应用风室试验装置的风机性能

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3.0 陈辉 2025-01-09 8 4 4.11MB 81 页 15积分
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摘 要
风机的应用范围遍及工厂、隧道、车辆、船舶和建筑通风、排尘和冷却；锅
炉和工业炉窑的鼓风和引风；空气调节设备的冷却和通风等生产和国民生活的各
领域。以空调为例，其中风机的能耗约占空调系统总能耗的 20%，这就需要选择
运行更合理、性能更好的风机。风机性能是否符合设计与使用要求，是通过风机
性能测试所得到的性能参数并进行计算处理后获得的，风机性能参数的获得需要
专门的性能测试装置。目前常用的风机性能测试装置主要有风管装置与风室装置
两种，而用这两种装置分别测试同一台风机所得到的测试结果有时会产生较大的
误差，而我国现行试验标准中并没有分析和给出造成两种性能试验装置测试误差
的原因和修正方法。
本文采用理论分析与 CFD 数值模拟相结合的方法，研究和探讨进气风室试验
装置与进气风管试验装置测试结果产生误差的原因与修正方法。对不同工况下的
进气风室试验装置进行计算机建模并采用 Fluent 软件进行数值模拟计算，通过将
数值计算结果与试验结果加以比较验证了数值计算的可行性。因此，通过观察模
拟计算结果的流场的分布情况，研究和探讨影响进气风室风机性能试验装置结果
的主要因素。同时，尝试通过理论计算的方法对进气风管与进气风室试验装置间
的试验误差进行修正，将修正后两者的误差控制在工程误差范围内，对今后的风
室试验结果与风管试验结果进行类比分析提供参考。
在采用 Fluent 软件进行模拟计算时，严格按照装置尺寸并对进气风室的计算
模型进行了合理的简化，选取合适的边界条件，在保证计算精度的基础上合理选
择网格尺寸及残差值，合理选择和确定计算模型和计算方案。对遵照
GB/T1236–2000 规定设计的多喷嘴进气风室试验装置，在与试验相同工况下对风
室内部流场的进行模拟计算，通过观察与比较计算结果，为风室试验装置的设计
与改进提供参考。达到改善试验装置的设计，节约成本，提高工作效率的目的。
关键词： 进气风室 性能试验 误差修正 模拟试验 FLUENT
ABSTRACT
Fan has wide range of applications including factory, tunnel, vehicle, ship, building
ventilation, cooling, boiler, industrial furnace, air-conditioning equipment and so on.
For example, the energy consumption of fan accounts for 20% of the total energy
consumption of the air-conditioning system. We should choose the fan with more
reasonable running and better performance. Whether fan performance meets the design
and use requirements is based on the fan performance parameter which is measured by
the performance testing device. The common used fan performance testing device
consists of air duct device and air plenum device. The test results usually have error
when the two kinds of devices test the same fan, but there are no reasons and
amendments of the testing error in our current test standards.
Combining the methods of theoretical analysis and CFD numerical simulation, this
paper discuss the reason and revised approach of the testing error which caused by the
two kinds of devices. Modeling the intake plenum and do numerical simulation with
Fluent software, the feasibility of simulation will be checked according to compare the
testing results of simulation and the test. According to the flow distribution of the
simulation results, we can research and discuss the major factor affects the performance
of the air intake plenum fan test device. Meanwhile, some attempts have done to revise
the test error by theoretical calculation and then the revised error will be acceptability. It
will offer reference for analogy analysis of the two kinds of test results.
During the simulation calculation, the model of the air intake plenum is simplified
with strict accordance the device size. On the basis of assuring calculation accuracy,
choose the reasonable mesh size and residual size, determine the calculation model and
calculation procedure. For the multi-injector air intake test device which designed
comply with the GB/T1236–2000, the simulation calculation of indoor flow field have
done under the same test working condition. According to the compared calculation
results, it could offer reference for the design and improvement of the air plenum test
device. It will improve the design of test device, save the cost and improve work
efficiency.
Keywords: air intake plenum， performance test， error correction，
simulation test， FLUENT
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ......................................................... 1
§1.1 引言 ....................................................... 1
§1.2 课题的研究背景和意义 ....................................... 1
§1.3 风机性能试验的国内外研究现状 ............................... 3
§1.3.1 国外风机性能试验研究现状 ............................. 3
§1.3.2 国内风机性能试验研究现状 ............................. 4
§1.4 本文主要工作 ............................................... 6
§1.4.1 实施方案 ............................................. 6
§1.4.2 研究方法 ............................................. 6
§1.4.3 关键技术 ............................................. 7
§1.4.4 研究内容 ............................................. 7
第二章 风机性能测试理论及其主要参数 ................................. 8
§2.1 概述 ....................................................... 8
§2.2 风机性能测试主要测量参数 ................................... 8
§2.3 风机性能参数的测量方法 ..................................... 9
§2.3.1 压力的测量 ........................................... 9
§2.3.2 流量的测量 .......................................... 11
§2.3.3 转速的测量 .......................................... 13
§2.3.4 功率的测量 .......................................... 13
§2.3.5 环境大气参数及风机进、出口温度的测量 ................ 14
§2.4 风机性能测试装置 .......................................... 14
§2.5 风机性能参数的计算 ........................................ 15
§2.6 风机性能参数的换算及特性曲线的绘制 ........................ 15
§2.6.1 性能换算 ............................................ 16
§2.6.2 特性曲线的绘制 ...................................... 16
第三章 数值模拟基础 ................................................ 18
§3.1 流体力学基础 .............................................. 18
§3.2 计算流体力学基础 .......................................... 19
§3.2.1 计算流体力学的求解过程 .............................. 19
§3.2.2 数值模拟方法和分类 .................................. 20
§3.3 数值模拟软件 .............................................. 20
§3.3.1 CFD 通用软件的主要特点 ............................... 21
§3.3.2 著名 CFD 商用软件简介 ................................ 21
§3.4 模拟软件的选择 ............................................ 24
第四章 风室装置建模 ................................................ 25
§4.1 概述 ...................................................... 25
§4.2 进气风室装置建模 .......................................... 25
§4.2.1 风室进口集流器 ...................................... 26
§4.2.2 锥形连接管 .......................................... 26
§4.2.3 整流栅 .............................................. 27
§4.2.4 风机进口 ............................................ 27
§4.2.5 风室装置整体模型 .................................... 27
§4.3 多喷嘴进气风室装置建模 .................................... 28
§4.3.1 风室进口集流器 ...................................... 28
§4.3.2 整流栅 .............................................. 28
§4.3.3 风室中的流量喷嘴 .................................... 29
第五章 数值模拟试验方案的选择 ...................................... 34
§5.1 概述 ...................................................... 34
§5.2 湍流模型 .................................................. 34
§5.2.1 简介 ................................................ 34
§5.2.2 湍流模型的选择 ...................................... 34
§5.2.3 标准 模型 ........................................ 36
§5.3 网格与边界条件 ............................................ 36
§5.3.1 网格的划分 .......................................... 36
§5.3.2 网格无关性 .......................................... 37
§5.3.3 边界条件 ............................................ 38
§5.4 基本假设与求解器设置 ...................................... 38
§5.5 数值模拟可靠性验证 ........................................ 38
§5.5.1 二维模型的计算 ...................................... 39
§5.5.2 计算方案的选择 ...................................... 43
§5.6 三维模型及其简化 .......................................... 46
第六章 试验结果及误差分析 .......................................... 47
§6.1 概述 ...................................................... 47
§6.2 模拟计算结果及其分析 ...................................... 47
§6.2.1 模拟计算结果及其修正 ................................ 47
§6.2.2 模拟计算结果的分析 .................................. 49
§6.3 试验结果及误差分析 ........................................ 54
§6.3.1 试验结果分析 ........................................ 54
§6.3.2 误差分析 ............................................ 56
§6.4 多喷嘴进气风室装置的模拟计算及结果 ........................ 59
§6.4.1 模拟计算过程 ........................................ 59
§6.4.2 模拟计算结果 ........................................ 61
第七章 总结与展望 .................................................. 63
§7.1 小结 ...................................................... 63
§7.2 展望 ...................................................... 64
主要符号表 ......................................................... 65
参考文献 ........................................................... 67
附录 ............................................................... 71
致 谢 ............................................................. 78
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
风机是一种应用广泛的通用机械，其种类繁多，使用面广，几乎遍及国民经
济的各个部门，如建筑通风与空调、矿山坑道通风、冶金工业中冶炼炉的鼓风及
气体输送、石油化工中的流程加工，及轮船飞机上的动力设备系统等。
风机主要由叶轮、机壳、进口集流器、导流片、电动机等部件组成。风机是
依靠输入的机械能、提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械，
由于风机是国民经济领域中应用广泛的通用机械，也是主要耗能机械之一，其性
能的好坏对节能有着非常重要的影响。因此在对风机的研究、设计和应用过程中，
经常需要对其性能进行测试，并对测试数据进行处理。鉴于风机应用的广泛性和
及其重要性，风机试验方法及试验装置的选择与设计亦尤为重要，而且还要提高
风机性能测试的稳定性，测试精度以及测试效率。
§1.2 课题的研究背景和意义
风机性能测试的目的是要科学、合理、客观地评价产品的质量及其性能。因
此为确保风机能安全经济地运行，需要建造通用的风机性能试验装置，我们便可
以通过实验测试计算得出风机性能的主要参数，如流量、压力、转速、功率及效
率等。风机的工作是以产生气流的流量、压力、所需功率及效率来体现其性能的。
风机的这些主要参数之间存在着一定的关系，当流量与转速发生变化时，会引起
其它参数的相应变化。风机性能试验是在保持风机转速不变的情况下，通过改变
风机的流量来检测风机的各性能参数，并绘制风机性能曲线的过程。
风机的性能曲线反映的是风机的全压、静压、轴功率和效率这些参数随流量
的改变而变化的关系，特性曲线直接应用于理论和生产实践，常用于风机的选型、
工况点的确定及其运行管理方面。由于风机内气体流动的复杂性以及目前风机理
论仍欠完善，该曲线目前尚不能完全通过理论求得，因此风机性能参数的获得主
要还是依赖于风机的性能试验[5]。所以，无论是新设计的风机，还是选择现有风机，
想要了解其性能，就必须对其进行性能试验。我们对于新设计的风机所进行的性
能试验，主要是考核其性能是否达到当初的设计要求，或为改进设计提供比较可
靠的数据；而在选择现有风机时，对风机所进行的性能试验，则是要确定该风机
的各性能指标是否符合要求，判断选型是否经济合理。现在风机的生产厂家为了
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