模壓風機變速泵和變速風機代替調節用風閥水閥CFD軟件在對旋式軸

1、引言


在暖通空調工程中，使用大量的風閥水閥對工程中的風量水量進行調整，使其滿足所要求的工況。它們的調節原理是增加工程的阻力，以消耗泵或風機提供的多余的壓頭，達到減少流量的目的。因此這些調節閥的調節作用是以消耗風機或水泵運行能耗為代價的。目前暖通空調工程中愈來愈多地使用自動控制工程。為實現自控，許多風閥水閥還要使用電動執行機構。目前質量好的電動水閥價格為幾千甚至上萬元。電動風閥亦需要幾千元。電動風閥水閥的費用常常占到自控工程總費用的40％以上。能否改變工程的構成方式，減少使用這些既耗能、又昂貴的閥門，用其它方式實現對流量的調節？風機水泵與風閥水閥是一一對應的兩類調節流量的設備。風機水泵為流體提供動力，而風閥水閥則消耗流體多余的動力。因此，若用風機水泵代替風閥水閥，不是在能量多余處加裝閥門，而是在能量不足處增裝水泵或風機，通過調節風機水泵的轉速，同樣可以實現對工程的流量調節。此時由于減少了調節閥，也就減少了閥門所消耗的能量，因此會減小運行能耗。同時，目前可變轉速的風機、水泵價格與相同流量的電動風閥、水閥價格接近，甚至更低，因此初投資也不會提高。從這一思路出發，本文先給出幾個用泵代閥的例子，然后進一步討論這一方案對暖能空調工程的意義及要注意的問題，以期引起大家的討論。


2、實例分析


2.1簡單工程的流量控制


圖1為一個簡單的控制循環流量的工程，泵P提供動力以實現水通過閥V、管道及用戶U間的循環。圖2給出當閥全開、泵的轉速n=n0時工程的工作點。此時，流量為G0，水泵工作效率為η0，即效率最高點。要使流量減小一半，一種方式是將閥門關小，使管網等效阻力特性曲線向左偏移，見圖2。此時泵的效率降低至η1，壓力升至p1。由于壓力升高，效率降低，因此盡管流量減少至一半，泵耗僅減少20％～30％，此時除閥門以外的管網部分由于其阻力特性不變，因此僅消耗壓降p0/4，剩余部分3(p0+(p1-p0))/4均消耗在閥門上，它消耗了此時泵耗的80％，這就是為什么說調節閥消耗了大部分水泵能耗的依據。此外，水泵工作點偏移造成的不穩定、閥關小后大的節流和壓降引起的噪聲，都對工程有不良影響。


若保持不變，但將泵的轉速降至50％，圖2同時給出此時的工作狀況，這時管網的阻力特性曲線不變，泵的工作曲線下移，泵的工作效率仍將為η0，壓力p2為p0/4。這樣，減少流量后泵耗僅為原來的1/8，具有極顯著的節能效果。同時，由于泵的工作點及閥的位置均未變，因此工程工作穩定，且不會有節流噪聲。
此簡單例子說明：


(1)當調節閥產生調節作用時，將消耗其所在支路的大部分流體動力。并且由于改變了管網阻力特性，使管網中的動力機械工作點偏移，在多數情況下這將導致效率下降。


(2)當采用變速方式調節流量時，泵或風機能耗可與流量變化的三次方成正比。并且由于工程阻力特性不變，泵或風機的工作點不變，因此效率不變，泵、風機及工程均可穩定地工作。


(3)以調整泵或風機的轉速來調整流量應該是流量調節的最好手段。


2.2供熱水網


圖3為一簡單的供熱水工程。當各用戶要求的資用壓頭相同時其水壓圖見圖4中實線。


圖中虛線以下部分為用戶所消耗的資用壓頭，而虛線以上部分則為閥門所消耗。若工程設計合理，泵選擇適當，則最遠端用戶處的余壓恰好為它所需要的壓頭，閥V5全開，不多消耗能量。此時，若各用戶流量相等，彼此距離相等，主干管上比摩阻相同且忽略閥門全開時的阻力，對于n個用戶，閥門V1消耗的能量與用戶外管網所消耗的總能量的百分比EV1為：


EV1＝(1/n)×((n-1)/n)


第k個閥門所消耗能量與用戶外管網總能耗的百分比EVk


EV1＝(1/n)×((n-1)/n)


前n-1個閥門共消耗的能量為：





當熱用戶個數足夠多時，（n－1）／(2n)約等于50％，也就是消耗在外網的能耗約有一半被各支路的調節閥所消耗。一般用戶側真正需要的揚程僅為循環泵揚程的20％～30％，即外網消耗70％～80％。因此，總泵耗的35％～40％的能量被調節閥消耗掉。有時為安全起見，循環泵的揚程還要選大些，然后再通過圖3中的閥門V0將多余部分消耗掉。由此使一般供暖用熱水網中調節閥消耗一半以上的泵耗。


若改用圖5方式連接熱水管網，在各用戶處安裝用戶回水加壓泵，代替調節閥，減小主循環泵的揚程，使其只承擔熱源及一部分干管的壓降，用戶的壓降及另一部分干管壓降由各用戶內的回水加壓泵提供，則其水壓圖見圖6。


此時無調節閥，因此也無調節閥損失的泵耗，用戶處各個回水加壓泵的揚程應仔細選擇。若選擇過大，再用閥門降低同樣會消耗能量。但如果安裝變速泵則可以通過調整轉速來實現各個用戶所要求的流量，因此不再靠調節閥消耗泵耗，這樣，盡管多裝了許多泵，但運行電耗將降低50％以上。


在這種情況下，若各用戶要求的流量變化頻繁，整個工程的總流量亦在較大范圍內變化，總循環泵也可用變頻泵，并根據干管中部供回水壓差（見圖5、6中點A）來控制其轉速，使該點壓差維持為零，則工程具有非常好的調節性能與節能效果。分析表明，當采用如圖3常規的管網方式時，若由于某種原因，一半用戶關閉，不需要供水時，未關的用戶水量會增加，最大的流量可增加50％以上，而同樣的管網采用圖5的方式，并且對主循環泵的轉速進行上述方式的控制，則同樣情況下未關閉的用戶的水量增加最大的不超8％，工程的水力穩定性大為改善。此方面的進一步詳細分析見文獻[1]，這一方案準備在已開始施工的杭州熱電廠冷熱聯供熱網中使用，各用戶為吸收式制冷機、生活熱水用換熱器，冬季則為建筑供暖及生活熱水。分析表明，對于這種負荷大范圍變化的工程，采用這種方式，比常規方式節省泵的電耗62％，并改善了工程的水力穩定性。同時還使整個工程壓力變化范圍減小，從而可降低管網承壓要求，處長管網壽命。在各用戶處安裝調速泵所增加的費用基本上可以從各用戶省掉的電動調節閥及節省的用電增容費中補齊，因此總投資可以不增加甚至有所降低。


2.3空調水工程


為減少水泵電耗，便于工程調節，許多工程采用兩級泵方式，如圖7。泵組P1可根據要求的制冷機的運行臺數而啟停，其揚程僅克服蒸發器阻力及冷凍站內部分管路的壓降，泵組P2則克服干管及冷水用戶的壓降。為了節能，P2有時還采用變速泵，根據用戶要求的流量調節泵的轉速，調節規則是維持最遠端用戶處的供回水壓差為額定的資用壓頭。文獻[2]中指出，P2采用變速泵后，其能耗并非如廠商所宣傳的那樣“與流量的三次方成正比”。假設冷水用戶所要求的最大壓降與干管最大流量下的壓降各占50％，例如均為5m，則泵組P2的轉速就要按照使最末端壓差恒定為5m來控制。假設各用戶要求的流量均為最大流量的50％，則各用戶本身的調節閥都紛紛關小，此時末端壓差仍為5m，干管流量降低一斗，故壓降變為1.25m，泵組P2所要求的壓降從原來的10m降至6.25m，流量雖降至一半，但泵的工作點左偏，效率降低，因此泵耗約為最大流量時的45％左右，而并非按照三次方規律所預測的12.5％。造成這種現象是由于現象是由于各用戶調節閥關小，消耗了多余的這部分能量。見圖8。


此外，如果干管壓降占P2揚程的一半，則如同上一例所分析，由于各用戶遠近不同，這部分泵耗的一半也被各用戶的調節閥所消耗。并且空調工程為了改善其調節性能，還希望調節閥兩側壓差占所在支路資用壓頭的一半以上。這樣，平均估計，即使采用變速泵，泵組P2的能量中也有60％以上被各個調節閥消耗掉。


圖9為按照前一例的思路，將各調節閥改為變頻泵，取消泵P2的新方案。圖10a為按照這個方案運行，當制冷機要求的水量大于用戶需要的水量時的水壓圖；圖10b為用戶要求的水量大于制冷機側水量時的水壓圖。采用這種方式將不再需要調節閥，由圖10可看出，對于大多數支路來說，供回水干管間是負壓差，當某臺空調機的水泵停止時，流量會自動成為零。改變用戶處水泵的轉速，可以很好地實現流量調節。由于不再安裝任何調節閥，因此再沒有調節閥所造成的損失。當流量減少一半時，用戶水泵的工作點將略有偏移，但能耗仍可降低80％以上。當工程平均運行流量為最大流量的70％時，可以計算出與采用變速泵P2的方式相比，各用戶泵電耗的總工程和不足泵P2電耗的35％。


再分析這種工程的穩定性。當由于某種原因，一些用戶關閉，一些用戶調小，總流量降低50％時，干管壓降減少，泵的轉速未變化的用戶的流量最大增加幅度約為10％～20％，與泵的性能曲線形狀有關。這時只要將轉速相應地減少，即可維持原流量。采用這種方式，用各個小變頻泵代替一組大變頻泵，由于總功率降低20％～30％，因此價格不會增加。采用新方案后，還省掉各個空調機的電動調節閥，因此初投資將降低。


2.4空氣處理室


圖11為常見的可變新風量的空氣處理室

摘要：綜合分析介紹了CFD軟件在葉輪機械數值模擬中的兩個關鍵問題，即數值算法和湍流模型及其最近的一些研究進展，并以對旋式軸流風機的數值模擬為例對其應用進行了說明，最后對CFD在葉輪機械數值模擬中的應用及發展趨勢進行了展望。
關鍵詞：計算流體動力學（CFD）；葉輪機械；數值模擬；數值算法；湍流模型
引言
　　隨著科學技術的進步和社會經濟的發展，人們節能意識逐步增強，許多領域對葉輪機械性能的要求越來越高。傳統的設計方法需要進行試制和測量大量試驗參數等工作，在對葉輪機械、噴管及管道等內部流動進行試驗測量時，要求試驗裝置復雜龐大，從而消耗大量的人力和財力，成本較高，對試驗的依賴性較強，研制周期較長。而數值模擬的方法將理論分析與試驗研究聯系在一起，以其獨特的優勢逐漸成為研究流體流動的重要手段。隨著計算機內存和并行技術的發展，計算流體動力學（CFD）已經廣泛應用于葉輪機械的研發過程中，并成為一門獨特的學科。它能夠描述復雜幾何體內部的三維流動現象，可以在設計的初期快速地評價設計并做出修改，而不需要費原型生產和反復測試；在設計的中期，用來研究設計變化對流動的影響，減少未預料到的負面影響；設計完成后，CFD提供各種數據和圖像，證實設計目的。近年來，CFD越來越多地應用于葉輪機械的設計和流場的分析中，大大減少了研發費用、時間及新設計帶來的風險，成為一種重要的設計和計算方法[1]。
　　按照流體動力學解決問題的思路，一次成功完整的數值計算必須包括建立計算模型、生成網格、確定控制方程、選擇湍流模型、確定初始和邊界條件、確定數值算法、離散方法及求解方程等步驟，而CFD應用中的關鍵問題就是數值算法的應用及湍流模型的選取。
1數值算法
　　20世紀90年代之前，受到計算機技術的限制，葉輪機械內部流動的數值模擬從無粘勢流和線性化處理階段逐步向綜合考慮內流粘性和回流方向的準粘性模擬階段發展[2]。早期葉輪機械內流計算通常簡化為二維不可壓勢流或三維勢流，以勢函數、流函數或Euler方程為控制方程進行求解。50年代將三維Euler方程簡化為兩個相互關聯的二維方程求解，在當時技術條件下為葉輪機械內部流場數值計算建立了理論基礎。從1952年吳仲華教授提出S1、S2流面理論以來，人們普遍采用S1、S2流面相互迭代的方法來計算葉輪內部流動，并由此產生了流線曲率法和準正交面法等一些數值方法。由于非粘性假設在一定程度上可以反映實際流動情況，與物理過程接近而且從認識上易被接受，因此目前仍有不少學者采用兩類流面理論研究葉輪機械內部流動，尤其在葉輪機械水力設計反問題中應用很廣泛。之后隨著計算機技術的發展又出現了更為復雜的計算方法，使得葉輪機械的數值模擬不再停留在無粘階段，開始綜合考慮粘性、回流以及漩渦對內流的影響，出現了勢流—邊界層迭代解法、射流—尾流模型及渦量—流函數法等。其中勢流—邊界層迭代解法將葉輪機械內的流場分為無粘性的勢流區和有粘性的湍流邊界層區，分別進行計算并迭代。該方法對于葉輪機械內部存在的漩渦、二次流、脫流及葉尖間隙損失等復雜流動來講是一種較好的解決方法。對于該方法在葉輪機械內流計算中的應用仍是當今的研究熱點。
　　20世紀90年代以后，CFD技術隨著大容量、高速度計算機的出現得到迅速發展，進入了一個全三維粘性數值模擬時期，即粘性、時間平均化處理階段[2]。通過直接求解雷諾時均方程，結合湍流模型來計算葉輪機械內部的三維粘性流動成為葉輪機械數值模擬的主要方法。在離散方法上出現了有限差分法、有限體積法、有限元法、有限分析法、邊界元法和譜方法等；在參數解耦方式上出現了壓力修正法、時間相關法、擬可壓縮法（人工壓縮性法）和松弛迭代法等一系列研究成果。1972年問世的SIMPLE算法是壓力修正法的典型代表，之后又出現了SIMPLER（Patankar,1979）、SIMPLEST（Spalding,1981）、SIMPLEC（Doormal&Raithby,1983）等一系列改進方案[3]。SIMPLE算法及其改進算法仍是目前求解葉輪機械內部不可壓流動的重要算法。許多學者采用壓力修正法來求解葉輪機械內部流場。現今對相關算法的改進算法仍是許多學者的研究課題。時間相關法（時間推進法）也是同一時期出現的數值模擬方法，除了適用于低亞聲速、亞聲速、跨聲速和超聲速流動外，還可同時用于內流和外流、定常和非定常流場的計算。該方法可分為顯示和隱式兩類。葉輪機械內計算方面應用較廣的顯示格式有：Lax-Wendroff（L-W）格式、MacCormack預估修正格式及Runge-Kutta格式。對隱式方法的求解有近似因式分解法（AF法）和迎風格式。
2湍流模型
　　所謂湍流模型，就是建立湍流脈動附加項與時均量之間的關系，從而使控制流動的方程組能夠封閉。一個良好的湍流模型應有較好的普遍性，同時在復雜性上較適度。因此湍流模型的選擇直接影響到葉輪機械內部流動數值模擬的效果。到目前為止，出現的湍流模型有很多種，但是還沒有普遍適用的湍流模型。
2.1零方程模型及一方程模型
　　零方程模型是基于Boussinesq湍流渦粘性假設，用代數關系建立渦粘性系數與平均速度之間的關系。經過長期經驗的積累發現，該模型直觀、簡單，但是只對二維簡單剪切流動有效，并不適用于旋轉、曲率和分離流動以及壓力或湍流驅動的二次流。因此，該模型只能用于射流、管流、噴管流動及邊界層流動等簡單流動，不適用于葉輪機械內的湍流計算。一方程模型考慮到湍動的對流輸運和擴散輸運，因此比零方程模型更加合理。但是，一方程模型必須事先給定湍流尺度，而如何確定湍流尺度（依據經驗公式或試驗）仍是難題，對于復雜流動的湍流尺度很難確定，雖可使用復雜的計算公式但卻無通用性，因此很難得到推廣使用，該模型目前主要用于邊界層計算。
2.2兩方程模型
　　兩方程模型用兩個微分方程建立渦粘性系數與平均速度之間的關系，典型的是模型。該模型是目前工程上應用比較廣泛的，在計算帶有壓力梯度的二維流動和三維邊界層流動時，可以取得較好的效果，但由于其主要是基于湍流動能及其耗散率，忽略了分子之間的粘性，采用各向同性的渦粘性假設，因而在計算旋轉、曲率和分離流動等三維流場時并不理想，只對完全為湍流的流場有效。為了克服標準模型的不足，在其基礎上提出了許多改進的方案，如重整化群（RenormalizationGroup,RNG）模型、Realizable模型、高階各向異性（MAKE）模型等。改進后的模型雖然需要占用更多的計算機內存，計算速度下降，但其模擬精度有所提高，因此這些改進后的模型在葉輪機械內部湍流的計算上已經有了很多應用。重整化群（RNG）模型在近壁區采用壁面函數法處理，精度較高，在流線曲率大、有漩渦和旋轉的葉輪機械內部流場中更加適用。而Realizable模型則對旋轉流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流的模擬比較適用。采用各種模型對葉輪機械內部流動進行數值模擬的報道相對較多。另外，模型也屬于兩方程模型，該模型采用渦量脈動值平方的平均值的方程來代替方程。標準模型由于考慮了低雷諾數、可壓縮性、剪切流傳播等因素，因此其更適用于壁面束縛流動和自由剪切流動。模型也出現了剪切應力輸運（SST）模型等改進方案[4]。
2.3代數雷諾應力模型（ARSM）
　　與純代數應力模型（零方程模型）相比，代數雷諾應力模型沒有完全忽略對流項和擴散項，而是部分加以保留。在計算時，采用和的輸運方程解出和，然后用代數關系計算雷諾應力。由于其計算量比雷諾應力模型小得多，也常被采用。另外，代數雷諾應力模型，由于解決了流動中的旋轉和曲率的影響，使其在計算量相對較小的情況下，無需改進即可捕捉旋轉和曲率流動的效果，也適用于葉輪機械內部流動，包括對葉輪尾跡和葉頂間隙的數值模擬。當把ARSM模型與標準模型結合使用時，對于計算效率影響不大，使用這兩種模型耦合的方法，計算結果與試驗結果吻合良好。
2.4雷諾應力模型（RSM）
　　雷諾應力模型是一種比較先進卻更為復雜的湍流模型，它拋棄了Boussinesq假設中各向同性湍流動力粘度及湍流應力與時均速度梯度呈線性關系的假設，直接對6個雷諾應力分量建立輸運方程并進行求解，因而能夠更好地反映湍流的物理特性。由于考慮了雷諾應力，同時又考慮了旋轉運動及流動方向表面曲率變化的影響，使得該模型占用更多的計算機內存，但是它對于葉輪機械內部復雜流動的模擬卻是非常理想的模型。計算實踐證明，RSM模型雖能考慮一些各向異性效應，但并不一定比其他模型效果好。在計算突擴流動分離和計算湍流輸運各向異性較強的流動時，RSM優于兩方程模型，但對于一般的回流流動，RSM的結果并不一定比模型好。另一方面，就三維問題而言，采用RSM意味著要多求解6個關于雷諾應力的微分方程，計算量大，對計算機的要求較高，而且其計算存在不穩定性。由于RSM模型的計算工作量大，全三維工程計算的實例很少。
2.5大渦模擬（LES）
　　大渦模擬技術最早由氣象學家Smagorinsky于1963年最早提出，自1970年由Deardorff首次運用于湍流研究后，大量應用于湍流計算。大渦模擬模型采用非穩態的N-S方程，直接模擬湍流中的大渦，并非直接計算小渦，小渦對大渦的影響可通過近似的模型來考慮。因而大渦模擬主要包含兩個環節：首先，建立數學濾波函數，從湍流N-S方程中將尺度比濾波函數尺度小的渦過濾掉，從而分解出大渦運動方程。常用的濾波函數有盒式濾波函數、高斯濾波函數及傅立葉截斷濾波函數。其次，建立亞格子模型，封閉小尺度渦脈動作用的亞格子應力。建立合理的亞格子模型是大渦模擬的關鍵，目前主要有Smargorinsky渦粘模型、Bardina尺度相似模型、混合模型、譜空間模型、動力渦粘模型及結構函數模

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