高效过滤器送风口扩散孔板的数值模拟与实验

1、天津大学学报Journal of Thnjh UniversityVol 39 No 12Dec 2006第39卷第12期2006年12月郭春梅，张于峰（1天津大学环境科学与工程学院.天津300072; 2天津城市建设学院天津300384）:高效过滤器送风口扩敞孔板的开孔情况影响看室内流场、室内空代沽净度、沽净室自净时间和扩軼板阻 力.对GF0I-I.（）型高效过滤器送风口扩散孔板的开孔情况对室内流场的影响进行了数值模拟.并采用风速仪、澈 光粒子计数器和微压计分别測重了扩散板开孔变化对室内代流分布、沽净室自净时间和扩散板内静压的影响结 果表明随看开孔率的降低.扩斂板的阻力增大在扩厳板扩敬趣均匀

2、、涡流区和回流区越小的情况下.沽净室自净 时间越短并且在不同的送风鱼下形戒空內均匀流场的扩徽板开孔悟况不同.所以高效过滤器送风口扩尅孔板宜 在额定风量下运行.:髙效过滤器送风口扩散孔板：开孔率：气流场；自净时间：静压值:1U834: A: 0493-2137（2006） 12- 1411-06Nuiierfcal Smulation and Expermenta 1 Research on D ffusionPerforatbn Panel of HEPA Supply OutletGUO Chumnei* ：, ZHANG Yu-feng(1. School of Enviionment S

3、cience and Engineering Tianjin University Tianjin 300072 China:2 Tianjin Institute of Urban Constmctbn, Tianjin 300384 China)Abstract HEPA supply outlet diffusion pcribratbn panel influences cleiiniuan air vcbcity field, cleanliness, cleanliness recowty characteristic and ivsistance of the difhisbn

4、panel The influence of perforation ratb of GF01-1. 0 diffusion perforatbn panel on airfkv distribution of nonrn nidiwctional clean man was s inula ted in this paper The air velocity field, cleanliness recoveiy characteristic and dillusion panel resistance were niea- surcd with vcbcity ineten hser pa

5、rticle counter and prcssurc gauge Results show that the resistance of diflir sion perforatbn pane) is in inverse pioportion S perforation rath The better the distribution of air siipply and the less the vortex fkw Tone and return fbv Jone, the shorter the cleanliness recovery characteristic of clean

6、 man There aiv difterent pertbmlbn ratbs for unifonning air vcbcity field under diilercnt supply air wlunes HEPA supply outlet diflusbn pcribration panel shouki be operated under specified air wluineKeywords： HEPA supply outlet diftusion perforation panel: perforation ratio: airtlw distribution: cle

7、anliness reooveiy characteristic; static pressure1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, ki.nel天津大学学报Journal of Thnjh UniversityVol 39 No 12Dec 20061994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, ki.nel天津大学学报Journal of Thn

8、jh UniversityVol 39 No 12Dec 2006乱流沽净室在洁净室中占有非常重要的比重高 效过滤器送风口是洁净空调系统的末端送风装直.它 将干净的空气送到乱流洁净室内通过稀释作用降低 室内空气中污染物浓度小：同时将污染空气从回风口 或排风口排出高效过滤器送风口扩散孔板有利于送 风气流在室内均匀扩散因此有必要通过研究扩散孔 板开孔情况对室内气流分布状况的影响，优化扩散板 性能.笔者从数值模拟和实验测试两个方面对髙效过滤 器送风口扩散孔板开孔情况的变化对室内速度场的影 响进行了研究并测试了扩散孔板的开孔情况对洁净 室自净时间以及扩散板内静压值的影响-1994-2009 China

9、 Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, ki.nel天津大学学报Journal of Thnjh UniversityVol 39 No 12Dec 20061994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, ki.nel天津大学学报Journal of Thnjh UniversityVol 39 No 12Dec 20062*）06-04-06:2006-06-3Q天津市域市建设骨理

10、委员会计划项目（2003-40）.郭春梅（1971 ）女天津大学博士硏究生天津城市建i殳学院高级实鲨师guoonl26 am.1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, ki.nel2006年12月郭書梅等:高效过滤器送风口扩散孔板的数值模拟与实验 # (3)(4丿(6丿1在对风口模型的建立基础、数值计算方法、方程模 型的设置、计算区域、代数方程的离散方法和离散格 式、求解方法、网格结构以及加速收敛功能等各个方面 综合比较的基础上“一.选用亿UtT商业软件，釆用 标准KE双

11、方程模型并采用求解压力耦合方程的半 隐式方法求解速度场数值.针对乱流洁净室内的气流流动情况对所给的物 理模型做以下简化和假设：1)假设室内气流为不可压缩常物性牛顿流体. 稳态流动：(2)假设室內初始各方向速度值为0由于洁净室 的换气次数较大送风温差较小故内环埴按等温 处理；(3 )室内无内热源.维护结构绝热：(4) 由于扩散孔板的空气出流状况与污染源无 关假设室内无污染源模拟洁净室空态时的状况：(5) 由于髙效空气过滤器与扩散孔板间的距离只 有5 m.则气流经髙效空气过滤器出流方向沿风口法 线方向处理:入流湍流动能入湍流动能耗散率值分 别按下式计算跖km =Q 5nU2(1)E k f kRe

12、/UL(2)式中：为所取的入流湍流动能为平均动能的百分数 可在Q 5勺1. 5筑此处取为1/; U为入流速度，m/M Re为入流的湍流雷诺数，可按400取值M为湍流特征 长度，m.对于正方形风口取为风口边长；为常数, Q 09.(6) 回风口为单层百叶回风口 有效出流面积为 5)人满足充分发展段紊流出口模型.根据上述简化和假设所采用的数学模型简 化为连续方程div(U) =0动量方程_ + divflLl U ) = div ft gradp ) -(Hp dx4 +div(UU ) =divd gnidU )cltp dy| (ln +div(3U) =div(il grade ) l 和p

13、 dz紊流脉动能量方程p呼严佥V严瓷唸+紊流能量耗散率方程ftfcA 11 r t (t ,P= / 们+of dxk dXk Ot dXi* 車i ,単f 車j 1怎乐F八即匚式中P、u和3分别为流体的速度矢量U在ASZ 3 个坐标方向的速度分量、P、卩和入分别表示空气 的湍能、湍流耗散率、密度、压力和当量导热系数为 流体的运动黏度方程组中系数和3个常数6、O 7 的取值为:Cl = 1. 44. q = I. 92.0* = I. 0.0,=1. 3,0 r = L Q在2 5 m XI. 25 m XL 65 m的模拟房间內进行实 验.取地面中心点为坐标原点如图1(“)所示选用常 用的G

14、F01-1. 0型髙效过滤器送风口，换气次数 25次/h.送风量20()m、/h.洁净度级别7级扩散孔板 的平面图如图1(b)所示. 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, ki.nel2006年12月郭書梅等:高效过滤器送风口扩散孔板的数值模拟与实验 # 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, ki.nel2006年12月郭書梅等:高效过滤器送

15、风口扩散孔板的数值模拟与实验 # (al立面图(b)扩散板平面田 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, ki.nel2006年12月郭書梅等:高效过滤器送风口扩散孔板的数值模拟与实验 # 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, ki.nel2006年12月郭書梅等:高效过滤器送风口扩散孔板的数值模拟与实验 1413 1 CFD model fo

16、r HEPA supply outlet dfTusbn perforatiM) panel由于扩散板开孔情况复杂数值模拟计算过程必须分两步进行首先模拟均匀开孔的状态计算出送风气流扩散较均匀、室内的涡流区和回流区较少时的开率（人口吹）逐渐増大的合理组合开孔情况在均匀和不孔率A：其次计算中心处扩散板采用此开孔率（中心均匀状况下分成15种开孔情况.如表I所示处扩散板开孔率用人映表示）而周围扩散板的开孔1Tah 1 D ffusim perforation panel gemietry顶目均匀开孔风口顶目不均匀开孔丿爪口123456789101112131415AQ 30a 20a 15Q 12a

17、iiQ 10Q 09a 08Q 07Q 06centerQ 30Q 09Q 25Q 09Q 24Q 09a 20a 09a 16a 09 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, ki.nel2006年12月郭書梅等:高效过滤器送风口扩散孔板的数值模拟与实验 # 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, ki.nel2006年12月郭書梅等:高效过滤

18、器送风口扩散孔板的数值模拟与实验 # (a)风口 1(b)风口 72 z =0 x*yF轄 2 x-y sect bn velocity field at z =00.447 1750.591 2780335 3810.279 480.223 58;0.167 6910.111 7940.0?-弋O.CKX) OOU在均匀开孔风口 11（）情况下，比较多个断面的 速度场情况选取涡流区和回流区较明显的两个断面 速度场（y轴.z = a y-z轴进行分析.由于 文章篇幅有限，不能一一列出每种开孔率时断面的速 度场.这里只给出变化较明显的风口 I和7两个断面 的速度矢量图详细内容可參见文献/ 10/

19、计算结果发现匀开孔情况下.轴.z = 0丿断面速度场风口两侧存在涡流区随着开孔率的降 低，涡流区逐渐减少，在风口 7两侧存在的涡流区最 小图2列出了风口 1和7的对比效果随着A降低涡 s )E 0.451 873 0395 3890.338 905 0.282 4210.225 9370.1694520112%00.056 484 IO.WK) 00()流区开始増大.且风口下方送风气流的连续性变差.风 口左下方的涡流区也逐渐增大.（2在（=轴 v=Q 6） 断面速度场的靠近壁面处存在回流区图3为风口 1 和7的对比效果.以风口 7时为临界值.流场的回流区 随着开孔率的降低逐渐减小至风口 8时回

20、流区又开 始增大通过对断面速度场的分析比较发现.在风口 7 时室内气流的涡流区和回流区较少分布较均匀.Ffe 3 yz section velocity frld at x = （1 6在扩散板均匀开孔模拟过程中发现送风口正下 方区域的气流较强而周围区域送风气流较弱増大扩 散板周围的开孔率Aw分别为风口 1115.比较特 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, ki.nel2006年12月郭書梅等:高效过滤器送风口扩敷孔板的数值模拟与实验1415征断面轴，乙=0丿和（工

21、弋轴y = 2 5啲速度场结 果发现随着久吹的増大.扩散板的扩散角不断増大； 但是在风口 12时在（.轴.：=0）特征断面速度场 风口正下方出现涡流区风口 II和15的心二轴2 5丿与（r轴.：=0）断面速度矢量如图4和图5 所示.(a)风口 IIv/(m s *)F 汁 0.2X4 863 十 08 ,侶009 4=0.10 /=0.15 J-0.2 爪038F 8 Ckanlhess recovery characteristr curves.wuh 注I 一S 9 10 II 12 13(b)计算值2. 5在开孔情况1时调节位于该髙效过滤器送风口 支管道上的调节阀在扩散板出风量分别为20

22、0. 404. 570和735 m /h的4种工况下.调整扩散板的开孔率, 測量扩散板内静压值.得出扩散板开孔率对扩散板内 静压影响性能曲线.33. 1根据数值模拟结果有针对性的选择測试断面速 度场均匀开孔时測试断面选择（严轴.r=0 6） . （x- 2轴.v=2 5）和（.rvM .= 1. 0丿3个特征断商不均匀 开孔时选择（心轴.v =2 3丿、y =2 5）和（x-z tt. y = i. o） 3个特征断面不同开孔情况下数值模拟 与实验測试断面速度曲线如图7所示.由干篇幅有限， 这里仅列出在均匀开孔时心=轴 v=2 5丿特征断面数 值模拟和实测数据曲线图图中纵坐标表示速度.横坐 标

23、表示特征断面上的測点居中点7在坐标轴上的位 置为点（0. 2 5.0）,沿工轴依次向两侧分布.0.200.180.16C 02 二02 三 0.10? 0.080.060.040.020.007 y = 2 5 x-zF|s 7 x-z sect bn veloc ih curves at y =2 5数值模拟与实測结果对比发现实測特征断面速 度曲线与数值樟拟速度曲线走势相似这表明速度值 在断面上的变化趋势一致在风口正下方的速度值最 髙向风口两侧速度值逐渐降低.但实測速度值较 CH3模拟计算值分散.并且模拟速度值明显低于实测 速度值这是因为在CH）模拟计算时高效过滤器送风 口模型与实际风口还存

24、在着差别实验測试条件和测 试仪器精度的影响.以及实測中受到外界不确定因素 的干扰等原因.不均匀开孔情况下，模拟时发现在风口 1114 的下方出现涡流区:而实测离风口较近的（二轴，.v二 2 3）断面的速度场.发现风口下方气流的速度值只是 低干周围区域的速度值.但是并未形成涡流区.比较速度场的数值模拟和实验测试结果发现两者 存在菱别.但是速度场的曲线形状基本相同辻也证明 了所建的高效过滤器送风口扩散孔板的模型可以用于 模拟乱流洁净室内的气流场.3. 2由于测试开始时室内测点的洁净度不同測试结 果是以洁净度随时间下降的曲线斜率为准斜率越大 自净时间就越短;斜率越小.自净时间就越长在各种 开孔情况下

25、的测试结果表明自净时间从短到长依次 为风口 12、14、11、13、7、4、6、3、2、1、8、9.图 8为风口部 分开孔时风口 1、3、7、11、13、14的自净时间曲线图.自 净时间的长短表明了洁净室内污染物被有效排除、达 到规定的洁净度要求的快慢，自净时间从短到长的开 孔率顺序基本与洁净室内气流场从好到差的开孔率顺 序相同.3. 3图9为在4种工况和不同开孔率下扩散板内静压 性能曲线图中纵坐标表示板内静压值.横坐标点1 12所对应的风口 依次为 1、2、3、4、6、7、8、9、11、12、13 和14的13种开孔情况从图中可以看出，扩散板开孔 率的变化对于扩散板内静压值影响较大在均匀开孔

26、 时.随着开孔率的降低.扩散板的阻力増大而保持 扩散板中心的开孔率在风口 7増大扩散板周围开孔 率扩散板的阻力明显减小且送风量越大对扩散板 内静压值影响也就越大由于板内静压与扩散板的阻 力成正比关系所以确定扩散板的开孔率也要考虑扩 散板的阻力值.9Fig 9 Stitr pressure curve4（1）通过理论研究和实验測试的手段证明了高效 过滤器送风口扩散孔板的开孔率对送风气流扩散、室 内气流分布、洁净室自净时间和扩散板阻力有着直接 的影响随着开孔率的降低扩散板的阻力増大气流 扩散越均匀、涡流区和回流区越小洁净室自净时间 越短.（2）在送风量为20（）n/h、均匀开孔情况下. （）型高效

27、过滤器送风口扩散孔板的开孔率出现临界值.A =（1 0射送风气流扩散均匀室内有较少 的涡流区和回流区产生；保持中心开孔率久= Q 09増大扩散板周围开孔率久3亠气流扩散角増大， 在A血A。25时，数值计算结果表明侧送气流对下 送气流产生诱导作用.风口下方出现涡流区但实验结 果只是风口下方的气流速度值低于周围区域并未形 成涡流区所以在此风量下，建议扩散板开孔率力=Q 09.久哄观=（1 25.此时自净时间最短，扩散板阻力 较低.（3）在不同的送风量下扩散板的适宜开孔率不 同.笔者对GFU1-1. 0型髙效过滤器送风口扩散孔板 在送风量为700 m3/h下的流场进行了数值模拟，在此 风量下的开孔率

28、=Q 1，电皿=Q 15为宜.11许钟麟.空代洁净技术原理M.北京：科学出版社. 2003.Xu Zhonglill Theory of A ir Cleaning Technology /M |. Ber jing Science Press, 2003( in Chinese).|2赵 彬李先庭彦启森 室内空气流动的简捷数值模拟 方法J暧通空调.2003, 33(3): 102104Zhao Bin. Li Xian ling. Yan Qisen Sinplificd method for numerical smuhthn of indoor airftou J |. Heating

29、Ventilating & AirConditioning, 2003. 33(3): 102104( in Chinese).3 彥启森李先庭.赵 彬百叶风口送风射流的数值模拟 |J J 暧通空调 2001,31(4): 151&Yan Qisen. Li Xian ting. Zhao Bin Numerical shiuhtbn of the air jet firm a register! J . Heatuig Venlilatinff & A irCotr ditiemmg. 2001.31 (4): 1518( in Chinese)4 Fan Hongning Ren Hong

30、ze Li Xhinting Numerical study on airfHv around an opening with laie eddy smulatbn| J . Journal of Hydivdynctn ics, 2003. 15 (6): 45 &15 Chen Qingyan Suter Peter. Moser Alfred Influence of air supply panineterson indoor air diflusbn: Building and Envr iomientJ. ASHR.XE Tmz 1991, 97(4): 417*31.(6 Luo