產(chǎn)品列表
- 屋頂風(fēng)機(jī)240cm屋頂風(fēng)機(jī)83cm
- 145cm負(fù)壓風(fēng)機(jī)54寸玻璃鋼風(fēng)機(jī)
- 120cm負(fù)壓風(fēng)機(jī)46寸玻璃鋼風(fēng)機(jī)
- 100cm負(fù)壓風(fēng)機(jī)36寸玻璃鋼風(fēng)機(jī)
- 90cm負(fù)壓風(fēng)機(jī)32寸玻璃鋼風(fēng)機(jī)
- 75cm負(fù)壓風(fēng)機(jī)28寸玻璃鋼風(fēng)機(jī)
- 地溝風(fēng)機(jī)畜牧風(fēng)機(jī)
- 冷風(fēng)機(jī)/環(huán)?照{(diào)/移動冷風(fēng)機(jī)
- 塑料水簾/紙水簾
- 玻璃鋼風(fēng)機(jī)外框|風(fēng)機(jī)風(fēng)葉加工
工程案例展示
風(fēng)機(jī)安裝與維護(hù)
屋頂負(fù)壓風(fēng)機(jī)公路隧道縱向通風(fēng)工程射流風(fēng)機(jī)選型計算低速風(fēng)洞擴(kuò)壓
【摘要】 為滿足公路隧道通風(fēng)降噪的需要,提出了射流風(fēng)機(jī)推力影響因素及其選用要求。在計算隧道中總推力的前提下確定出射流風(fēng)機(jī)的推力。并確定所用風(fēng)機(jī)的數(shù)量。
關(guān)鍵詞:噴流式通風(fēng)機(jī) 隧道 選用 計算
一、引言
在公路隧道縱向通風(fēng)工程中,射流風(fēng)機(jī)通常是并聯(lián)為一組,并沿隧道方向間隔布置,為了滿足隧道內(nèi)噪聲環(huán)境的要求,射流風(fēng)機(jī)通常配有整體消聲器。在夜間,為了防止隧道洞口產(chǎn)生較大的噪聲,通常是只運行隧道中間部分的風(fēng)機(jī),或者加長靠近隧道洞口處的風(fēng)機(jī)消聲器長度,或者采用雙速射流風(fēng)機(jī)。
二、射流風(fēng)機(jī)推力影響因素及選用
1.每組風(fēng)機(jī)之間的縱向距離
如果隧道中每組風(fēng)機(jī)之間具有足夠的距離,則噴射氣流會有充分的逐漸減速,如果噴射氣流減速不完全,將會影響到下一級風(fēng)機(jī)的工作性能。一般情況下,每組風(fēng)機(jī)之間的縱向間距取為隧道截面水力當(dāng)量直徑的10倍或10倍以上,也可以取風(fēng)機(jī)空氣動壓(Pa)的十分之一作風(fēng)機(jī)縱向間距(m),同一組風(fēng)機(jī)之間的中心距至少取為風(fēng)機(jī)直徑的2倍。隧道中的射流風(fēng)機(jī)布置并不一定具有同一間距,只要風(fēng)機(jī)之間具有足夠的縱向間距,則風(fēng)機(jī)可以盡可能地布置在靠近隧道洞口的位置;如果風(fēng)機(jī)軸向安裝位置允許存在一定傾斜,則風(fēng)機(jī)之間的縱向距離可以減少,從而可以提高安裝系數(shù)。
2.隧道中空氣流速、風(fēng)機(jī)與壁面及拱頂?shù)慕咏?
風(fēng)機(jī)推力是在空氣靜止條件下,根據(jù)風(fēng)機(jī)的空氣動量的變化而測定的。如果風(fēng)機(jī)進(jìn)口的空氣處于運動狀態(tài),則風(fēng)機(jī)中空氣動量的變化值必然減小。如果射流風(fēng)機(jī)的安裝位置靠近隧道壁面或拱頂,則空氣射流與壁面或與拱頂之間必然產(chǎn)生附加摩擦損失。
3.風(fēng)機(jī)尺寸
射流風(fēng)機(jī)耗電量與推力之比與風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速有關(guān),對于給定的推力要求,出口風(fēng)速越高,耗電量越大。因此,為了降低運行成本,應(yīng)盡可能選用大直徑、低轉(zhuǎn)速或葉片角度小的風(fēng)機(jī)。對于給定的風(fēng)機(jī)尺寸,如果降低其推力,必然導(dǎo)致風(fēng)機(jī)數(shù)量的增加,從而增加風(fēng)機(jī)本身的投資,但此時風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速也隨之降低,使得消聲器得以取消或減小其長度。
4.可逆運轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)
可逆運轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)與單向風(fēng)機(jī)相比,效率略低,且噪聲稍高,但此類風(fēng)機(jī)可以使隧道的運營具有較大的選擇性。如在特別需要的情況下,單向隧道可以用作雙向運營,在著火時,風(fēng)機(jī)可以反轉(zhuǎn)排煙。
三、隧道中總推力計算
對于采用縱向通風(fēng)方式的公路隧道,在確定了其需要的空氣量后,使可以計算用于克服隧道中全部空氣阻力所需要的射流風(fēng)機(jī)的推力,隧道中的空氣阻力主要由以下各項阻力組成。
1.隧道進(jìn)口、出口空氣阻力
隧道進(jìn)口、出口空氣阻力pen,ex通常取為隧道中空氣動壓的1.5倍,如果隧道進(jìn)口置有流線型喇叭段結(jié)構(gòu),出口置有擴(kuò)散結(jié)構(gòu),則此項阻力會小些。
pdt=1/2ρV2T
式中 pdt——隧道空氣動壓,Pa
ρ——空氣密度,kg/m3
VT——隧道中空氣平均流速=qT/VT,m/s
qT——隧道中空氣流速,m/s
AT——隧道截面積,m2
2.車輛拖阻或阻力
在單向隧道中,如果車輛速度低于隧道中風(fēng)速,車輛會產(chǎn)生拖阻,如果車輛速度大于隧道中風(fēng)速,則車輛會對空氣流動產(chǎn)生助推力;在雙向隧道中,與風(fēng)速反向的車輛行駛速度會對空氣流動產(chǎn)生阻力,車輛拖阻或助推力計算如下:
pdrag=CdAV/AT×0.5ρ〔(NC1+NT1)(VV1+VT)2-(NC2+NT2)|VV2-VT|(VV2-VT)〕
式中 pdrag——車輛拖阻或阻力,Pa
Cd——車輛拖阻系數(shù)(1.0)
AV——車輛迎風(fēng)面積(小汽車:2m2,卡車6m2)
NC1——與風(fēng)向相反行駛小汽車車輛數(shù)
NT1——與風(fēng)向相反行駛卡車車輛數(shù)
NC2——與風(fēng)向同向行駛小汽車車輛數(shù)
NT2——與風(fēng)向同向行駛卡車車輛數(shù)
VV1——與風(fēng)向相反行駛車輛速度,m/s
VV2——與風(fēng)向同向行駛車輛速度,m/s
對于單向隧道NC1=0,NT1=0
3.環(huán)境條件
由于隧道的地理位置不同,隧道進(jìn)出口的環(huán)境條件存在較大差異,如自然風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度、海拔、大氣壓等條件會差別較大,從而會導(dǎo)致煙囪效應(yīng)(stack effects),應(yīng)從隧道的空氣阻力中增加或減掉此效應(yīng)。由于隧道兩端大氣壓差而引起的阻力pstack應(yīng)由測量值確定,并增加到工程阻力中。
4.隧道中表面摩擦損失
隧道中的懸掛物表面,如照明燈具、道路方向指示牌等會對隧道中的空氣流動產(chǎn)生阻力。其計算如下:
pL=0.5ρV2TL/Dh
式中 VT——隧道中空氣平均流速,m/s
L——隧道長度,m
Dh——隧道橫截面當(dāng)量直徑=4AT/PT,m
AT——隧道橫截面積,m2
PT——隧道橫截面周長,m
f——摩擦系數(shù)
通常情況下,f取值為0.02~0.04,主要取決于隧道表粗糙度及隧道中懸掛物的尺寸及數(shù)量。如果上述因素不易確定,則取f=0.025。
5.隧道中總推力TT
隧道中的總推力是用于克服隧道中的空氣阻力,故
TT=pTAT
pT即為1~4中各項阻力損失之和
pT=pen,ex+pdrag±pstack+pL
四、射流風(fēng)機(jī)推力
射流風(fēng)機(jī)的基本推力等于風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣動量的變化。風(fēng)機(jī)進(jìn)口或出口空氣動量等于空氣質(zhì)量流量與進(jìn)口或出口的平均流速之乘積。根據(jù)隧道中射流風(fēng)機(jī)的布置原則,通常認(rèn)為射流風(fēng)機(jī)進(jìn)口處空氣流速為0,故射流風(fēng)機(jī)的理論推力為:
Tm=ρqVFVF=ρqvf2/AF
式中 qVF——風(fēng)機(jī)中空氣體積流量,m3/s
VF——風(fēng)機(jī)出口空氣平均流速,m/s
Af——風(fēng)機(jī)有效通流面積,m2
上式僅適用于流速均勻分布的情況,而風(fēng)機(jī)中的流速分布通常差別很大,主要取決于風(fēng)機(jī)的設(shè)計,特別是葉輪上的輪轂直徑與葉片長度的比、葉片設(shè)計基礎(chǔ)(自由流動,強制流動或旋渦流)、整流體的效率以及流動障礙物的布置等。
射流風(fēng)機(jī)的推力測試是按ISO13350〔1〕進(jìn)行的,WOODS射流風(fēng)機(jī)的測試推力〔2〕一般為理論推力的0.85~1.05倍,而其它射流風(fēng)機(jī)的測試推力僅為理論推力的0.65倍或更低。
隧道中的總推力等于隧道中所有射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的推力之和。不管射流風(fēng)機(jī)的布置是并聯(lián)、串聯(lián)還是其它布置形式。
五、隧道中射流風(fēng)機(jī)數(shù)量的確定
NF=TT/Ti,小數(shù)點圓整為1
式中 NF——射流風(fēng)機(jī)數(shù)量
TT——隧道中推力,N
Ti——射流風(fēng)機(jī)安裝推力,N
射流風(fēng)機(jī)的安裝推力通常會小于射流風(fēng)機(jī)的測試推力(按ISO13350)或理論推力,這主要是由于風(fēng)機(jī)安裝之后會受到其周圍客觀環(huán)境的影響。
射流風(fēng)機(jī)的安裝推力Ti=TmK1K2K3 (N)
K1是隧道空氣流速與射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速之間的影響系數(shù)。在相同出口風(fēng)速條件下,隧道中空氣流速越小,則K1越大;在隧道中空氣流速相同的條件下,出口風(fēng)速越大,K1值越大,這主要是由于風(fēng)機(jī)進(jìn)口處空氣動量的K1值不同而造成的。K1值選擇參見圖1。
傾角 K2K3
0 0.82
5 0.88
10 0.93
15 0.90
六、結(jié)束語
在設(shè)計隧道通風(fēng)工程時,射流風(fēng)機(jī)經(jīng)常被選用的原因之一是其具有低的初投資和低的運行費用。同時,射流風(fēng)機(jī)還可以與通風(fēng)工程聯(lián)合使用,用于通風(fēng)和排煙。
隧道內(nèi)的空氣流動主要是由于存在氣流壓差。射流風(fēng)機(jī)通過噴射高速氣流而產(chǎn)生推力,隨著空氣流速的減小,其能量傳遞給沿隧道內(nèi)的運動空氣,從而產(chǎn)生隧道內(nèi)的空氣壓差,其大小等于射流風(fēng)機(jī)的推力與隧道橫截面積之商,用于克服隧道內(nèi)的空氣流動阻力。因此,射流風(fēng)機(jī)的選型主要取決于對風(fēng)機(jī)推力的要求(即風(fēng)機(jī)出口氣流噴射速度的要求)以及所需通風(fēng)量(即風(fēng)機(jī)直徑)的要求。
來源:佳工機(jī)電網(wǎng)
摘要:合適的擴(kuò)壓角對于風(fēng)洞的設(shè)計十分重要。本文綜合考慮擴(kuò)壓段擴(kuò)壓效率和擴(kuò)壓段尺寸等因素,通過Matlab數(shù)值分析計算得出理論最佳擴(kuò)壓角。在保持?jǐn)U壓效率不減少的情況下,增大擴(kuò)壓角,并最終取得一個高擴(kuò)壓效率、合理尺寸及低耗材的擴(kuò)壓段設(shè)計。結(jié)合實例,加以演示,給出風(fēng)洞擴(kuò)壓段擴(kuò)壓角的最佳選取方法。
關(guān)鍵詞:低速風(fēng)洞;擴(kuò)壓段;擴(kuò)壓角;最優(yōu)角度;優(yōu)化設(shè)計
0引言
擴(kuò)壓段,也稱為擴(kuò)壓器或擴(kuò)散段,其作用是將氣流的動能轉(zhuǎn)變成為壓力能。從試驗段流出的氣流,一般來說速度很大。由于風(fēng)洞的損失與洞內(nèi)氣流速度的二次方成正比,所以,試驗段氣流速度必須盡量降低,從而降低氣流在風(fēng)洞中的損失,進(jìn)而降低風(fēng)洞所需的功率。決定擴(kuò)壓段設(shè)計優(yōu)劣的因素有兩個:一是擴(kuò)壓比,即出口截面積與進(jìn)口截面積之比;二是擴(kuò)散角的選取。通常擴(kuò)壓段的進(jìn)口截面積由試驗段的尺寸來決定,而擴(kuò)壓段的出口截面積與風(fēng)洞中風(fēng)源的尺寸相關(guān)。所以,一個好的擴(kuò)壓段設(shè)計方案,很大程度上取決于擴(kuò)壓角的設(shè)計。教科書上建議按擴(kuò)壓段的平均雷諾數(shù)選取,一般取5°~8°之間[1]。但對于稍大的風(fēng)洞,擴(kuò)壓角每1°的變化,就可能引起擴(kuò)壓段長度尺寸的變化。因此,給出一種合理的擴(kuò)壓角度選取的方法是很有必要的。
1理論最佳擴(kuò)壓角的選取
氣流在擴(kuò)壓段擴(kuò)壓過程中產(chǎn)生損失,表示擴(kuò)壓段擴(kuò)壓性能的好壞用擴(kuò)壓效率表示。下面簡單闡述擴(kuò)壓段的損失和擴(kuò)壓效率的表示,進(jìn)一步分析擴(kuò)壓效率,選取擴(kuò)壓效率最大的角,即理論最佳擴(kuò)壓角。
1.1擴(kuò)壓段的損失
擴(kuò)散段氣流在擴(kuò)壓的同時,自身也會產(chǎn)生損失。其損失主要包括兩部分,一是氣流的摩擦損失、二是擴(kuò)壓損失,見圖1和圖2[2]。
觀察摩擦損失:
對擴(kuò)散管段上的dx上的摩擦損失積分,可計算得到擴(kuò)壓管段上的總壓力損失為:
由于界面是正方形,故其中當(dāng)量直徑D近似為風(fēng)洞擴(kuò)散段的單邊長。當(dāng)取定擴(kuò)散角時,根據(jù)流量守恒定律,有V=V1(D1/D)2,取λ為整個擴(kuò)壓段的平均損失系數(shù)。最后可得:
由式(2)和式(3)可見,當(dāng)擴(kuò)壓段出口截面與進(jìn)口截面一定時,即擴(kuò)散比一定的時候,摩擦損失隨著擴(kuò)散角α的減小而增加。擴(kuò)散損失隨著擴(kuò)散角的增大而增大。綜合上述兩項損失,可得氣流在擴(kuò)壓段擴(kuò)壓過程中產(chǎn)生的損失總和為:
1.2擴(kuò)壓效率
引入壓力損失系數(shù)K,其定義為氣流在擴(kuò)壓段擴(kuò)壓過程中產(chǎn)生的損失與擴(kuò)散段進(jìn)口氣流動能的比值,即:
由上式可以看出,K隨擴(kuò)壓角先減小后增大。同時,K與沿程阻力系數(shù)λ也有密切關(guān)系,當(dāng)其它參數(shù)一定時,不同的λ得出的K曲線也不同,即不同的沿程阻力系數(shù)λ對應(yīng)著不同的擴(kuò)壓損失的最小角度α,在{1-(D1/D2)4}=1的情況下,可得出不同沿程損失系數(shù)的K曲線,見圖3。
由上圖可以看出:沿程損失系數(shù)與材料表面粗糙度和雷諾數(shù)有關(guān),材料表面粗糙度越小,雷諾數(shù)越大,則在其他情況相同的條件下?lián)p失系數(shù)越小。擴(kuò)壓損失的最小角度αmin就越小。
擴(kuò)壓段擴(kuò)壓性能的好壞用擴(kuò)壓效率表示,其定義為擴(kuò)壓段壓力的提高量與動能損失量之比,簡化后為:
由上式可知,K越小,則擴(kuò)壓效率越大,風(fēng)洞擴(kuò)壓段的設(shè)計就越優(yōu)越。由上面的討論中可知,當(dāng)擴(kuò)壓角為αmin時,K最小,這時擴(kuò)壓效率η最大,故理論最佳擴(kuò)壓角即為αmin。
2實際最佳擴(kuò)壓角的選取
以上計算得出的是理論擴(kuò)壓角,但是否應(yīng)該將其直接作為擴(kuò)壓段的設(shè)計角度,下面討論這個問題。
采用擴(kuò)壓段的目的是為了降低風(fēng)洞內(nèi)氣流的損失,從而降低風(fēng)機(jī)功率,節(jié)約能耗。但設(shè)計時,應(yīng)該考慮到風(fēng)洞的尺寸和耗材。在進(jìn)口截面與出口截面選定的情況下,選擇三維擴(kuò)壓形式的擴(kuò)壓段[3]。擴(kuò)壓角與擴(kuò)壓段長度有如下關(guān)系:
分析可知,在小α下,擴(kuò)壓段可能會做得很長,但α每增加1°,擴(kuò)壓段便可縮短1~2m。這對控制風(fēng)洞尺寸和節(jié)省材料是很必要的。而分析擴(kuò)壓效率的表達(dá)式,可知擴(kuò)壓角在最小擴(kuò)壓角αmin左右做小范圍變動時,擴(kuò)壓效率下降不明顯。綜合考慮能量損失與耗材和風(fēng)洞尺寸結(jié)構(gòu),故在理想擴(kuò)壓角度的基礎(chǔ)上應(yīng)當(dāng)適當(dāng)擴(kuò)大擴(kuò)壓角。但增量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi):一是擴(kuò)壓角過大,擴(kuò)壓效率就會下降的比較明顯;二是擴(kuò)壓角過大,氣流在擴(kuò)散段內(nèi)會發(fā)生氣流分離,進(jìn)而使氣流在擴(kuò)散段中產(chǎn)生很大的能量損失,還會對風(fēng)洞產(chǎn)生振動,并且會出現(xiàn)較大的噪聲。試驗表明:一般對于可壓縮流體擴(kuò)壓角控制在6°~7°以內(nèi),不可壓縮流體擴(kuò)壓角控制在8°~10°以內(nèi),則氣流[4]不會產(chǎn)生分離。有資料為了防止氣流分離,建議擴(kuò)壓半角控制在3.5°以內(nèi)[5],但對于低速風(fēng)洞,由于馬赫數(shù)很小,氣流可看作不可壓縮流體。
3實例演示
對于本示例風(fēng)洞,出口當(dāng)量直徑與進(jìn)口當(dāng)量直徑之比已經(jīng)確定,進(jìn)口截面為1m×1m,出口截面為2m×2m,擴(kuò)壓比為D1/D2=1/4,材料相對粗糙度為6μm,從而平均沿程損失系數(shù)也可給定,計算λ=0.012。進(jìn)口氣流速度為60m/s?勺鞒鲂是見圖4,可得到理論擴(kuò)壓損失的最小角度為αmin=5.8°。
由圖4可知,擴(kuò)壓效率最高為94%,在擴(kuò)壓角適當(dāng)增大0~4°范圍內(nèi),不會出現(xiàn)氣流分離,擴(kuò)壓效率仍能保持在93%以上。而由擴(kuò)壓段長度與擴(kuò)壓段擴(kuò)壓角的關(guān)系圖(圖5)可以看出,在擴(kuò)壓角擴(kuò)大2°時,擴(kuò)壓段長度可以縮短2.5m,而此時擴(kuò)壓角為8°。對于平均長度為37.5m的風(fēng)洞,平均馬赫數(shù)約為0.1,可作為不可壓縮流體[6]。
綜上所述,進(jìn)口截面為1m×1m,出口截面2m×2m,選取擴(kuò)壓段擴(kuò)壓角為8°,擴(kuò)壓段長度為7m,則可在擴(kuò)壓效率達(dá)到93.5%左右的情況下,節(jié)省材料,控制尺寸,是比較優(yōu)化的設(shè)計。
4仿真分析
使用Fluent流體仿真對上述擴(kuò)壓段進(jìn)行分析,尺寸結(jié)構(gòu)見圖3。實例演示中設(shè)計,風(fēng)洞材料為鋼板,查得進(jìn)口鋼板邊界粗糙度為6μm,粗糙度常數(shù)取0.5,進(jìn)口風(fēng)速為60m/s。觀察其負(fù)靜壓梯度特性,試驗結(jié)果見圖6,可知其壓力梯度分布均勻,無漩渦產(chǎn)生。經(jīng)試驗?zāi)M,進(jìn)口壓力為-227.52743Pa,出口壓力為1504.5981Pa,計算得出進(jìn)出口壓力差為1732.12553Pa。其擴(kuò)壓效率為89.498%,與理論計算相差4%左右,這可能是由于動力粘度和空氣密度取值存在誤差等原因造成?紤]這一因素后,可以看出,理論計算的結(jié)果與實際是比較相符合的。
5結(jié)論
1)本文對擴(kuò)壓段擴(kuò)壓角的選取做了一個討論,簡單闡述理論最佳擴(kuò)壓角的計算方法。
2)在實際設(shè)計過程中,理論最佳擴(kuò)壓角并不是實際所選的最優(yōu)擴(kuò)壓段設(shè)計角度,而是應(yīng)該在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一個適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大。故本文給出了低速風(fēng)洞擴(kuò)壓段實際擴(kuò)壓角選取的一個方法,即在理論擴(kuò)壓角的基礎(chǔ)上,結(jié)合擴(kuò)壓效率曲線與最小氣流分離角,適當(dāng)擴(kuò)大擴(kuò)壓角,可得出既有高擴(kuò)壓效率,又能有效控制尺寸的最佳擴(kuò)壓段設(shè)計角度。
3)結(jié)合實例,演示風(fēng)洞選取實際最佳擴(kuò)壓角的一個方法。使用Fluent流體仿真進(jìn)行分析,證明設(shè)計擴(kuò)壓段壓力梯度分布均勻,無漩渦產(chǎn)生。
參考文獻(xiàn)
[1]王文奎,石柏軍.低速風(fēng)洞洞體設(shè)計[J].機(jī)床與液壓,2008,36(5):93-95.
[2]伍榮林,王振羽.風(fēng)洞設(shè)計原理[M].北京:北京航空學(xué)院出版社,1985:39-40.
[3]伍榮林,王振羽.風(fēng)洞
相關(guān)的主題文章:
關(guān)鍵詞:噴流式通風(fēng)機(jī) 隧道 選用 計算
一、引言
在公路隧道縱向通風(fēng)工程中,射流風(fēng)機(jī)通常是并聯(lián)為一組,并沿隧道方向間隔布置,為了滿足隧道內(nèi)噪聲環(huán)境的要求,射流風(fēng)機(jī)通常配有整體消聲器。在夜間,為了防止隧道洞口產(chǎn)生較大的噪聲,通常是只運行隧道中間部分的風(fēng)機(jī),或者加長靠近隧道洞口處的風(fēng)機(jī)消聲器長度,或者采用雙速射流風(fēng)機(jī)。
二、射流風(fēng)機(jī)推力影響因素及選用
1.每組風(fēng)機(jī)之間的縱向距離
如果隧道中每組風(fēng)機(jī)之間具有足夠的距離,則噴射氣流會有充分的逐漸減速,如果噴射氣流減速不完全,將會影響到下一級風(fēng)機(jī)的工作性能。一般情況下,每組風(fēng)機(jī)之間的縱向間距取為隧道截面水力當(dāng)量直徑的10倍或10倍以上,也可以取風(fēng)機(jī)空氣動壓(Pa)的十分之一作風(fēng)機(jī)縱向間距(m),同一組風(fēng)機(jī)之間的中心距至少取為風(fēng)機(jī)直徑的2倍。隧道中的射流風(fēng)機(jī)布置并不一定具有同一間距,只要風(fēng)機(jī)之間具有足夠的縱向間距,則風(fēng)機(jī)可以盡可能地布置在靠近隧道洞口的位置;如果風(fēng)機(jī)軸向安裝位置允許存在一定傾斜,則風(fēng)機(jī)之間的縱向距離可以減少,從而可以提高安裝系數(shù)。
2.隧道中空氣流速、風(fēng)機(jī)與壁面及拱頂?shù)慕咏?
風(fēng)機(jī)推力是在空氣靜止條件下,根據(jù)風(fēng)機(jī)的空氣動量的變化而測定的。如果風(fēng)機(jī)進(jìn)口的空氣處于運動狀態(tài),則風(fēng)機(jī)中空氣動量的變化值必然減小。如果射流風(fēng)機(jī)的安裝位置靠近隧道壁面或拱頂,則空氣射流與壁面或與拱頂之間必然產(chǎn)生附加摩擦損失。
3.風(fēng)機(jī)尺寸
射流風(fēng)機(jī)耗電量與推力之比與風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速有關(guān),對于給定的推力要求,出口風(fēng)速越高,耗電量越大。因此,為了降低運行成本,應(yīng)盡可能選用大直徑、低轉(zhuǎn)速或葉片角度小的風(fēng)機(jī)。對于給定的風(fēng)機(jī)尺寸,如果降低其推力,必然導(dǎo)致風(fēng)機(jī)數(shù)量的增加,從而增加風(fēng)機(jī)本身的投資,但此時風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速也隨之降低,使得消聲器得以取消或減小其長度。
4.可逆運轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)
可逆運轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)與單向風(fēng)機(jī)相比,效率略低,且噪聲稍高,但此類風(fēng)機(jī)可以使隧道的運營具有較大的選擇性。如在特別需要的情況下,單向隧道可以用作雙向運營,在著火時,風(fēng)機(jī)可以反轉(zhuǎn)排煙。
三、隧道中總推力計算
對于采用縱向通風(fēng)方式的公路隧道,在確定了其需要的空氣量后,使可以計算用于克服隧道中全部空氣阻力所需要的射流風(fēng)機(jī)的推力,隧道中的空氣阻力主要由以下各項阻力組成。
1.隧道進(jìn)口、出口空氣阻力
隧道進(jìn)口、出口空氣阻力pen,ex通常取為隧道中空氣動壓的1.5倍,如果隧道進(jìn)口置有流線型喇叭段結(jié)構(gòu),出口置有擴(kuò)散結(jié)構(gòu),則此項阻力會小些。
pdt=1/2ρV2T
式中 pdt——隧道空氣動壓,Pa
ρ——空氣密度,kg/m3
VT——隧道中空氣平均流速=qT/VT,m/s
qT——隧道中空氣流速,m/s
AT——隧道截面積,m2
2.車輛拖阻或阻力
在單向隧道中,如果車輛速度低于隧道中風(fēng)速,車輛會產(chǎn)生拖阻,如果車輛速度大于隧道中風(fēng)速,則車輛會對空氣流動產(chǎn)生助推力;在雙向隧道中,與風(fēng)速反向的車輛行駛速度會對空氣流動產(chǎn)生阻力,車輛拖阻或助推力計算如下:
pdrag=CdAV/AT×0.5ρ〔(NC1+NT1)(VV1+VT)2-(NC2+NT2)|VV2-VT|(VV2-VT)〕
式中 pdrag——車輛拖阻或阻力,Pa
Cd——車輛拖阻系數(shù)(1.0)
AV——車輛迎風(fēng)面積(小汽車:2m2,卡車6m2)
NC1——與風(fēng)向相反行駛小汽車車輛數(shù)
NT1——與風(fēng)向相反行駛卡車車輛數(shù)
NC2——與風(fēng)向同向行駛小汽車車輛數(shù)
NT2——與風(fēng)向同向行駛卡車車輛數(shù)
VV1——與風(fēng)向相反行駛車輛速度,m/s
VV2——與風(fēng)向同向行駛車輛速度,m/s
對于單向隧道NC1=0,NT1=0
3.環(huán)境條件
由于隧道的地理位置不同,隧道進(jìn)出口的環(huán)境條件存在較大差異,如自然風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度、海拔、大氣壓等條件會差別較大,從而會導(dǎo)致煙囪效應(yīng)(stack effects),應(yīng)從隧道的空氣阻力中增加或減掉此效應(yīng)。由于隧道兩端大氣壓差而引起的阻力pstack應(yīng)由測量值確定,并增加到工程阻力中。
4.隧道中表面摩擦損失
隧道中的懸掛物表面,如照明燈具、道路方向指示牌等會對隧道中的空氣流動產(chǎn)生阻力。其計算如下:
pL=0.5ρV2TL/Dh
式中 VT——隧道中空氣平均流速,m/s
L——隧道長度,m
Dh——隧道橫截面當(dāng)量直徑=4AT/PT,m
AT——隧道橫截面積,m2
PT——隧道橫截面周長,m
f——摩擦系數(shù)
通常情況下,f取值為0.02~0.04,主要取決于隧道表粗糙度及隧道中懸掛物的尺寸及數(shù)量。如果上述因素不易確定,則取f=0.025。
5.隧道中總推力TT
隧道中的總推力是用于克服隧道中的空氣阻力,故
TT=pTAT
pT即為1~4中各項阻力損失之和
pT=pen,ex+pdrag±pstack+pL
四、射流風(fēng)機(jī)推力
射流風(fēng)機(jī)的基本推力等于風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣動量的變化。風(fēng)機(jī)進(jìn)口或出口空氣動量等于空氣質(zhì)量流量與進(jìn)口或出口的平均流速之乘積。根據(jù)隧道中射流風(fēng)機(jī)的布置原則,通常認(rèn)為射流風(fēng)機(jī)進(jìn)口處空氣流速為0,故射流風(fēng)機(jī)的理論推力為:
Tm=ρqVFVF=ρqvf2/AF
式中 qVF——風(fēng)機(jī)中空氣體積流量,m3/s
VF——風(fēng)機(jī)出口空氣平均流速,m/s
Af——風(fēng)機(jī)有效通流面積,m2
上式僅適用于流速均勻分布的情況,而風(fēng)機(jī)中的流速分布通常差別很大,主要取決于風(fēng)機(jī)的設(shè)計,特別是葉輪上的輪轂直徑與葉片長度的比、葉片設(shè)計基礎(chǔ)(自由流動,強制流動或旋渦流)、整流體的效率以及流動障礙物的布置等。
射流風(fēng)機(jī)的推力測試是按ISO13350〔1〕進(jìn)行的,WOODS射流風(fēng)機(jī)的測試推力〔2〕一般為理論推力的0.85~1.05倍,而其它射流風(fēng)機(jī)的測試推力僅為理論推力的0.65倍或更低。
隧道中的總推力等于隧道中所有射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的推力之和。不管射流風(fēng)機(jī)的布置是并聯(lián)、串聯(lián)還是其它布置形式。
五、隧道中射流風(fēng)機(jī)數(shù)量的確定
NF=TT/Ti,小數(shù)點圓整為1
式中 NF——射流風(fēng)機(jī)數(shù)量
TT——隧道中推力,N
Ti——射流風(fēng)機(jī)安裝推力,N
射流風(fēng)機(jī)的安裝推力通常會小于射流風(fēng)機(jī)的測試推力(按ISO13350)或理論推力,這主要是由于風(fēng)機(jī)安裝之后會受到其周圍客觀環(huán)境的影響。
射流風(fēng)機(jī)的安裝推力Ti=TmK1K2K3 (N)
K1是隧道空氣流速與射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速之間的影響系數(shù)。在相同出口風(fēng)速條件下,隧道中空氣流速越小,則K1越大;在隧道中空氣流速相同的條件下,出口風(fēng)速越大,K1值越大,這主要是由于風(fēng)機(jī)進(jìn)口處空氣動量的K1值不同而造成的。K1值選擇參見圖1。
圖1 隧道中空氣流速對射流風(fēng)機(jī)推力的影響曲線
Z——射流風(fēng)機(jī)軸線至隧道壁面或拱頂距離
DF——射流風(fēng)機(jī)直徑
DT——隧道橫截面積當(dāng)量直徑
圖2 與隧道主軸線平行安裝射流風(fēng)機(jī)推力受壁面影響曲線/p>K3是風(fēng)機(jī)安裝時軸線傾斜的較正系數(shù),如圖3所示。
圖3 風(fēng)機(jī)安裝時軸線傾斜對推力的影響曲線
傾角 K2K3
0 0.82
5 0.88
10 0.93
15 0.90
六、結(jié)束語
在設(shè)計隧道通風(fēng)工程時,射流風(fēng)機(jī)經(jīng)常被選用的原因之一是其具有低的初投資和低的運行費用。同時,射流風(fēng)機(jī)還可以與通風(fēng)工程聯(lián)合使用,用于通風(fēng)和排煙。
隧道內(nèi)的空氣流動主要是由于存在氣流壓差。射流風(fēng)機(jī)通過噴射高速氣流而產(chǎn)生推力,隨著空氣流速的減小,其能量傳遞給沿隧道內(nèi)的運動空氣,從而產(chǎn)生隧道內(nèi)的空氣壓差,其大小等于射流風(fēng)機(jī)的推力與隧道橫截面積之商,用于克服隧道內(nèi)的空氣流動阻力。因此,射流風(fēng)機(jī)的選型主要取決于對風(fēng)機(jī)推力的要求(即風(fēng)機(jī)出口氣流噴射速度的要求)以及所需通風(fēng)量(即風(fēng)機(jī)直徑)的要求。
來源:佳工機(jī)電網(wǎng)
摘要:合適的擴(kuò)壓角對于風(fēng)洞的設(shè)計十分重要。本文綜合考慮擴(kuò)壓段擴(kuò)壓效率和擴(kuò)壓段尺寸等因素,通過Matlab數(shù)值分析計算得出理論最佳擴(kuò)壓角。在保持?jǐn)U壓效率不減少的情況下,增大擴(kuò)壓角,并最終取得一個高擴(kuò)壓效率、合理尺寸及低耗材的擴(kuò)壓段設(shè)計。結(jié)合實例,加以演示,給出風(fēng)洞擴(kuò)壓段擴(kuò)壓角的最佳選取方法。
關(guān)鍵詞:低速風(fēng)洞;擴(kuò)壓段;擴(kuò)壓角;最優(yōu)角度;優(yōu)化設(shè)計
0引言
擴(kuò)壓段,也稱為擴(kuò)壓器或擴(kuò)散段,其作用是將氣流的動能轉(zhuǎn)變成為壓力能。從試驗段流出的氣流,一般來說速度很大。由于風(fēng)洞的損失與洞內(nèi)氣流速度的二次方成正比,所以,試驗段氣流速度必須盡量降低,從而降低氣流在風(fēng)洞中的損失,進(jìn)而降低風(fēng)洞所需的功率。決定擴(kuò)壓段設(shè)計優(yōu)劣的因素有兩個:一是擴(kuò)壓比,即出口截面積與進(jìn)口截面積之比;二是擴(kuò)散角的選取。通常擴(kuò)壓段的進(jìn)口截面積由試驗段的尺寸來決定,而擴(kuò)壓段的出口截面積與風(fēng)洞中風(fēng)源的尺寸相關(guān)。所以,一個好的擴(kuò)壓段設(shè)計方案,很大程度上取決于擴(kuò)壓角的設(shè)計。教科書上建議按擴(kuò)壓段的平均雷諾數(shù)選取,一般取5°~8°之間[1]。但對于稍大的風(fēng)洞,擴(kuò)壓角每1°的變化,就可能引起擴(kuò)壓段長度尺寸的變化。因此,給出一種合理的擴(kuò)壓角度選取的方法是很有必要的。
1理論最佳擴(kuò)壓角的選取
氣流在擴(kuò)壓段擴(kuò)壓過程中產(chǎn)生損失,表示擴(kuò)壓段擴(kuò)壓性能的好壞用擴(kuò)壓效率表示。下面簡單闡述擴(kuò)壓段的損失和擴(kuò)壓效率的表示,進(jìn)一步分析擴(kuò)壓效率,選取擴(kuò)壓效率最大的角,即理論最佳擴(kuò)壓角。
1.1擴(kuò)壓段的損失
擴(kuò)散段氣流在擴(kuò)壓的同時,自身也會產(chǎn)生損失。其損失主要包括兩部分,一是氣流的摩擦損失、二是擴(kuò)壓損失,見圖1和圖2[2]。
觀察摩擦損失:
對擴(kuò)散管段上的dx上的摩擦損失積分,可計算得到擴(kuò)壓管段上的總壓力損失為:
由于界面是正方形,故其中當(dāng)量直徑D近似為風(fēng)洞擴(kuò)散段的單邊長。當(dāng)取定擴(kuò)散角時,根據(jù)流量守恒定律,有V=V1(D1/D)2,取λ為整個擴(kuò)壓段的平均損失系數(shù)。最后可得:
由式(2)和式(3)可見,當(dāng)擴(kuò)壓段出口截面與進(jìn)口截面一定時,即擴(kuò)散比一定的時候,摩擦損失隨著擴(kuò)散角α的減小而增加。擴(kuò)散損失隨著擴(kuò)散角的增大而增大。綜合上述兩項損失,可得氣流在擴(kuò)壓段擴(kuò)壓過程中產(chǎn)生的損失總和為:
1.2擴(kuò)壓效率
引入壓力損失系數(shù)K,其定義為氣流在擴(kuò)壓段擴(kuò)壓過程中產(chǎn)生的損失與擴(kuò)散段進(jìn)口氣流動能的比值,即:
由上式可以看出,K隨擴(kuò)壓角先減小后增大。同時,K與沿程阻力系數(shù)λ也有密切關(guān)系,當(dāng)其它參數(shù)一定時,不同的λ得出的K曲線也不同,即不同的沿程阻力系數(shù)λ對應(yīng)著不同的擴(kuò)壓損失的最小角度α,在{1-(D1/D2)4}=1的情況下,可得出不同沿程損失系數(shù)的K曲線,見圖3。
由上圖可以看出:沿程損失系數(shù)與材料表面粗糙度和雷諾數(shù)有關(guān),材料表面粗糙度越小,雷諾數(shù)越大,則在其他情況相同的條件下?lián)p失系數(shù)越小。擴(kuò)壓損失的最小角度αmin就越小。
擴(kuò)壓段擴(kuò)壓性能的好壞用擴(kuò)壓效率表示,其定義為擴(kuò)壓段壓力的提高量與動能損失量之比,簡化后為:
由上式可知,K越小,則擴(kuò)壓效率越大,風(fēng)洞擴(kuò)壓段的設(shè)計就越優(yōu)越。由上面的討論中可知,當(dāng)擴(kuò)壓角為αmin時,K最小,這時擴(kuò)壓效率η最大,故理論最佳擴(kuò)壓角即為αmin。
2實際最佳擴(kuò)壓角的選取
以上計算得出的是理論擴(kuò)壓角,但是否應(yīng)該將其直接作為擴(kuò)壓段的設(shè)計角度,下面討論這個問題。
采用擴(kuò)壓段的目的是為了降低風(fēng)洞內(nèi)氣流的損失,從而降低風(fēng)機(jī)功率,節(jié)約能耗。但設(shè)計時,應(yīng)該考慮到風(fēng)洞的尺寸和耗材。在進(jìn)口截面與出口截面選定的情況下,選擇三維擴(kuò)壓形式的擴(kuò)壓段[3]。擴(kuò)壓角與擴(kuò)壓段長度有如下關(guān)系:
分析可知,在小α下,擴(kuò)壓段可能會做得很長,但α每增加1°,擴(kuò)壓段便可縮短1~2m。這對控制風(fēng)洞尺寸和節(jié)省材料是很必要的。而分析擴(kuò)壓效率的表達(dá)式,可知擴(kuò)壓角在最小擴(kuò)壓角αmin左右做小范圍變動時,擴(kuò)壓效率下降不明顯。綜合考慮能量損失與耗材和風(fēng)洞尺寸結(jié)構(gòu),故在理想擴(kuò)壓角度的基礎(chǔ)上應(yīng)當(dāng)適當(dāng)擴(kuò)大擴(kuò)壓角。但增量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi):一是擴(kuò)壓角過大,擴(kuò)壓效率就會下降的比較明顯;二是擴(kuò)壓角過大,氣流在擴(kuò)散段內(nèi)會發(fā)生氣流分離,進(jìn)而使氣流在擴(kuò)散段中產(chǎn)生很大的能量損失,還會對風(fēng)洞產(chǎn)生振動,并且會出現(xiàn)較大的噪聲。試驗表明:一般對于可壓縮流體擴(kuò)壓角控制在6°~7°以內(nèi),不可壓縮流體擴(kuò)壓角控制在8°~10°以內(nèi),則氣流[4]不會產(chǎn)生分離。有資料為了防止氣流分離,建議擴(kuò)壓半角控制在3.5°以內(nèi)[5],但對于低速風(fēng)洞,由于馬赫數(shù)很小,氣流可看作不可壓縮流體。
3實例演示
對于本示例風(fēng)洞,出口當(dāng)量直徑與進(jìn)口當(dāng)量直徑之比已經(jīng)確定,進(jìn)口截面為1m×1m,出口截面為2m×2m,擴(kuò)壓比為D1/D2=1/4,材料相對粗糙度為6μm,從而平均沿程損失系數(shù)也可給定,計算λ=0.012。進(jìn)口氣流速度為60m/s?勺鞒鲂是見圖4,可得到理論擴(kuò)壓損失的最小角度為αmin=5.8°。
由圖4可知,擴(kuò)壓效率最高為94%,在擴(kuò)壓角適當(dāng)增大0~4°范圍內(nèi),不會出現(xiàn)氣流分離,擴(kuò)壓效率仍能保持在93%以上。而由擴(kuò)壓段長度與擴(kuò)壓段擴(kuò)壓角的關(guān)系圖(圖5)可以看出,在擴(kuò)壓角擴(kuò)大2°時,擴(kuò)壓段長度可以縮短2.5m,而此時擴(kuò)壓角為8°。對于平均長度為37.5m的風(fēng)洞,平均馬赫數(shù)約為0.1,可作為不可壓縮流體[6]。
綜上所述,進(jìn)口截面為1m×1m,出口截面2m×2m,選取擴(kuò)壓段擴(kuò)壓角為8°,擴(kuò)壓段長度為7m,則可在擴(kuò)壓效率達(dá)到93.5%左右的情況下,節(jié)省材料,控制尺寸,是比較優(yōu)化的設(shè)計。
4仿真分析
使用Fluent流體仿真對上述擴(kuò)壓段進(jìn)行分析,尺寸結(jié)構(gòu)見圖3。實例演示中設(shè)計,風(fēng)洞材料為鋼板,查得進(jìn)口鋼板邊界粗糙度為6μm,粗糙度常數(shù)取0.5,進(jìn)口風(fēng)速為60m/s。觀察其負(fù)靜壓梯度特性,試驗結(jié)果見圖6,可知其壓力梯度分布均勻,無漩渦產(chǎn)生。經(jīng)試驗?zāi)M,進(jìn)口壓力為-227.52743Pa,出口壓力為1504.5981Pa,計算得出進(jìn)出口壓力差為1732.12553Pa。其擴(kuò)壓效率為89.498%,與理論計算相差4%左右,這可能是由于動力粘度和空氣密度取值存在誤差等原因造成?紤]這一因素后,可以看出,理論計算的結(jié)果與實際是比較相符合的。
5結(jié)論
1)本文對擴(kuò)壓段擴(kuò)壓角的選取做了一個討論,簡單闡述理論最佳擴(kuò)壓角的計算方法。
2)在實際設(shè)計過程中,理論最佳擴(kuò)壓角并不是實際所選的最優(yōu)擴(kuò)壓段設(shè)計角度,而是應(yīng)該在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一個適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大。故本文給出了低速風(fēng)洞擴(kuò)壓段實際擴(kuò)壓角選取的一個方法,即在理論擴(kuò)壓角的基礎(chǔ)上,結(jié)合擴(kuò)壓效率曲線與最小氣流分離角,適當(dāng)擴(kuò)大擴(kuò)壓角,可得出既有高擴(kuò)壓效率,又能有效控制尺寸的最佳擴(kuò)壓段設(shè)計角度。
3)結(jié)合實例,演示風(fēng)洞選取實際最佳擴(kuò)壓角的一個方法。使用Fluent流體仿真進(jìn)行分析,證明設(shè)計擴(kuò)壓段壓力梯度分布均勻,無漩渦產(chǎn)生。
參考文獻(xiàn)
[1]王文奎,石柏軍.低速風(fēng)洞洞體設(shè)計[J].機(jī)床與液壓,2008,36(5):93-95.
[2]伍榮林,王振羽.風(fēng)洞設(shè)計原理[M].北京:北京航空學(xué)院出版社,1985:39-40.
[3]伍榮林,王振羽.風(fēng)洞
屋頂負(fù)壓風(fēng)機(jī)
車間通風(fēng)降溫
負(fù)壓風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家
相關(guān)的主題文章: