高效空氣過濾器導流板對內部流場優化的數值模擬 :
摘要：本文用計算流體力學方法對側出風過濾器內部進行了流場模擬，氣流在靜壓箱內部及出風口處的分布很不均勻，通過在靜壓箱內增加導流板可以很好地優化流場分布。對加裝的不同半徑和數量的導流板工況分別進行了模擬分析，得出了最佳導流效果的導流板形式。
高效過濾器導流板數值模擬，前言、隨著人們生活水平的提高室內空氣質量對人體健康的影響已成為社會普遍關注的重要問題之一。現代科學和現代工業，特別是電子、精密機械、冶金、宇航、核能、化工等工業以及醫療、制藥、食品等部門的發展，對生產工藝環境也提出了更高的潔凈度要求。
采用空氣潔凈技術的目的正是為了滿足室內衛生標準、生產工藝對空氣質量的要求以及潔凈間、無菌室等特殊要求。這些都促進了空氣潔凈技術及其關鍵設備空氣過濾器的發展。
高效空氣過濾器是實現高潔凈度空氣凈化的關鍵設備，是空氣潔凈技術的最基本和最必要的手段。其出風的均勻性會直接影響潔凈室流場的均勻性，在側出風的過濾器中，出風口的氣流分布很不均勻，這將對潔凈空間的流場以及后續設備的穩定、高效工作造成不利影響。在高效過濾器中加裝導流板能對此問題起到很好的改善、優化作用。本文對過濾器靜壓箱中加裝導流板后的流場情況進行了數值模擬，以便更詳細地了解過濾器加設導流板后的性能、找出適合側出風過濾器的導流板形式，也為側出風式過濾器優化設計提供一定的參考依據。
1、物理模型 圖1為過濾器模擬的模型，氣流經頂部方形入口流入，經濾料過濾后進入靜壓箱，最后在右側出風口流出。模型中箱體尺寸為670mm×365mm×326mm，濾料尺寸為562mm×270mm×294mm。此型號入口風量為1700m3/h，方形入口尺寸666mm×361mm，出口尺寸355mm×155mm。
2、網格劃分 本文用CFD前處理器Gambit軟件對模型進行網格劃分和邊界條件的定義，可以對模型的復雜結構生成附面層內網格，并且附面層內的貼體網格能很好地與主流區域的網格自動銜接，進而提高網格的質量。為了使氣流數值模擬結果接近實際流動狀態，網格節點的數目要求足夠大，直到隨著網格數目的增加，計算結果不再有顯著的變化為止。同時，在滿足網格足夠細密的基礎上，盡量減少網格數量以降低計算量，提高收斂的穩定性。 本文用Gambit軟件對物模進行網格的劃分，采用直角坐標系，對于物理量變化較激烈的區域，如導流板表面等處進行局部加密網格，使得計算的結果更加準確，過濾器箱體內部網格稍稀，可以減少節點、節省計算時間。對導流板使用Tri網格，尺寸為5mm，對整體使用Het/Hybrid劃分，尺寸為10mm。計算網格如圖2所示。
3、數學模型和邊界條件 過濾器內部流速較高，結構復雜，所以其內部流動為湍流，模擬時采用標準k-ε模型，在近壁區域采用標準壁面函數法[3~4]。在建模時假設：流體作定常流動；整個流動過程為等溫過程；流體為不可壓縮流體。流體流動要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括質量、動量和能量守恒定律。如果流動處于湍流狀態，系統還要遵守附加的湍流輸運方程。本文所研究的問題為常溫下忽略能量傳遞的穩態流動。所以控制方程為：式中：v為動力粘度；p為流體微元體上的壓力；μ、ν、ω為速度矢量在三個坐標x、y、z方向的速度分量；
ρ為空氣密度。
空氣密度取為1.2kg/m3，操作壓力（Operatingpressure）設為101325Pa；入口采用Velocity-inlet，速度保持恒定；出口采用Pressuer-outlet，壓力值取0 Pa，即與外界標準大氣壓相同。計算過程中用變量的殘差變化監視計算的收斂性，設定各方程兩次迭代殘差界限為1e-3，計算迭代1000次。
4、模擬工況 為分析過濾器內部氣流分布狀況，在出口表面上劃分8個等面積區域，根據出風面的大小，輸出各面上平均速度值，利用這些數據進行速度均勻性的分析，列出每組數據的相對誤差值和標準方差值，值越小說明氣流越均勻。模擬時通過改變導流板的數量、半徑等參數，對不同導流板工況下的結果進行對比，進而選擇合理的導流板形式。表1為各種模擬工況。
5、模擬結果及分析 從表2中可以看出隨著導流板個數的增加，出風口相對誤差限從±9%降至±3%，標準方差從0.4823降至0.1515，因此導流板對氣流的路徑有很大的改善。在工況1的數據的單獨統計中，也即沒有導流板的工況下，出口下半部分相對誤差值為正值，上半部分為負值。這是由于存在從濾料中流出的氣流在慣性的作用下在靜壓箱下部分配較多，使下部速度偏高，上部速度并不高。導流板作用也是為了避免在側面風口出現下面風速大上面風速小現象，盡可能使速度場均勻。過濾器出風口的相對誤差限值和標準方差值隨導流板數目的增加而減小，說明導流板數目的增加有利于出口氣流的均勻。但4個導流板時標準方差值略有上升，但相對誤差值并沒有隨著趨勢大幅減小，說明并非導流板的數目越多越好，并且導流板數目的增加會增加靜壓箱內部的阻力損失，加重了風機負荷，還會帶來過濾器加工成本的上升。綜合分析各種因素，將3塊導流板的工況定位最佳工況。從圖3中可以具體地看到最佳工況的導流板分布狀況，圖4為過濾器中心對稱面取截面，得過濾器箱體內部速度矢量分布圖。
6、結論 側出風過濾器出口流場是否均勻與氣體在靜壓箱內的分配狀況有很大關系，其中導流板對其影響較大。借助Fluent軟件對添加導流板前后的流場進行數值模擬，結果表明：導流板對流場有明顯的影響，添加導流板后氣流的速度場分布更為均勻，濾袋出口流量的不均度幅值大大降低。導流板的數目為3個時，均勻程度為更好。
