应用风室试验装置的风机性能

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3.0 陈辉 2025-01-09 12 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
应用风室试验装置的风机性能试验对比与模拟分析
2
提高产品的竞争力，在努力改进气动设计、提高机械加工的同时，也对风机性能
试验的开发和研究也给予了高度的重视。尤其是对大型、特种风机以及单件、小
批量且对于气流特性有一定特殊要求的情况下，性能试验则尤为重要。除此以外，
风机在长期运行过程中，风机使用部门也要对风机的性能状态实施在线监测。而
对风机性能监测的实施则是建立在风机性能测试方法基础之上的。可以说，对风
机运行状态的监测就是在风机设计性能已知的前提下，对风机进行的连续或阶段
性的性能测试。在测得风机当前运行状态的同时，将风机当前状态下的性能与对
应的设计状态下的性能进行比较，以检验风机的运行状态是否正常。由此可见，
风机性能试验在风机生产与使用的过程中具有十分重要的意义。
传统的手工测试是一个非常繁杂的过程，不可避免地存在数据的读入误差和
计算误差，且性能测试的稳定性和测试效率都存在很多局限性。在我国，此前多
采用分离仪表，人工读数的方法对风机进行性能测试，在测试过程中常需多人协
作，同时由于测试环境中的噪声干扰使记录人员难以听清观测人员所报记录。而
且通过人工进行气流压力、温度和流量等参数的测量，测试速度慢，可靠性差，
测量精度更无法保证，这就存在人为的读数误差和计算误差，而且相关数据不能
同时记录，因此早期的测试方法不但耗费人力，而且工作效率低，测量的结果容
易受人为因素影响。随着电子计算机技术的发展，数据采集被赋予了新的意义，
被测对象的各物理量在经过了信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤之后，
最终送到控制器进行数据存储和处理，此控制器一般为计算机，它对整个数据采
集系统进行控制，并对采集得到的数据进行处理，计算机成了数据采集系统的核
心。我们称这种用于数据采集的成套设备为数据采集系统。在风机性能试验中，
采用了传感器技术和计算机数据采集系统，建立了以计算机为基础的试验数据采
集系统。将风机的热力性能参数(压力、温度等)和机械性能参数(转速、转矩和功
率等)自动采集并传输到计算机，完成数据的采集、处理、存储等任务，然后运用
软件编程对数据进行处理，最终得到风机的特性曲线。这种类型的系统能做到快
速、准确地测量各参数，其测量精度高，测量数据可靠，并可以自动完成。不但
可以大大节省人力，提高工作效率，提高数据测量精度和可靠性，而且可以降低
成本，改善劳动环境。同时可以使测量速度大幅度提高，减少测量时间。
本文将会充分研究现有风机性能试验装置，并根据最新的国家标准设计出多
喷嘴风室型风机性能试验装置。风室型风机性能试验装置在宽广的风机尺寸范围
内不需要更换试验装置的主体，具有较大的通用性，并可测量风机完整的性能曲
线，更适合低压风机的测量要求。对于一般用于抽气、引风系统的风机，往往采
用进气试验装置；而对用于吹风和鼓风系统的风机，则选用出气试验装置；若风
第一章 绪论
3
机的进、出气口两端都联接有较长的管路，宜选择进出气试验装置[6]。
§1.3 风机性能试验的国内外研究现状
从研究方法上分类，风机内部流动特性的研究主要有试验研究、数值模拟和
理论分析三种方法。由于风机内部叶轮相互啮合、结构复杂，气体流动的复杂性，
目前还很难用单纯的理论计算方法准确地求得各种数据，所以还不能以理论分析
的方法来获得风机的特性曲线。大部分研究都采用数值模拟的方法来揭示风机内
部的流动情况，分析和预测流场的内部规律，在特定条件下分析流动图像和变化
趋势，从而达到优化设计以及减少风机内部能耗和噪声，提高风机性能和效率的
目的。但数值模拟的过程中对风机内部流动特性做了很多的假设，与风机的实际
运行工况还有很大的差异，所以，采用试验研究的方法开展风机的研究，获得风
机的真实性能尤为必要。风机性能试验通过测试与计算，求得风机在给定流量和
进气状态下的压力、功率、效率、噪声等参数之间的关系，并绘制出风机特性曲
线，根据试验结果判断风机的性能是否达到设计时规定的要求，检验风机的实际
运转情况。
§1.3.1 国外风机性能试验研究现状
风机是建筑、发电、化工等行业应用广泛的一种通用机械，国外发达国家对
风机产品的质量和水平很重视。通过对国外十多个风机生产国的调查，这些国家
所制定的试验规范中有 60 多种试验方法，这些试验方法主要差别在于试验所采用
的管道布置、测量方法和试验结果的计算方法不同，甚至某些性能参数的定义也
不一样，同样一台风机，采用不同试验方法，得到不同的结果，有时甚至可以达
到很大的差值。目前，国外风机种类多，风机性能试验的装置大部分由风机制造
厂根据相应标准进行设计，比较大的风机制造商主要有日本的日立制作所、茬原
制作所、三菱重工业株式会社、川屿重工业株式会社等；英国主要有詹姆斯²豪
登公司；德国主要有德马格德拉瓦透平机械公司和 KKK 公司；瑞士主要有苏尔寿
公司等。并且，国外制造厂多采用风室装置进行风机性能试验，试验装置功能全，
测试风机范围广，自动化程度高，试验所需时间不超过 1小时。二十世纪 70 年代
以来，噪声污染问题日益为人们所关注。截止目前，对管道风扇、轴流风机以及
离心风机的有源消声研究还很有限，国外风机性能试验装置均采用消声、隔声或
吸声等措施来降低噪声[7]，由于这些均属于技术资料，未见有更详细的公开资料。
应用风室试验装置的风机性能试验对比与模拟分析
4
§1.3.2 国内风机性能试验研究现状
风机性能的测定工作是一项复杂而且技术性强的工作。根据测定中使用的仪
器仪表和自动化程度差异，我国风机性能试验大体可分为三个阶段。
70 年代及以前，采用全分立仪表，手工处理数据、描点绘图阶段。期间使用
的仪器仪表包括：机械风表、毕托管、温湿度计、压差计、机械式转速表、空盒
气压计、功率表等。在对风机性能进行测定过程中常需要机电、通风等部门较多
人的配合完成，组织工作较为困难。用分立式仪表进行测量，指挥协调工作非常
困难，不仅存在读数人员人为的视差，还存在不同小组之间读数的时差。这样的
测定结果往往不能真实地反映风机性能，而且测定中的一些问题常要到后期数据
整理计算时才被发现，已很难补救。
80 年代，有一部分的仪表实现了自动化。比较典型的产品有南京生产的 DF-X
型9头风速仪，它通过布置在测风巷道中的 9个风速表，可以做到自动采集气流
的速度并实时将数据打印出来。另外，中国矿业大学和淮南工业学院等研制的产
品能自动采集风速和负压等部分参数，其它参数由人工进行测量。这就减少了一
定的工作量，提高了测定工作的自动化水平，并且实现了人工输入的计算机数据、
曲线图形后期处理。
90 年代以来，国内更多的高校参与到风机应用研究中来，相继开展了风机性
能自动测试系统研究。如中国矿业大学研制风机性能计算机测控系统，山东大学、
西安交通大学相继开发了风机性能自动化测试装置，这些都推动了自动化测试技
术在风机测试领域的应用，但这些系统对于测试结果的分析能力还不够高，界面
不够生动，有待进一步的改进。
国内近几年对风机性能试验装置的研究很多，在风机应用的各个领域都有相
关研究。
陈峰等人针对运用于汽车、空调等设备上的风机开发了一套风室型离心风机
试验装置，采用 PID 参数调节，控制变频器输出，在装置的运转与控制方面实现
了自动化，但在数据处理和保存方面还需完善[8]。
董永等针对便携式风力灭火机按 GB/T10281《便携式风力灭火机台架试验方
法》设计开发采用均速管流量计测量流量的风机出气性能测试系统，信号采集采
用研华 PCL- 818L 数据采集板，以 MCGS 组态软件和 VB 为编程语言实现数据处
理和界面显示[9]。
宋玲等采用孔板法测量流量，采用 Delphi 语言进行编程控制 DAQ 数据采集卡
系统实现数据采集、数据分析计算及处理[10]。
关贞珍等采用孔板压差法测流量、扭矩法测功率、变频调速器改变风机转速、
应用风室试验装置的风机性能.pdf

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作者：陈辉 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：81 页 大小：4.11MB 格式：PDF 时间：2025-01-09

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