送风孔板阻力系数模拟研究

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1、送风孔板阻力系数模拟研究同济大学朱春张旭摘要孔板作为一种风口形式，不仅可以用于洁净室送风末端，也常常用于地铁站台通风、列车车厢送风等人员密集或是空间相对狭小等场合。本文首先理论分析影响孔板阻力特性的参数，接着利用CFD模拟了不同开孔率下孔板的阻力特性，得出了孔板阻力系数的计算关联式，以便于工程实际设计与计算。关键词孔板开孔率阻力特性0引言孔板作为一种风口形式，不仅可以用于洁净室送风末端，也常常用于地铁站台通风、列车车厢内送风等人员密集或是空间相对狭小等场合，起到均匀送风的作用。对航空航天等某些特殊通风领域，当送风管尺寸不能变化

2、时，孔板可作为末端局部阻力件来调节各送风支路阻力平衡，此时需要已知孔板的阻力系数。常用的通风空调手册中[1]，没有述及多孔孔板的局部阻力计算，因此有必要对孔板的阻力特性进行研究。孔板风口一般为平板上均匀开设多个圆孔，风流通过孔板时形成多股小孔射流，然后混合汇聚，均匀送出。为计算孔板的阻力，需要给出每一个小孔的入流条件，分析各个小孔的流动特征，这给理论计算带来许多麻烦和不确定性，因此必须简化模型。简单的办法是将孔板风口等效为一个简单开口，其面积与孔板风口的有效通过面积相等，这样可以确保入流的动量流量和质量流量与实际一致[2]，简

3、化模型如图1。根据分析，把气流流过孔板过程分解为突缩和突扩两个过程。对于突扩过程，由2-2断面、3-3断面应用贝努利方程，并代入动量方程，可得鲍尔德-卡尔诺公式：(1)Fc为自由出流收缩断面2-2的面积，引入收缩系数ε=Fc/F2，和开孔率（也称为扩张比）n=F2/F3，公式（2）可写为（2）当Re>104时，收缩系数ε可认为定值。图1简化的孔板出风示意图对于突缩过程，由于收缩过程产生漩涡的复杂性，只给出经验公式[3]：（3）因此，气流通过孔板的阻力系数为：（4）理论分析中，只考虑了突扩、突缩过程的“冲击”损失，忽略了两个过程

4、的沿程阻力损失，仅适用于Re>104的紊流情况。简化的模型中，同时忽略了多孔射流的混合损失，而该损失与开孔孔径和开孔率有关。本文通过CFD模拟方法，分别研究影响多孔孔板阻力系数的因素，包括：孔板厚度l,小孔孔径d，孔板开孔率n和孔板入流平均Re数的函数。2模拟计算为分析以上各因素对孔板阻力特性的影响，研究思路为只改变单个影响参数，其它参数取为定值，采用CFD软件模拟方法，分别对各因素进行分析研究。建立如图2的四方体几何模型，模型尺寸为0.3×0.11×1m，模型中间截面设孔板，上、下底面分别设送风、出风口，两风口与四方体截面等

5、尺寸，即为0.3×0.11m。。四方体各侧面默认为对称边界条件。根据达西-维伊斯巴赫公式：(6)给定送风入流速度，采用k-ε计算模型，可模拟计算出入口和出口的压力差，因而得出不同几何条件下孔板的阻力系数。图2孔板几何模型2.1孔板开孔尺寸d设定入口流速0.202m/s，孔板开孔率n为13.4%，孔板厚度l为3mm，分别取孔板开孔直径为4mm、6mm和8mm，开孔均匀布置。图3给出孔径φ4的截面模拟结果：图3孔径φ4的压力场和速度场根据以上CFD计算结果，整理各孔径下的阻力系数见表1。表1不同孔径的阻力系数（n=13.4%）开孔

6、直径d压力差Δp（Pa）阻力系数ζ4mm2.901186mm3.141288mm2.99122由表1可见，相同开孔率条件下，不同孔径的阻力系数最大相差7.5%，计算阻力系数与孔板孔径大小不呈同一趋势变化关系，因此可认为孔板阻力与开孔大小无关。2.2孔板厚度l设定入口流速0.202m/s，孔板开孔率13.8%，开孔直径6mm，分别取不同开孔厚度，开孔均匀布置。5mm厚孔板模拟结果见图4。图45mm厚孔板压力场和速度场根据CFD处理结果，计算各孔板厚度下的阻力系数见图5。图5不同孔板厚度的阻力系数（n=13.8%）由图5，相同开孔

7、率条件下，1mm与10mm孔板厚度的阻力系数相差8.2%，1~5mm孔板厚度的阻力系数相差3.5%，可认为孔板阻力与孔板厚度无关，。2.3孔板开孔率为研究开孔率与阻力系数的关系，设定入口流速0.202m/s，取孔板厚度3mm，开孔直径6mm，开孔均匀布置。模拟结果见图6，图7为n取10%~40%的部分结果。图6n-ξ曲线关系图7n取10%~40%的阻力系数根据图6、图7结果，孔板开孔率与阻力系数表现出明显的基本函数关系，根据曲线回归分析，最后拟合n-ξ的幂函数关系如下：R2=0.9931(7)为工程简化计算，可如下拟合公式：R

8、2=0.9885（8）2.4Re数取孔板开孔率13.8%，开孔直径6mm，孔板厚度3mm，设定不同速度，模拟Re数与ζ关系如表2。（其中运动粘性系数取20℃空气值：15.7×10-6m2/s）入口速度v1Re×103阻力系数ζ0.2020.2431272.022.431232