导流板的速度均匀性影响很大：试验1（孔面积为80 mm2，孔间距为15 mm，进风距离为120 mm）的速度梯度最大，为1.13 s−1，试验12（孔面积为120 mm2，孔间距为17 mm，进风距离为140 mm）时速度梯度为0.004 s−1。采用试验12的结构参数速度均匀性较好。

4.2 多因素方差分析

图4 各试验下测点平均的速度梯度图

表2 正交试验的Minitab数据输出

当有2个以及2个以上的因素会对试验结果产生影响时，需要利用多因素方差分析的方法来对所选择的影响因素进行定量分析。通过假设检验的过程来判断所选的影响因素是否显著，主要指标为F值和P值。由于方差分析计算量较大，且手工计算容易出现差错，所以采用Minitab软件协助计算，计算结果如表2。面积自由度为2，进风距离自由度为4，孔间距自由度为4，误差自由度为14。根据因子自由度和误差自由度的数目，可查得α为10%和75%时的F值分布，得到临界F值为：F0.1(2,14)＝2.73，F0.1(4,14)＝2.39，F0.25(2,14)＝1.53，F0.25(4,14)＝1.52。通过比较各项因子所对应的F值和临界F值可以看出：进风距离的F值2.52＞2.39，孔间距的F＞1.52。由此可以称，有90%的置信度可以认为进风距离对于试验指标有显著的影响，有75%的置信度可以认为孔间距对于试验指标有显著影响，而孔板小孔面积的变化对于试验指标影响并不显著。如图5所示，进风距离对于试验指标的影响最为明显。

图5 正交试验因素效应影响条形图

5 结论

针对某工业正在使用的空调箱进行均流板的结构参数优化分析，利用正交试验设计25组试验，后用CFD模拟法对不同结构参数进行数值分析，得出主要结论如下：

1）对数值模拟出的结果进行分析，以速度梯度均匀性为评判指标，得到了进风距离是影响孔板均流效果的最显著影响因素。

2）通过对各结构参数对速度梯度的耦合影响分析，可得参数组合为小孔面积120 mm2、进风距离140 mm、孔间距17 mm时，速度梯度数值最小，均流效果最明显。