基于文丘里原理的新型空氣混合器的研究與設(shè)計(jì)

宋佳鈁 劉淑慧 梁 爽

(天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300387)

為了降低風(fēng)機(jī)盤(pán)管能耗，必須進(jìn)行風(fēng)機(jī)盤(pán)管性能檢測(cè)。靜壓腔內(nèi)空氣的取樣、干濕球溫度的測(cè)量直接影響焓值的測(cè)量精度。

影響精度的原因：由于空間中存在氣流分層現(xiàn)象，所以會(huì)導(dǎo)致每個(gè)吸風(fēng)口吸取氣體的參數(shù)可能不盡相同，在匯集管處氣體匯合不均勻，導(dǎo)致所測(cè)干濕球溫度精度降低。充分考慮這個(gè)影響因素，針對(duì)此處氣流組織設(shè)計(jì)管內(nèi)混流器，有效地使干濕球溫度計(jì)處的氣流溫度場(chǎng)分布更加均勻。并通過(guò)CFD仿真模擬進(jìn)行此處溫度場(chǎng)模擬。

1 文丘里管基本工作原理

混合管的設(shè)計(jì)運(yùn)用了文丘里原理。文丘里管示意圖如圖1所示[1]。

圖1 文丘里管示意圖Figure 1 Venturi tube

文丘里管工作原理：由流體力學(xué)原理可知，在亞音速范圍內(nèi)，氣體在收縮段內(nèi)流動(dòng)時(shí)，氣體速度增大，而壓力、密度、溫度減小，稱(chēng)之為膨脹過(guò)程。當(dāng)氣體在擴(kuò)壓段流動(dòng)時(shí)，氣體速度減小，壓力、溫度、密度增大，稱(chēng)之為壓縮過(guò)程[2]。

2 混合管的設(shè)計(jì)

混合管設(shè)計(jì)以文丘里原理為基礎(chǔ)，在一定厚度的圓餅上設(shè)計(jì)若干個(gè)通氣孔，通氣孔的形狀呈文丘里管狀。由上面敘述可知，氣體在收縮段溫度降低，在擴(kuò)壓段溫度升高。為了保證取樣氣體經(jīng)過(guò)混合管后氣體溫度偏差最小，收縮段和擴(kuò)壓段是以喉口為對(duì)稱(chēng)軸對(duì)稱(chēng)的，即取L1=L3，d1=d3，α=β。

吸氣管的匯集管直徑為78 mm[1]?；旌瞎馨惭b在吸氣管的匯集管內(nèi)，且位置在干濕球溫度計(jì)近端處。為了避免出氣孔在出氣面分布的不均勻性，形成束狀空氣流，不僅沒(méi)有達(dá)到空氣混合均勻的目的，反而造成空氣分布更加不均勻。因此，在混合管直徑尺寸一定的情況下，利用SolidWorks軟件里的填充陣列功能，使進(jìn)氣端面和出氣端面的孔均勻分布在整個(gè)面上。孔排布結(jié)果有兩種排布如圖2所示。A排布：d1=d3=4.7 mm，B排布：d1=d3=7.4 mm。

(a)A類(lèi)混合器(b)B類(lèi)混合器

擴(kuò)壓段為圓錐形，其最小直徑應(yīng)不小于喉口直徑。擴(kuò)壓段擴(kuò)散角取7°～15°[4]，擴(kuò)散角選擇14°，即β=α=14°。

喉口段長(zhǎng)度取值為[4]：

L2=d2±0.03d2

(1)

由圖1幾何關(guān)系得出喉口部的直徑d2為：

d2=d3-2L3tan(β/2)

(2)

A、B兩種排布參數(shù)見(jiàn)表1。

L1、L3、d1、d3給定數(shù)值后，由公式(1)和公式(2)可求得A類(lèi)和B類(lèi)混合管的L2和d2的取值，分別見(jiàn)表1和表2。

表1 A類(lèi)混合管參數(shù)Table 1 A type mixing tube parameters

表2 B類(lèi)混合管參數(shù)Table 2 B type mixing tube parameters

3 邊界條件設(shè)置

在仿真模擬中，為了驗(yàn)證混合管的混合效果，將進(jìn)氣端的氣體通過(guò)五個(gè)面積不同的進(jìn)氣入口，且每個(gè)入口的氣體物理參數(shù)是不同的。而在實(shí)際工程中，入口端的氣體物理參數(shù)差異遠(yuǎn)小于本研究，這樣做的目的是：在氣體參數(shù)大差異下，通過(guò)混合管后，氣體能夠混合均勻。那么在實(shí)際工程中，由于氣體參數(shù)差異小，通過(guò)混合管后，氣體混合會(huì)更均勻。而且可以有效避免試驗(yàn)過(guò)程中，由于突發(fā)變化的外界條件等造成氣體物理參數(shù)差異大而影響試驗(yàn)精度。仿真模擬選用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。進(jìn)口參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 進(jìn)口參數(shù)設(shè)置Table 3 Inlet parameters setting

4 結(jié)果

4.1 數(shù)值模擬數(shù)學(xué)建模

(3)

速度、湍流參數(shù)等物理量對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 數(shù)學(xué)物理模型參數(shù)關(guān)系Table 4 Mathematical physics model parameter relationship

4.2 氣體不均勻度判斷方法

氣體分布不均勻度系數(shù)Bf為：

(4)

主要研究方法是利用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)云圖求得氣體分布不均勻度系數(shù)。選取所模擬混合器中部的一個(gè)面，運(yùn)用面積法判斷氣體分布的均勻度。

(5)

由公式(4)、(5)得：

(6)

式中，Si為溫度為所選取平面中溫度為ti的面積；S為所選取平面的總面積。Bf值越小，氣體溫度分布越均勻[3]。

4.3 仿真模擬結(jié)果

A類(lèi)混合器參數(shù)確定后，根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)三種A混合器。用SolidWorks軟件三維模擬，然后用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。比較圖3的三個(gè)溫度云圖可知，混合器起到一定的混合均勻效果，但是沒(méi)有達(dá)到理想的混合效果。

圖3 A類(lèi)混合管的溫度云圖Figure 3 Temperature cloud charts of A type mixing tube

B類(lèi)混合管包括四種混合器，得出四組數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 B類(lèi)混合管的溫度云圖Figure 4 Temperature cloud charts of B type mixing tube

通過(guò)觀察溫度云圖，可以發(fā)現(xiàn)B類(lèi)四種混合管都起到了混合效果，但是均沒(méi)有達(dá)到最佳效果。截取混合管中心一截面，運(yùn)用公式(6)，求得氣體分布的不均勻度Bf。

從表5可以看出A類(lèi)a、b、c三個(gè)混合器中，c混合器的Bf最小，即氣體通過(guò)c混合器后，分布最均勻。B類(lèi)混合器的d、e、f、g四個(gè)混合器中，f混合器的Bf值最小，即B類(lèi)的f混合器的混合效果最佳，但是f混合器的Bf值大于c混合器的Bf值。所以，混合效果最佳的是A類(lèi)的c混合器。但是仍然沒(méi)有達(dá)到最理想的混合效果。為了達(dá)到最佳的混合效果，采取的辦法是疊加安裝兩個(gè)混合效果最佳的A類(lèi)c混合器于取樣器的匯集管內(nèi)，得出溫度云圖如圖5所示。

表5 混合管氣體分布不均勻度Table 5 Gas distribution unevenness of mixing tube

圖5 疊加混合管的溫度云圖Figure 5 Temperature cloud chart of superimposed mixing tube

由圖5可以看出，疊加混合管的使用達(dá)到了理想的混合效果。Bf=0，即氣體完全混合，達(dá)到了最理想的混合效果。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

由于設(shè)計(jì)的空氣混合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，所以，將設(shè)計(jì)的c混合器加工制造并安裝在取樣器中。利用溫度傳感器測(cè)取樣器風(fēng)機(jī)近端處N點(diǎn)溫度，利用公式(6)求出空氣不均勻度系數(shù)為0.93×10-3。試驗(yàn)值比模擬值小很多的原因是：為了驗(yàn)證混合效果，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，對(duì)進(jìn)口參數(shù)的設(shè)置采用了不同進(jìn)口參數(shù)大差異的處理方式，而實(shí)際工程中，取樣器不同進(jìn)口小孔的氣體差異遠(yuǎn)小于設(shè)置差異。而試驗(yàn)測(cè)取的安裝單個(gè)c混合器的氣體不均勻度系數(shù)已經(jīng)滿足實(shí)際工程的需求。綜上所述，在實(shí)際工程應(yīng)用中，取樣器內(nèi)可以?xún)H安裝一個(gè)c混合器。

5 總結(jié)

利用文丘里原理設(shè)計(jì)了不同尺寸參數(shù)的空氣混合器。通過(guò)仿真云圖判斷混合效果，并且提出了一種新的判斷氣體均勻度的方法，即溫度分布不均勻度Bf，得出了最佳混合效果的空氣混合器是A類(lèi)c混合器：L1=L3=15 mm，d1=d3=4.7 mm。為了達(dá)到理想混合效果，在實(shí)際工程中，在吸氣管中疊加安裝兩個(gè)A類(lèi)c混合器。

設(shè)計(jì)的空氣混合器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)試驗(yàn)可知，在實(shí)際工程應(yīng)用中，只需要安裝一個(gè)c混合器即可滿足工程的要求，提高測(cè)量精度。除此之外，安裝一個(gè)混合器相比安裝兩個(gè)混合器，降低了壓力損失，有利于降低能耗，提高測(cè)量精度。