高效過(guò)濾器送風(fēng)口擴(kuò)散孔板的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)

1、第39卷第12期2006年12月天津大學(xué)學(xué)報(bào)JournalofTianjinUniversityVol.39No.12Dec.2006高效過(guò)濾器送風(fēng)口擴(kuò)散孔板的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)3郭春梅1,2,張于峰1(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津300072;2.天津城市建設(shè)學(xué)院,天津300384)摘要:高效過(guò)濾器送風(fēng)口擴(kuò)散孔板的開孔情況影響著室內(nèi)流場(chǎng)、室內(nèi)空氣潔凈度、潔凈室自凈時(shí)間和擴(kuò)散板阻力.對(duì)GF0121.0型高效過(guò)濾器送風(fēng)口擴(kuò)散孔板的開孔情況對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬,并采用風(fēng)速儀、激光粒子計(jì)數(shù)器和微壓計(jì)分別測(cè)量了擴(kuò)散板開孔變化對(duì)室內(nèi)氣流分布、潔凈室自凈時(shí)間和擴(kuò)散板內(nèi)靜壓的影響.結(jié)果表明隨著

2、開孔率的降低,擴(kuò)散板的阻力增大.在擴(kuò)散板擴(kuò)散越均勻、渦流區(qū)和回流區(qū)越小的情況下,潔凈室自凈時(shí)間越短.并且在不同的送風(fēng)量下,形成室內(nèi)均勻流場(chǎng)的擴(kuò)散板開孔情況不同,所以高效過(guò)濾器送風(fēng)口擴(kuò)散孔板宜在額定風(fēng)量下運(yùn)行.關(guān)鍵詞:高效過(guò)濾器送風(fēng)口擴(kuò)散孔板;開孔率;氣流場(chǎng);自凈時(shí)間;靜壓值中圖分類號(hào):TU834文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):22137)2NumericalSimulationonDiffusionSupplyOutletGUOChun2mei,ZHANGYu2feng1,21(1.ofEnvironmentScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin

3、300072,China;2.TianjinInstituteofUrbanConstruction,Tianjin300384,China)Abstract:HEPAsupplyoutletdiffusionperforationpanelinfluencescleanroomairvelocityfield,cleanliness,cleanlinessrecoverycharacteristicandresistanceofthediffusionpanel.TheinfluenceofperforationratioofGF0121.0diffusionperforationpanel

4、onairflowdistributionofnon2unidirectionalcleanroomwassimulatedinthispaper.Theairvelocityfield,cleanlinessrecoverycharacteristicanddiffusionpanelresistanceweremea2suredwithvelocitymeter,laserparticlecounterandpressuregauge.Resultsshowthattheresistanceofdiffu2sionperforationpanelisininverseproportiont

5、operforationratio.Thebetterthedistributionofairsupplyandthelessthevortexflowzoneandreturnflowzone,theshorterthecleanlinessrecoverycharacteristicofclean2room.Therearedifferentperforationratiosforuniformingairvelocityfieldunderdifferentsupplyairvolumes.HEPAsupplyoutletdiffusionperforationpanelshouldbe

6、operatedunderspecifiedairvolume.Keywords:HEPAsupplyoutletdiffusionperforationpanel;perforationratio;airflowdistribution;cleanlinessrecoverycharacteristic;staticpressure亂流潔凈室在潔凈室中占有非常重要的比重.高效過(guò)濾器送風(fēng)口是潔凈空調(diào)系統(tǒng)的末端送風(fēng)裝置,它將干凈的空氣送到亂流潔凈室內(nèi),通過(guò)稀釋作用,降低1室內(nèi)空氣中污染物濃度;同時(shí)將污染空氣從回風(fēng)口或排風(fēng)口排出.高效過(guò)濾器送風(fēng)口擴(kuò)散孔板有利于送風(fēng)氣流在室內(nèi)均勻擴(kuò)散.因此,有必要通

7、過(guò)研究擴(kuò)散孔板開孔情況對(duì)室內(nèi)氣流分布狀況的影響,優(yōu)化擴(kuò)散板性能.筆者從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩個(gè)方面對(duì)高效過(guò)濾器送風(fēng)口擴(kuò)散孔板開孔情況的變化對(duì)室內(nèi)速度場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究,并測(cè)試了擴(kuò)散孔板的開孔情況對(duì)潔凈室自凈時(shí)間以及擴(kuò)散板內(nèi)靜壓值的影響.3收稿日期:2006204206;修回日期:2006206230.基金項(xiàng)目:天津市城市建設(shè)管理委員會(huì)計(jì)劃項(xiàng)目(2003240).作者簡(jiǎn)介:郭春梅(1971),女,天津大學(xué)博士研究生,天津城市建設(shè)學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,.1412天津大學(xué)學(xué)報(bào)第39卷第12期1數(shù)值模擬在對(duì)風(fēng)口模型的建立基礎(chǔ)、數(shù)值計(jì)算方法、方程模型的設(shè)置、計(jì)算區(qū)域、代數(shù)方程的離散方法和

8、離散格式、求解方法、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以及加速收斂功能等各個(gè)方面27綜合比較的基礎(chǔ)上,選用FLUENT商業(yè)軟件,采用雙方程模型,并采用求解壓力耦合方程的半標(biāo)準(zhǔn)K2隱式方法求解速度場(chǎng)數(shù)值.針對(duì)亂流潔凈室內(nèi)的氣流流動(dòng)情況,對(duì)所給的物理模型做以下簡(jiǎn)化和假設(shè):(1)假設(shè)室內(nèi)氣流為不可壓縮常物性牛頓流體,穩(wěn)態(tài)流動(dòng);(2)假設(shè)室內(nèi)初始各方向速度值為0,由于潔凈室的換氣次數(shù)較大,送風(fēng)溫差較小,故內(nèi)環(huán)境按等溫處理;(3)室內(nèi)無(wú)內(nèi)熱源,維護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱;(4)關(guān),假設(shè)室內(nèi)無(wú)污染源,;(5)有5cm,線方向處理;k、湍流動(dòng)能耗散率值分別按下式計(jì)算kin=0.5nU8根據(jù)上述簡(jiǎn)化和假設(shè),所采用的數(shù)學(xué)模型化為9簡(jiǎn)(1)in=c(2

9、)kinRe/UL式中:n為所取的入流湍流動(dòng)能為平均動(dòng)能的百分?jǐn)?shù),010,此處取為1/0;U為入流速度,m/s;可在0.50/.50/Re為入流的湍流雷諾數(shù),可按400取值;L為湍流特征長(zhǎng)度,m,對(duì)于正方形風(fēng)口取為風(fēng)口邊長(zhǎng);c為常數(shù),連續(xù)方程(3)div(U)=0動(dòng)量方程+div(U)=div(grad)-9x9tgrad)-(4)+div(U)=div(9y9t+div(U)=div(grad)-9z9t紊流脈動(dòng)能量方程t+j()+k9xj9t9xj9xjiijt-(5)jxjxi()=+kt9xk9xk9xkiijct)-c2(6)k9xj9xj9xik和分別為流體的速度矢量U在x、式中:

10、、y、z3個(gè)坐標(biāo)方向的速度分量;k、p和分別表示空氣的湍能、湍流耗散率、密度、壓力和當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù);為流體的運(yùn)動(dòng)黏度.方程組中系數(shù)c1、c2和3個(gè)常數(shù)k、T的取值為:c1=1.44,c2=1.92,k=1.0,、=1.3,T=1.0.在2.5m×1.25m×2.65m的模擬房間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),取地面中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),如圖1(a)所示.選用常用的GF0121.0型高效過(guò)濾器送風(fēng)口,換氣次數(shù)325次/h,送風(fēng)量200m/h,潔凈度級(jí)別7級(jí).擴(kuò)散孔板的平面圖如圖1(b)所示.0.09.(6)回風(fēng)口為單層百葉回風(fēng)口,有效出流面積為0,滿足充分發(fā)展段紊流出口模型.500/(a)立面圖(b)

11、擴(kuò)散板平面圖圖1高效空氣過(guò)濾器送風(fēng)口擴(kuò)散板CFD模型Fig.1CFDmodelforHEPAsupplyoutletdiffusionperforationpanel由于擴(kuò)散板開孔情況復(fù)雜,數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程必須分兩步進(jìn)行.首先模擬均勻開孔的狀態(tài),計(jì)算出送風(fēng)2006年12月郭春梅等:高效過(guò)濾器送風(fēng)口擴(kuò)散孔板的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)1413氣流擴(kuò)散較均勻、室內(nèi)的渦流區(qū)和回流區(qū)較少時(shí)的開孔率A;其次,計(jì)算中心處擴(kuò)散板采用此開孔率(中心處擴(kuò)散板開孔率用Acenter表示),而周圍擴(kuò)散板的開孔率(Aaround)逐漸增大的合理組合開孔情況.在均勻和不均勻狀況下分成15種開孔情況,如表1所示表1擴(kuò)散孔板開孔幾何尺

12、寸表Tab.1Diffusionperforationpanelgeometry項(xiàng)目均勻開孔風(fēng)口10.3020.2030.1540.1250.1160.1070.0980.0890.07100.06項(xiàng)目AaroundAcenter不均勻開孔風(fēng)口110.300.09120.250.09130.240.09140.200.09150.160.09A在均勻開孔風(fēng)口110情況下,比較多個(gè)斷面的速度場(chǎng)情況,選取渦流區(qū)和回流區(qū)較明顯的兩個(gè)斷面速度場(chǎng)(x2y軸,z=0;y2z軸,x=0.6)進(jìn)行分析.由于文章篇幅有限,不能一一列出每種開孔率時(shí)斷面的速度場(chǎng),這里只給出變化較明顯的風(fēng)口1和7兩個(gè)斷面的速度矢量圖

13、.詳細(xì)內(nèi)容可參見文獻(xiàn)10.計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn):均勻開孔情況下,(x2y軸,z0)斷面速度場(chǎng)風(fēng)口兩側(cè)存在渦流區(qū),低,渦流區(qū)逐漸減少,小.圖2列出了風(fēng)口.隨著A降低渦流區(qū)開始增大,且風(fēng)口下方送風(fēng)氣流的連續(xù)性變差,風(fēng).在(y2z軸,x=0.6),圖3為風(fēng)口1和.,流場(chǎng)的回流區(qū),至風(fēng)口8時(shí)回流區(qū)又開,在風(fēng)口7,分布較均勻.(a)風(fēng)口1(a)風(fēng)口1(b)風(fēng)口7圖3x=0.6時(shí)y2z軸斷面速度場(chǎng)Fig.3y2zsectionvelocityfieldatx=0.6(b)風(fēng)口7圖2z=0時(shí)x2y軸斷面速度場(chǎng)Fig.2x2ysectionvelocityfieldatz=0在擴(kuò)散板均勻開孔模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn),送風(fēng)口正下

14、方區(qū)域的氣流較強(qiáng),而周圍區(qū)域送風(fēng)氣流較弱.增大擴(kuò)散板周圍的開孔率Aaround分別為風(fēng)口1115,比較特1414天津大學(xué)學(xué)報(bào)第39卷第12期征斷面(x2y軸,z=0)和(x2z軸,y=2.5)的速度場(chǎng).結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著Aaround的增大,擴(kuò)散板的擴(kuò)散角不斷增大;但是在風(fēng)口12時(shí),在(x2y軸,z=0)特征斷面速度場(chǎng)風(fēng)口正下方出現(xiàn)渦流區(qū).風(fēng)口11和15的(x2z軸,y=2.5)與(x2y軸,z=0)斷面速度矢量如圖4和圖5所示.2實(shí)驗(yàn)研究2.1實(shí)驗(yàn)房間實(shí)驗(yàn)房間的情況與模擬計(jì)算條件完全相同,潔凈室尺寸為2.5m×1.2m×2.65m,換氣次數(shù)取為253次/h,送風(fēng)量為200m/h

15、.高效過(guò)濾器送風(fēng)口為GF0121.0型,均勻布置在房間頂板正中,高效過(guò)濾器面積為0.484m×0.484m,用密封膠與高效風(fēng)口的靜壓箱密封.擴(kuò)散板中央尺寸為0.54m×0.54m,擴(kuò)散板四周的寬度均為0.06m,與擴(kuò)散板中央的夾角為30°,用螺絲與頂板固定.回風(fēng)口為單層百葉回風(fēng)口,位于潔凈室一側(cè)的壁板上,尺寸為0.37m×0.37m,按照自然出流情況考慮,.如圖6所示.(a)風(fēng)口11(b)風(fēng)口15圖6實(shí)驗(yàn)房間Fig.6Experimentalroom圖4y=2.5時(shí)x2z軸斷面速度場(chǎng)Fig.4x2zsectionvelocityfieldaty=2.52

16、.2實(shí)驗(yàn)儀器采用METONE2400型激光粒子計(jì)數(shù)器及其附件熱球式風(fēng)速儀測(cè)量空氣潔凈度和風(fēng)速.將熱球風(fēng)速儀固定于鐵架臺(tái)上,激光粒子計(jì)數(shù)器置于工作車上,采樣口高度為1m.采用ALNORAPM150型電子風(fēng)量罩測(cè)3量擴(kuò)散板出風(fēng)量,測(cè)量范圍853400m/h,測(cè)量精度0.采用DWYER微壓計(jì)測(cè)量擴(kuò)散板內(nèi)靜壓,測(cè)量±30/0.范圍060Pa,測(cè)量精度±30/2.3速度場(chǎng)測(cè)量用懸掛絲線的方式判別出氣流方向,然后調(diào)整熱球式風(fēng)速計(jì)使熱球迎著氣流方向后進(jìn)行測(cè)量.為了盡(a)風(fēng)口11量避免對(duì)室內(nèi)潔凈度和速度場(chǎng)造成擾動(dòng),測(cè)試時(shí)僅有一人進(jìn)入房間對(duì)風(fēng)速儀調(diào)整方向和移動(dòng)鐵架臺(tái)改變測(cè)點(diǎn)位置,然后離開房

17、間,粒子計(jì)數(shù)器自動(dòng)記錄測(cè)點(diǎn)風(fēng)速.2.4自凈時(shí)間測(cè)量(b)風(fēng)口15圖5z=0時(shí)x2y軸斷面速度場(chǎng)Fig.5x2ysectionvelocityfieldatz=0為了檢驗(yàn)擴(kuò)散板在不同開孔情況下對(duì)室內(nèi)潔凈度的影響,在每次測(cè)量室內(nèi)速度場(chǎng)前,采用大氣塵法測(cè)量室內(nèi)的自凈時(shí)間.2006年12月郭春梅等:高效過(guò)濾器送風(fēng)口擴(kuò)散孔板的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)14152.5不同工況及開孔率下擴(kuò)散板內(nèi)靜壓測(cè)試在開孔情況1時(shí),調(diào)節(jié)位于該高效過(guò)濾器送風(fēng)口支管道上的調(diào)節(jié)閥,在擴(kuò)散板出風(fēng)量分別為200、404、3570和735m/h的4種工況下,調(diào)整擴(kuò)散板的開孔率,測(cè)量擴(kuò)散板內(nèi)靜壓值,得出擴(kuò)散板開孔率對(duì)擴(kuò)散板內(nèi)靜壓影響性能曲線.在斷

18、面上的變化趨勢(shì)一致,在風(fēng)口正下方的速度值最高,向風(fēng)口兩側(cè)速度值逐漸降低.但實(shí)測(cè)速度值較CFD模擬計(jì)算值分散,并且模擬速度值明顯低于實(shí)測(cè)速度值,這是因?yàn)樵贑FD模擬計(jì)算時(shí)高效過(guò)濾器送風(fēng)口模型與實(shí)際風(fēng)口還存在著差別,實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件和測(cè)試儀器精度的影響,以及實(shí)測(cè)中受到外界不確定因素的干擾等原因.不均勻開孔情況下,模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)在風(fēng)口1114的下方出現(xiàn)渦流區(qū);而實(shí)測(cè)離風(fēng)口較近的(x2z軸,y=2.3)斷面的速度場(chǎng),發(fā)現(xiàn)風(fēng)口下方氣流的速度值只是低于周圍區(qū)域的速度值,但是并未形成渦流區(qū).比較速度場(chǎng)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者存在差別,但是速度場(chǎng)的曲線形狀基本相同.這也證明.3.,測(cè)試結(jié).斜率越大,;斜率越小

19、,自凈時(shí)間就越長(zhǎng).在各種開孔情況下的測(cè)試結(jié)果表明,自凈時(shí)間從短到長(zhǎng)依次為風(fēng)口12、14、11、13、7、4、6、3、2、1、8、9.圖8為風(fēng)口部分開孔時(shí)風(fēng)口1、3、7、11、13、14的自凈時(shí)間曲線圖.自凈時(shí)間的長(zhǎng)短表明了潔凈室內(nèi)污染物被有效排除、達(dá)到規(guī)定的潔凈度要求的快慢,自凈時(shí)間從短到長(zhǎng)的開孔率順序基本與潔凈室內(nèi)氣流場(chǎng)從好到差的開孔率順序相同.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比與分析3.1速度場(chǎng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比與分析根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,有針對(duì)性的選擇測(cè)試斷面速(x2度場(chǎng).均勻開孔時(shí)測(cè)試斷面選擇(y2z軸,x=0.6)、z軸,y=2.5)和(x2z軸,y=1.0)3個(gè)特征斷面;不均勻開孔時(shí)選

20、擇(x2z軸,y=2.3)、(x2z軸,y=2.5)和(x2z軸,y=1.0)3個(gè)特征斷面.不同開孔情況下數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試斷面速度曲線如圖7所示.由于篇幅有限,這里僅列出在均勻開孔時(shí)(x2z軸,y=2.5)特征斷面數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖.,標(biāo)表示特征斷面上的測(cè)點(diǎn),7置為點(diǎn)(0,2.5,0),沿(a)測(cè)量值圖8自凈時(shí)間曲線Fig.8Cleanlinessrecoverycharacteristiccurves3.3在不同開孔率下擴(kuò)散板內(nèi)靜壓性能(b)計(jì)算值圖7y=2.5時(shí)x2z軸特征斷面速度曲線Fig.7x2zsectionvelocitycurvesaty=2.5圖9為在4種工況和不同開孔

21、率下擴(kuò)散板內(nèi)靜壓性能曲線.圖中縱坐標(biāo)表示板內(nèi)靜壓值,橫坐標(biāo)點(diǎn)112所對(duì)應(yīng)的風(fēng)口依次為1、2、3、4、6、7、8、9、11、12、13和14的13種開孔情況.從圖中可以看出,擴(kuò)散板開孔數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),實(shí)測(cè)特征斷面速度曲線與數(shù)值模擬速度曲線走勢(shì)相似.這表明速度值率的變化對(duì)于擴(kuò)散板內(nèi)靜壓值影響較大,在均勻開孔時(shí),隨著開孔率的降低,擴(kuò)散板的阻力增大.而保持1416天津大學(xué)學(xué)報(bào)第39卷第12期擴(kuò)散板中心的開孔率在風(fēng)口7,增大擴(kuò)散板周圍開孔率,擴(kuò)散板的阻力明顯減小,且送風(fēng)量越大,對(duì)擴(kuò)散板內(nèi)靜壓值影響也就越大.由于板內(nèi)靜壓與擴(kuò)散板的阻力成正比關(guān)系,所以確定擴(kuò)散板的開孔率也要考慮擴(kuò)散板的阻力值.參

22、考文獻(xiàn):1許鐘麟.空氣潔凈技術(shù)原理M.北京:科學(xué)出版社,2003.XuZhonglin.TheoryofAirCleaningTechnologyM.Bei2jing:SciencePress,2003(inChinese).2趙彬,李先庭,彥啟森.室內(nèi)空氣流動(dòng)的簡(jiǎn)捷數(shù)值模擬方法J.暖通空調(diào),2003,33(3):102104.ZhaoBin,LiXianting,YanQisen.Simplifiedmethodfornu2mericalsimulationofindoorairflowJ.HeatingVentilating&AirConditioning,2003,33(3):1

23、02104(inChinese).3彥啟森,李先庭,趙彬.百葉風(fēng)口送風(fēng)射流的數(shù)值模擬J.暖通空調(diào),2001,31(4):1518.YanQisen,LiXianting,ZhaoBin.NumericalsimulationoftheairjetfromaregisterJ.HeatingVentilating&AirCon2ditioning,2001,31(4):(inChinese).圖9靜壓性能曲線Fig.9Staticpressurecurve4FanmXianting.NumericalstudyarwithlargeeddysimulationJ.ics,2003,15(

24、6):4548.4結(jié)論(1)、室內(nèi)氣流分布、的影響,隨著開孔率的降低,擴(kuò)散板的阻力增大.氣流擴(kuò)散越均勻、渦流區(qū)和回流區(qū)越小,潔凈室自凈時(shí)間越短.3(2)在送風(fēng)量為200m/h、均勻開孔情況下,GF0121.0型高效過(guò)濾器送風(fēng)口擴(kuò)散孔板的開孔率出ingyan,SuterPeter,MoserAlfred.Influenceofairsupplyparametersonindoorairdiffusion:BuildingandEnvi2ronmentJ.ASHRAETrans,1991,97(4):417431.6LuoS,HeikkinenJ,RouxBernard.ModelingoftheHESCOnozzlediffuserusedinIEAAnnex220experimenttestroomJ.BuildingandEnvironment,2004,39(4):367384.7RenHongze,ZhaoBin,LiXianting,etal.Simplifiednumeri2calmodelsforcomplexairsupplydiffusersJ.BuildingandEnvironment,2003,9(4):47.8趙彬,李先庭,彥啟森.入口紊亂參數(shù)對(duì)室內(nèi)空氣分布的影響研