多孔板送风末端流量与管路阻力特性的数值模拟

　　0 前言

　　多孔板结构广泛应用于我们的生产生活中,例如孔板流量计,化工行业中的筛板^[1]以及射流强化换热的喷嘴^[2]等。在气流控制领域,其不仅作为局部阻力件实现多风口的等流量分配,还由于其均流作用可以提高所控制热微环境的流场均匀度。

　　对于单个平面多孔板结构的阻力特性前人已经做了充分的研究,给出了一些经验公式^[3]。但是对于送风管壁面上开孔的圆柱面孔板的阻力特性以及其对于整个管路的影响缺乏比较详细的研究。本文对单个圆柱面孔板的阻力特性以及整个管路的水力特性进行了理论计算与数值模拟,并提出当管路中存在变阻力系数的阻力件(比如阀门)时的水力计算方法,对于解决此类问题有一定的参考价值。

　　1 建立模型

　　1.1 物理模型

　　送风管道的等效物理模型见图1。

　　(1)每根送风管上设有5个送风口,前4个为等距的管壁上开孔的柱面孔板矩形送风口,第5个为装有阀门调节的平面孔板送风口。

　　(2)每个柱面孔板送风口为440x85mm,间距为980mm。平面孔板送风口为740x190mm。均采用均匀开孔的方式。

　　(3)仅考虑流量分布,并不模拟温度的变化。

　　(4)空气的物理性质按照理想气体计算。

　　1.2 边界条件

　　(1)进入管道总风量为3.5m³/min,净化抽风量为0.3m³/min。如图1所示的各管段编号,在表1中将给出各个送风口的设计流量。

　　(2)管道入口为速度入口,出口为大气压力出口。

　　(3)采用壁面函数法且壁面为绝热。

　　(4)紊流模型采用K~ε两方程模型。

　　1.3 拟研究问题

　　各送风口流量的均匀性与其送风阻力是一对矛盾。本文所要解决的就是通过孔板开孔率的变换,在压损允许范围内尽可能的提高水力平衡性。其次,需要解决的另一个问题则是,设计工况下所对应的阀门开度以及阀门调节对于各个送风口流量变化和整个管道阻力的影响。

　　2 数值计算与模拟分析

　　2.1 柱面孔板阻力特性数值模拟

　　根据5化工工程手册6平面孔板的阻力系数为:

　　式中ζ-阻力系数,β-平面孔板开孔率,%;

　　式(1)中的阻力系数仅与阻力件的几何结构、外形参数有关,与通过的流量无关。局部阻力系数很难从理论上推导出来,一般由实验得出。它与压损的关系式为:

　　另一个阻力特性参数阻抗S在本质上与阻力系数是一致的,它与压损的关系式为:

　　式中S -阻抗,Q-流量,m³/s。

　　为了便于水力计算,本文采用阻抗作为计算参数。