空调系统静压箱的空气动力特性研究

    在空调风系统尤其是多风机机组的空调风系统的设计中,目前常采用静压箱来作为空调机组出风口的连接件[1]。其作用主要有两点:一是方便机组出口与风管的连接,如方便出风合流、气流转向等(见图1),二是能起到一定的消声作用。

    对于此类静压箱的设计,无论是手册还是教科书,都没有提供具体的设计方法。设计者通常是凭经验按机组的尺寸来设计静压箱的结构。本文试图利用CFD(计算流体动力学)方法对用于空调风系统中的静压箱内的气流流动进行数值模拟,研究其内部空气流场及压力场分布,以探讨适宜的静压箱设计方法。

    1 研究对象与研究方法

    本文以风量为6000m3/h、双风机的空调风系统的静压箱为研究对象(如图1),设定静压箱的进风口尺寸为300mm×300mm、进风口之间的中心间距为900mm,外型基准尺寸(长、宽、高)为1500mm×1200mm×700mm,当出风口处于进风轴向时,出风口尺寸为800mm×320mm,当出风口位于进风口两侧时,出风口尺寸为400mm×320mm。进风平均速度为9126m/s,出风平均速度为6.51m/s。

    静压箱内空气的流动属紊流,结合前人的研成果和本文所探讨的具体问题,采用高雷诺数k-E紊流模型来模拟静压箱内空气的流动[2]:

    k方程:

    为了简化,假定送风口出流速度为均匀分布,且为垂直出流;在试验过程中保证进风量与出风量相等以满足连续性方程;对于壁面,采用壁面函数法设定边界条件。

    通过Phoenics CFD软件对静压箱内的空气流动进行仿真试验。

    在仿真实验中,为了分析静压箱的结构尺寸对其空气动力特性的影响,在风量不变的情况下,分别改变静压箱的长(900mm,1200mm,1500mm)、宽(1300mm,1500mm,1700mm)、高(500mm,700mm,900mm)以及进风口之间的中心间距(500mm,700mm,900mm),以便寻找有关规律和参数。

    2 结果与分析

    2.1 几何参数影响

    通过反复试验发现,静压箱内的气流流动基本上属射流(如图2、3),即气流流动集中在进风口至出风口的轴心周围。

    当风量一定且出风口位于进风口轴向时,静压箱沿气流方向的长度越长、高度与宽度尺寸愈小,静压箱的空气流动阻力就愈小,出风口速度分布就愈均匀;对于双风机机组,静压箱进风口之间的间距越小,对静压箱的动力特性的改善越有利。综合各试验工况,6000m³/h的空调风系统的静压箱的最佳(相对)尺寸为1300mm×1500mm×500mm、进风口中心间距为500mm(图3a)。

    当风量一定且出风口位于进风口两侧时,静压箱沿进风气流轴向的长度愈长愈有利于动力特性的改善,但影响程度不如轴向出风;高度尺寸及进风口之间的间距愈小对改善静压箱的动力特性愈有利;而宽度尺寸愈大愈有利。综合各试验工况,6000m³/h的空调风系统的静压箱的最佳(相对)尺寸为1700mm×1500mm×500mm、进风口中心间距为500mm(图3b)。