吳 喆 劉澤勤
空調系統中常用的柔性風管以金屬骨料為支承,用金屬薄膜壁料纏繞加工成型[1],具有輕便靈巧、便于施工、投資少、方便管理等優點,廣泛應用于國內外工程領域。本文采用fluent軟件,對圓形橫截面的金屬薄膜柔性風管90°彎曲段進行數值模擬,探索柔性彎管內流場和壓力場的變化規律。
對彎管內流場進行分析,擬采用SST k—w方程模型[2]來模擬空調柔性風管彎管部位動態壓力變化特性,湍流模型可由下列方程來描述:
1)連續性方程:
2)N—S方程:
3)湍動能方程:
4)湍能耗散率方程:
其中,αk,dε分別為 k,ε 的反向有效 Prandtl數;μeff為有效粘性系數;μ為層流粘性系數;Gk為由平均速度梯度引起的湍動能生成項;Gb為由浮升力引起的湍動能生成項;C3ε為浮升力對湍流ε的影響系數。
本模擬的物理模型為90°彎曲的圓形柔性風管,數值模擬計算的具體邊界條件設定為:絕對粗糙度設置為K=0.0035 m[3];標準狀態空氣溫度20℃;入口速度選取從2.5 m/s~5.5 m/s;入口處的湍流強度I=0.16(ReDH)-1/8;柔性風管D選取100mm,150mm,200mm,250mm,300mm,350mm,400mm。
本數值模擬云圖均為氣流組織從水平端口流向垂直端口。圖1為250mm管徑柔性風管速度與全壓云圖。由圖1a)可以發現,速度在彎管內側中間部分有最大值,內側靠近壁面處的二次回流區有最小值,彎管內側出現強烈的二次回流紊流核心靠近管壁外側,在彎管內側有微小漩渦。圖1b)顯示出流體通過彎管后出現自外向內的壓力坡降,使得彎管內產生的二次渦流和主流迭加在一起,在彎管下游部分作螺旋運動,導致彎管的阻力損失加大,并且消失較慢,因而加大了彎管后面的影響長度。與周漠仁[4]的實驗研究對比較為吻合,證明本研究的模擬方法有效。
圖1 D=250mm柔性風管速度壓力模擬圖
從圖1a)速度云圖及圖1b)全壓圖上可以看出,彎管處產生的二次回流對彎管上下游管段阻力損失影響范圍不同。對于上游管段,僅僅影響到L=1倍~2倍管徑處。而對于下游管段,直到本模擬中的管段末端6倍管徑處紊流核心未恢復穩定狀態,分布于靠近管壁處的外側。李濤等[2]的研究表明,氣流在彎管下游50倍管徑斷面處完全恢復到穩定狀態。
圖2為管徑分別為100mm,200mm和300mm的柔性風管在進口風速為5 m/s時的速度云圖??梢钥吹焦軓阶兓瘜τ谌嵝燥L管流場的影響不顯著,二次回流區有輕微變化,整個流態及回流影響波及范圍基本保持不變。管道內壁絕對粗糙度值固定,隨管徑增大,粗糙度對壓力損失的影響變小,壓力損失趨于穩定值。圖3為不同管徑下壓力損失變化圖,隨管徑增大,柔性風管90°彎管段壓力損失變化幅度變小,漸漸趨于穩定值。
圖4顯示不同入口風速下壓力損失變化??梢钥吹?,當管內風速增加時,壓力損失也在增大,柔性風管90°彎管段流場基本一致。當柔性風管管徑不變時,隨著入口風速的增大,雷諾數在不斷增加,在進入阻力平方區前,管內二次回流在增大,摩擦損失不斷加大,壓力損失在加大。當Re>1.5×105以后,局阻系數趨于定值,一般認為進入阻力平方區[4]。本模擬風管的雷諾數沒到阻力平方區,雷諾數變化對于柔性風管90°彎頭壓力損失產生影響強烈。
圖2 不同管徑(部分)的柔性風管速度壓力模擬圖
圖3 不同管徑影響下壓力損失變化圖
圖4 不同入口風速下壓力損失變化圖
本文通過數值模擬對空調柔性風管彎管的壓力損失特性進行研究,探索柔性風管90°彎曲時的阻力損失特性,得出如下結論:
1)流場特性:流體通過柔性風管彎管后出現自外向內的壓力坡降,紊流核心靠近管壁內側,在彎管內側出現微小漩渦。速度在彎管內側中間部分有最大值,內側靠近壁面處的二次回流區有最小值。彎管內側出現強烈的二次回流。彎管對上下游影響,上游管段影響到1倍~2倍管徑距離,下游影響到6倍管徑以上距離;2)管徑變化對于柔性風管壓力損失的影響小,二次回流區有輕微變化,整個流態及回流影響波及范圍基本保持不變。隨著管徑增大,粗糙度對壓力損失的影響相對變小,壓力損失趨于穩定值;3)入口風速對柔性風管90°彎曲段壓力損失影響較大,隨管內風速增加,壓力損失增大。在氣流流速沒進入阻力平方區前,入口風速(雷諾數)對于柔性風管90°彎頭壓力損失影響強烈。
[1] 李 春.柔性風管在通風空調中的應用[J].福建建設科技,1998(4):35-36.
[2] 李 濤,李安桂,周 艷.通風空調低雷諾數90°彎管阻力系數的實驗與數值模擬[J].青島科技大學學報,2006(12):527-531.
[3] 劉澤勤.空調系統柔性風管壓力損失特性實驗與分析[J].暖通空調,2007(15):53-55.
[4] 周漠仁.流體力學泵與風機[M].第3版.北京:中國建筑工業出版社,2010.