閆龍超，李征濤，王芳，馬林泉，何澤輝

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

0 引言

空氣焓差法由于準(zhǔn)確、高效的特點(diǎn)，在空氣調(diào)節(jié)器測試中得到廣泛應(yīng)用[1]。GB/T 17758-2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》[2]對風(fēng)管內(nèi)溫度測量提出規(guī)定，空氣混合器結(jié)構(gòu)直接影響溫度測量的準(zhǔn)確性。與動(dòng)態(tài)空氣混合器相比，靜態(tài)空氣混合器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，但是混合效率相對較低[3]。為提高靜態(tài)空氣混合器混合效率，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行相關(guān)研究。周新等[4]通過模擬發(fā)現(xiàn)在3 層交叉式混流器前150 mm 處加擋板，有利于冷熱空氣混合，提高溫度場均勻性；陳衛(wèi)[5]對雙層圓筒式混合器進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)新、回風(fēng)比例為42.9%時(shí)混流效果明顯提高；Park 等[6]研究發(fā)現(xiàn)百葉混合器的百葉類型、百葉角度影響混合器混合性能；張雙鵬等[7]對均流板型混合器進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，增加均流板數(shù)量可以提高受風(fēng)室出風(fēng)溫度均勻性；Ahmed 等[8]對2 種不同混合器進(jìn)行模擬分析，研究結(jié)果表明，與百葉-擋板混合器相比，百葉式混合器混合效果最好。

以上提出的混合器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壓降高，需增大調(diào)零風(fēng)機(jī)與取樣風(fēng)機(jī)功率來滿足被測機(jī)流量要求。本文提出結(jié)構(gòu)簡單的靜態(tài)單層彎轉(zhuǎn)葉片混合器，利用CFD 模擬軟件對其在不同風(fēng)量和送風(fēng)溫度下溫度場、速度場和壓力場分布進(jìn)行模擬分析，為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 混合器結(jié)構(gòu)

混合器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。彎轉(zhuǎn)葉片前、后設(shè)置方形擋板，后置擋板與圓筒形出風(fēng)口連通，使空氣從混合器徑向流入橫向流出，方形擋板尺寸為550 mm×550 mm，圓筒形出風(fēng)口直徑為400 mm，彎轉(zhuǎn)葉片寬100 mm,弧長為278.36 mm，葉片呈等角度45°夾角分布。

圖1 混流器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the mixer

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

建立物理模型如圖2 所示。風(fēng)量接收箱進(jìn)風(fēng)段尺寸為955 mm×1150 mm×1 000 mm，出口段尺寸為長1 000 mm，直徑400 mm。為模擬極限條件下風(fēng)量接收箱進(jìn)風(fēng)溫度，設(shè)置2 個(gè)進(jìn)風(fēng)口，尺寸均為900 mm×225 mm。選取平面a、b、c、d 為溫度場均勻性分析平面（距離進(jìn)風(fēng)口分別為755，1 355，1 655，1 955 mm）。由于風(fēng)量接受箱模型規(guī)整而混合器模型相對復(fù)雜，混合器區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖2 物理模型Fig.2 Physical model

2.2 基本假設(shè)與邊界條件

對計(jì)算區(qū)域流體模型做如下假設(shè)[7,9]：（1）空氣為不可壓縮流體，物性參數(shù)為常數(shù)；（2）本文在穩(wěn)定工況下進(jìn)行研究，空氣是穩(wěn)態(tài)、定常流動(dòng)；（3）符合Boussinesq 假設(shè)；（4）忽略流體粘性力引起的耗散；（5）風(fēng)量接收箱絕熱且密封性完好，不與外界的進(jìn)行換熱，不考慮漏風(fēng)影響。

采用Standard k-ε湍流模型，計(jì)算方法為SIMPLE 算法。兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度進(jìn)口，送風(fēng)溫度分別為291 K、303 K；出口端設(shè)置為壓力出口，出風(fēng)靜壓設(shè)為0 Pa。為測試不同風(fēng)量下混合器混流效果，本文確定了總流量500 m3/h（高、低溫空氣流量比為1∶1）、3 000 m3/h（高、低溫空氣流量比為1∶1）與3 000 m3/h（高、低溫空氣流量比為4∶1）3 種不同送風(fēng)工況，通過數(shù)值模擬方法，對比分析含與不含混合器風(fēng)量接收箱在不同風(fēng)量工況下空氣流動(dòng)特性。

2.3 參數(shù)計(jì)算

空氣混合效率是評(píng)判混合效果的重要依據(jù)，空氣混合效率計(jì)算公式[10]為

式中：E——混合效率；T1——進(jìn)風(fēng)最高溫度，K；T2——進(jìn)風(fēng)最低溫度，K；T3——混合后空氣最高溫度，K；T4——混合后空氣最低溫度，K。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 溫度場和混合效率

圖3 所示為風(fēng)量500 m3/h（高、低溫空氣流量比為1∶1）時(shí)，風(fēng)量接收箱a、b、c、d 平面溫度云圖。由圖3（a）可知，a 平面的溫差大，冷、熱空氣在進(jìn)風(fēng)段溫度分布不均勻，b、c、d 平面高、低溫分別分布在上下兩側(cè)，中間呈現(xiàn)溫度分層，混合效果不佳；由圖3（b）可知，增加靜態(tài)單層彎轉(zhuǎn)葉片混合器后，空氣在出風(fēng)段呈螺旋式流動(dòng)，增大空氣擾動(dòng)，混合效果明顯提高。

圖3 風(fēng)量500 m3/h（高、低溫空氣流量比為1∶1）溫度分布云圖Fig.3 Temperature contour for air volume 500 m3/h(hot and cold airstream's flow ratio of 1∶1)

如圖4 所示，隨著到進(jìn)風(fēng)口距離的增大，高、低溫空氣混合效率提高。不含混合器結(jié)構(gòu)a、b、c、d 平面混合效率分別為12.5%、14.7%、16.6%、18.3%；含混合器結(jié)構(gòu)a、b、c、d 平面混合效率分別為12.6%、41.0%、53.7%、56.44%。與不含混合器結(jié)構(gòu)相比，含混合器結(jié)構(gòu)混合效率提高38.14%。

圖4 風(fēng)量500 m3/h（高、低溫空氣流量比為1∶1）空氣混合效率Fig.4 Air mixing efficiency for air volume of 500 m3/h(hot and cold airstream's flow ratio of 1:1)

圖5 所示為風(fēng)量3 000 m3/h（高、低溫空氣流量比為1∶1）時(shí)溫度分布云圖。它與風(fēng)量500 m3/h（高、低溫空氣流量1∶1）溫度分布基本一致，但溫度場均勻性提高。

圖5 風(fēng)量3 000 m3/h（高、低溫空氣流量比為1∶1）溫度分布云圖Fig.5 Temperature contour for air volume 3 000 m3/h(hot and cold airstream's flow ratio of 1∶1)

圖6 所示為風(fēng)量3 000 m3/h（高、低溫空氣流量比為4∶1）時(shí)溫度分布云圖。a 平面上側(cè)為高溫空氣，下側(cè)中間兩側(cè)溫度低，底部溫度較高，溫度分布不均勻。這是由于高、低溫空氣流量不同，高溫空氣與低溫空氣動(dòng)量和溫度的交換增大，低溫區(qū)域溫度變化劇烈，空氣混合效果提高。不含混合器結(jié)構(gòu)b、c、d 平面上側(cè)區(qū)域溫度高，左下角溫度低，溫差大；含混合器結(jié)構(gòu)b、c、d 平面僅右側(cè)邊緣處溫度場較差，其余區(qū)域溫度均勻性較好。與不含混合器結(jié)構(gòu)相比，含混合器結(jié)構(gòu)b、c、d 平面溫度場均勻性更好。

圖6 風(fēng)量3 000 m3/h（高、低溫空氣流量比為4∶1）溫度分布云圖Fig.6 Temperature contour for air volume 3 000 m3/h (hot and cold airstream's flow ratio of 4∶1)

風(fēng)量3 000 m3/h，空氣混合效率如圖7 所示。由圖7（a）可知，高、低溫空氣進(jìn)口流量比為1∶1時(shí)，不含混合器結(jié)構(gòu)與含混合器結(jié)構(gòu)a 平面空氣混合效率均在12.5%左右，d 平面空氣混合效率分別為24.1%、66.7%，不含混合器結(jié)構(gòu)空氣混合效率提高11.6%，含混合器結(jié)構(gòu)空氣混合效率提高54.2%。與不含混合器相比，含混合器結(jié)構(gòu)空氣混合效率提高42.6%。風(fēng)量3 000 m3/h（高、低溫空氣流量比為1∶1）與風(fēng)量500 m3/h（高、低溫空氣流量比為1∶1）相比，含混合器結(jié)構(gòu)空氣混合效率提高10.26%，混合效率隨空氣流量增大而升高。

由圖7（b）可知，高、低溫空氣進(jìn)口流量比為4∶1 時(shí)空氣混合效率提高，不含混合器結(jié)構(gòu)a、b、c、d 平面空氣混合效率分別為17.8%、59.9%、62.2%、65.9%；含混合器結(jié)構(gòu)a、b、c、d 平面空氣混合效率分別為13.1%、74.8%、80.4%、84.6%。與不含混合器結(jié)構(gòu)相比，含混合器結(jié)構(gòu)混合效率提高18.7%。

圖7 風(fēng)量3 000 m3/h 空氣混合效率Fig.7 Air mixing efficiency for air volume of 3 000 m3/h

風(fēng)量3 000 m3/h，高、低溫空氣流量比例不同混合效果不同的原因之一是混合器可增加空氣擾動(dòng)，提高混合效率；另一方面，當(dāng)兩股氣流流速不同時(shí)，速度較高的氣流將其動(dòng)量傳遞給低速氣流，在低速氣流中引起更多的空氣擾動(dòng)，從而增強(qiáng)混合，當(dāng)兩股氣流流速相同，動(dòng)量傳遞減少導(dǎo)致混合減少。

3.2 速度場與壓力場

圖8 為風(fēng)量3 000 m3/h（高、低溫空氣流量比為1∶1）時(shí)X=0 平面壓力分布、流線圖。如圖8（a）、圖8（b）所示，不含混合器結(jié)構(gòu)進(jìn)風(fēng)段和出風(fēng)段壓力場均勻。由于出風(fēng)段管道面積的縮小，進(jìn)風(fēng)段上下兩側(cè)出現(xiàn)回流，凸肩與縮頸附近出現(xiàn)旋渦，增加空氣擾動(dòng)，增強(qiáng)高、低溫空氣混合效果。進(jìn)風(fēng)段與出風(fēng)段相連區(qū)域，流道橫截面縮小，流速增大，壓力降低，縮頸附近出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。由于空氣沿管道流動(dòng)先收縮后擴(kuò)展，造成能量損失。出風(fēng)段壓力場均勻，流速呈現(xiàn)中間高、四周低。

由圖8（c）、圖8（d）可知，空氣在靜態(tài)單層彎轉(zhuǎn)葉片混合器內(nèi)由于切向應(yīng)力，空氣產(chǎn)生渦旋和雙螺旋流動(dòng)，壓力降低，混合器中間區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓，流速不均勻性增加。出風(fēng)段進(jìn)口附近出現(xiàn)回流和旋渦，增加空氣混流效果，混合效率提高。由于混合器產(chǎn)生的離心力作用，空氣在出風(fēng)段流動(dòng)方向呈螺旋式，流速中間低、四周高[11]，速度場與壓力場逐漸趨于均勻。

圖8 壓力、流線圖Fig.8 Pressure and streamline diagram

由圖9（a）、圖9（b）可知，風(fēng)量3 000 m3/h，高、低溫空氣進(jìn)風(fēng)流量比為4∶1 壓力曲線與進(jìn)風(fēng)流量比為1∶1 時(shí)基本重合，說明風(fēng)量相同，壓降不隨高、低溫空氣流量比例改變而變化。由于管道橫截面突然減小，風(fēng)量3 000 m3/h 時(shí)，不含混合器結(jié)構(gòu)出風(fēng)段入口附近壓力由38.90 Pa 降至-1.23 Pa，然后升高至0 Pa，最大壓降40.13 Pa；風(fēng)量500 m3/h 時(shí)，壓降接近于0 Pa，壓力場均勻。在靜態(tài)單層彎轉(zhuǎn)葉片混合器內(nèi)空氣受到切向應(yīng)力作用，流速和流動(dòng)方向發(fā)生改變，風(fēng)量3 000 m3/h 時(shí)，壓力由進(jìn)口202.21 Pa 降至-147.05 Pa,出風(fēng)段壓力逐漸升高到0 Pa，最大壓降為349.25 Pa；風(fēng)量500 m3/h 時(shí)，壓降減小，最大壓降為5.60 Pa，壓力場均勻。

圖9 壓力曲線圖Fig.9 Pressure curve diagram

壓降隨風(fēng)量的提高而增大，與不含混合器結(jié)構(gòu)相比，含混合器結(jié)構(gòu)壓力變化明顯。風(fēng)量3 000 m3/h 時(shí)，含混合器結(jié)構(gòu)最大壓降349.25 Pa，遠(yuǎn)低于ASHRAE 提出的混合器最大壓降498 Pa 限制標(biāo)準(zhǔn)[8]。

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證含混合器結(jié)構(gòu)在不同送風(fēng)量下溫度混合均勻性和壓降，選取500 m3/h 和3 000 m3/h 兩種風(fēng)量（高、低溫空氣流量比為1∶1，送風(fēng)溫度分別為303 K、291 K）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選用T 型熱電偶（標(biāo)定精度±0.1℃）對風(fēng)量接收箱出風(fēng)面溫度進(jìn)行測量，溫度測點(diǎn)布置如圖10 所示[12-13]。采用差壓變送器（型號(hào)：EJA110E，標(biāo)定精度±0.075%）對風(fēng)量接收箱進(jìn)出風(fēng)口靜壓差進(jìn)行測量。

圖10 溫度測點(diǎn)布置圖Fig.10 Layout of temperature measurement points

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬對比

根據(jù)行業(yè)測量標(biāo)準(zhǔn)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評(píng)定與表示》[14]，計(jì)算可得風(fēng)量接收箱出口溫度實(shí)測結(jié)果合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，如表1 所示。風(fēng)量500 m3/h 時(shí)，實(shí)測合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.082 K；風(fēng)量3 000 m3/h，實(shí)測合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.067 K，測量數(shù)值離散程度在可接受的范圍之內(nèi)，準(zhǔn)確度高。

表1 風(fēng)量接收箱出口溫度實(shí)測結(jié)果的不確定度Tab.1 Uncertainty of the measured results of outlet temperature of airflow receiver chamber

2 種送風(fēng)風(fēng)量下，風(fēng)量接收箱出風(fēng)面溫度實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果對比如圖11 所示。隨風(fēng)量提高，溫度波動(dòng)區(qū)間縮小，溫度場均勻性提高。實(shí)測值與模擬值曲線趨勢基本一致，擬合程度較高。

由圖11 計(jì)算可得，風(fēng)量500 m3/h 時(shí)，實(shí)測值與模擬值最大相對誤差為0.26%；風(fēng)量3 000 m3/h時(shí)，實(shí)測值與模擬值最大相對誤差為0.22%，誤差在接受范圍，故本文模擬結(jié)果可信度較高。

圖11 風(fēng)量接收箱出口面溫度實(shí)測與模擬對比圖Fig.11 Comparison of measured and simulated temperature at outlet surface of airflow receiver chamber

如表2 所示，送風(fēng)風(fēng)量500 m3/h 與3 000 m3/h風(fēng)量接收箱進(jìn)出風(fēng)面靜壓差實(shí)測值與模擬值相對誤差分別為2.75%、4.65%，實(shí)測值與模擬值有良好的吻合性。混合器低壓降可以在滿足被測機(jī)流量要求時(shí)，降低取樣風(fēng)機(jī)與調(diào)零風(fēng)機(jī)的功率，有利于提高空氣調(diào)節(jié)設(shè)備流量測量準(zhǔn)確性和減少能源消耗。

表2 風(fēng)量接收箱進(jìn)出風(fēng)面靜壓差實(shí)測與模擬值對比Tab.2 Comparison of measured and simulated differential static pressure at the inlet and outlet surfaces of airflow receiver chamber

5 結(jié)論

（1）靜態(tài)單層彎轉(zhuǎn)葉片混合器增加空氣擾動(dòng)，提高空氣混合效率。送風(fēng)量500 m3/h 與3 000 m3/h（高、低溫空氣流量比為1∶1）時(shí)，含混合器結(jié)構(gòu)d 平面混合效率分別為56.44%，66.7%，與不含混合器結(jié)構(gòu)相比混合效率分別提高了38.14%、42.6%。

（2）送風(fēng)風(fēng)量相同，高、低溫空氣流量比例不同時(shí)，空氣混合效果增強(qiáng)，壓降不發(fā)生變化。送風(fēng)風(fēng)量3 000 m3/h（高、低溫空氣流量比為4∶1）時(shí)，含混合器結(jié)構(gòu)d 平面混合效率為84.6%，與高、低溫空氣流量比例為1∶1 時(shí)相比提高了17.9%；最大壓降為349.25 Pa，滿足ASHRAE 提出的498 Pa 限制標(biāo)準(zhǔn)。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬值和實(shí)測值擬合程度較高。靜態(tài)單層彎轉(zhuǎn)葉片混合器結(jié)構(gòu)簡單便于加工，高混合效率與較低壓降可減少因氣流溫度、濕度和速度不均勻而導(dǎo)致的測量誤差，具有一定工程使用價(jià)值。