周智勇 張俊皓 李佳宜 李定霜

（昆明理工大學建筑工程學院，云南昆明 650500）

0 引言

近年來，越來越多的高品質(zhì)住宅開始使用集中空調(diào)通風系統(tǒng)［1］，在住宅集中通風系統(tǒng)的末端構(gòu)件中，常常采用新風分風箱來保證各個房間的風量，新風分風箱具有低噪音、把動壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓等優(yōu)勢，但隨著室內(nèi)人員對舒適性和新風量的要求越來越高，為了提高新風分風箱均勻分配風量的性能，現(xiàn)有研究人員對風量分配裝置的均勻送風研究如下：江世煥［2］通過試驗的方法，使旋流通過風量分配裝置，實現(xiàn)在圓形風管上均勻布置的出風口的出風量相等，在風管長度為5D，風口間距為4D時，入口風速為5～12 m/s范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)風量自動平衡；鄭慶紅等［3］研究了用于等截面圓形直管均勻送風的旋流風量分配器，通過試驗得出了局部阻力靜壓系數(shù)為0.23～0.39 的旋轉(zhuǎn)流量分配器，比國外的降低了75%～69%，針對其特點給出了不同流量下的單位摩擦阻力變化曲線，為工程應(yīng)用提供了參考依據(jù)；王琦等［4］通過CFD 數(shù)值模擬和實驗驗證的方法，分析了風量分配器的進、出風管的不同截面尺寸和風速、導(dǎo)流板的設(shè)置位置、長度、角度和不同外接阻力對風量分配的影響情況，為風量分配裝置的設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)；常悅等［5］通過CFD 數(shù)值模擬的方法研究了體積較小且?guī)в? 個出口的風量分配裝置，在不同位置設(shè)置不同長度的導(dǎo)流板，可以實現(xiàn)在一定風量范圍內(nèi)使得風量分配器達到風量平衡且各個出口壓力相等；張姝雅等［6］通過CFD 數(shù)值模擬的方法研究在風量分配裝置中設(shè)置的導(dǎo)流板高度、角度對風量分配的影響，認為導(dǎo)流板的高度對風量分配的影響較導(dǎo)流板的角度較弱，當導(dǎo)流板的高度為120 mm時，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)流板的角度可以實現(xiàn)一定風量范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。

以上研究表明優(yōu)化風量分配器的結(jié)構(gòu)以及在風量分配器中增設(shè)導(dǎo)流板，通過改變導(dǎo)流板的角度、位置、長度、高度等可實現(xiàn)風量的調(diào)節(jié)，但是以上研究所采用的研究方法時間成本高、研究內(nèi)容不夠全面?；诖吮疚牟捎肅FD 數(shù)值模擬結(jié)合SPSS 正交實驗的方法，將臥式分風箱的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計作為變量因子、臥式分風箱每個出風口的風量的不平衡率作為因變量，以綜合評分為基礎(chǔ)作為衡量臥式分風箱各出口風量平衡的指標。設(shè)計多種導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)模型并進行流場分析，對仿真結(jié)果做極差分析，最終得到臥式分風箱風量平衡最好的一組導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 模型及計算方法

1.1 物理模型及簡化

研究對象為某工程住宅新風系統(tǒng)的臥式分風箱，該工程住宅區(qū)域相比于其他建筑物，其層高低，根據(jù)我國《住宅設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：居住建筑層高為2.8 m，臥室、客廳不得小于2.4 m，且該工程住宅房間頂部鋪設(shè)有采暖所需要的水管，采取一般通風系統(tǒng)使用的安裝方式較為困難，因此該工程采用地板送風的形式并且創(chuàng)新使用了臥式分風箱。

該臥式分風箱基本尺寸為：900 mm×500 mm×60 mm，進風口1 個，進風口風管長度為100 mm，進風口尺寸為：300 mm×100 mm；出風口有8 個，正對面2 個出風口、側(cè)面各3 個出風口，出風口中心距箱體頂面30 mm，出風口風管長度為1 000 mm，出風口尺寸為：130 mm×30 mm，為方便后文的敘述對出風口進行編號，以x軸逆時針方向依次為：出風口1、出風口2、出風口3、出風口4、出風口5、出風口6、出風口7、出風口8，其物理模型如圖1 所示。

圖1 臥式分風箱外觀示意

1.2 數(shù)學模型

采用Realieablek-模型及壓力與速度耦合的SIMPLE 算法求解其中湍流動能k和湍流耗散率的控制方程分別為：

為簡化數(shù)值計算，對臥式分風箱內(nèi)的空氣流動作以下假設(shè)：

（1）臥式分風箱體內(nèi)及風管內(nèi)的空氣流速較低，可視為不可壓縮流體，流體密度符合Boussinesq 假設(shè)。

（2）空氣流動為穩(wěn)態(tài)等溫流動。

（3）臥式分風箱及其風管的氣密性良好，不考慮漏風。

（4）入口風速垂直于入口面，且風速等值分布。

1.3 邊界條件

以臥式分風箱進風口為計算入口邊界，設(shè)為速度入口，大小為2.04 m/s，方向垂直于入口邊界面；以風管末端的出口為計算出口邊界，設(shè)為壓力出口，0 Pa。

1.4 網(wǎng)格劃分及獨立性驗證

為保證計算精度的要求，模型采用Fluent meshing進行四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，對臥式分風箱速度入口、風管末端的出口、風管與箱體連接的部分區(qū)域的網(wǎng)格進行部分加密處理，如圖2 所示。

在送風速度為2.04 m/s 的邊界條件下，分別采用表1 中4 種方案精度的網(wǎng)格進行計算，選取臥式分風箱各出風口的風速值來進行網(wǎng)格獨立性的驗證。由圖3 可知，不同網(wǎng)格數(shù)量下各個出風口的風速值變化不大，風箱兩側(cè)的風速隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而減小，風箱正對面的2 個出風口的風速隨網(wǎng)格數(shù)量的增加而增大，觀察網(wǎng)格數(shù)量為103 萬和179 萬的出風口風速值變化基本一致，網(wǎng)格數(shù)量為333 萬時計算精度提高，但造成了計算機計算資源的浪費。因此，可認為從網(wǎng)格數(shù)量為103 萬開始網(wǎng)格數(shù)量已經(jīng)滿足計算的要求，實現(xiàn)了網(wǎng)格的獨立性，綜合考慮到179 萬的網(wǎng)格數(shù)所需要的計算資源相對較少，其計算精度已經(jīng)較高，在進行模擬研究時選取179 萬的網(wǎng)格數(shù)作為計算網(wǎng)格。

圖3 網(wǎng)格數(shù)量對出風口風速的影響

1.5 數(shù)值模型驗證

選擇轉(zhuǎn)速為2 380 r/min、靜壓為180 Pa、送風量為220 m3/h的風機進行模型驗證，實測與模擬得出的各個出風口的風速如圖4 所示。由圖4 可知，模擬得出的各個出風口的風速值變化趨勢與實際測試得出的數(shù)據(jù)的一致性很好，且風箱各個出風口模擬得出的風速與實測風速之間的誤差在4.2%～11.9%。因此，數(shù)值模型可以用來研究臥式分風箱的風量平衡。

2 正交試驗方案設(shè)計

正交試驗是一種研究多因素、多水平的高效率試驗方法，它根據(jù)全面試驗挑選出具有代表性的案例進行試驗，實現(xiàn)各個因素間的均衡搭配，減少實驗次數(shù)。這些被選出的案例具有“均勻分散，齊整可比”的特點，能全面地反應(yīng)各個因素水平對試驗指標的影響情況［7］。

在臥式分風箱內(nèi)加裝導(dǎo)流板已經(jīng)證明能夠改善風箱內(nèi)部流場的分布，但導(dǎo)流板的具體結(jié)構(gòu)形式的選擇對氣流的分布影響較大，為此，采用正交試驗方法來探究導(dǎo)流板的各個參數(shù)的影響情況并獲得最佳的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

2.1 確定評判指標

針對臥式分風箱風量平衡的評判，文中引入不平衡率X作為評判指標。在Fluent 中計算出臥式分風箱每個出風口的平均風速，根據(jù)下式計算臥式分風箱各個出風口風速的不平衡率［8］。

式中，X為出風口的不平衡率；Ga為實際出風量；Gd為設(shè)計出風量。

不平衡率X的值越小，說明臥式分風箱的各出風口的風量趨于一致，臥式分風箱的風量越平衡。為了使模擬結(jié)果全面反映臥式分風箱的風量平衡，本文將各個出風口的不平衡率視做評價指標，由于臥式分風箱的模型是對稱的，將出風口1 和出風口8 的不平衡率視作指標a、出風口2 和出風口7 的不平衡率視作指標b、出風口3 和出風口6 的不平衡率視作指標c、將出風口4 和出風口5 的不平衡率視作指標d。

引入綜合評分法，綜合評分是一種將多指標按著一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換為單指標的方法。具體來講，它是綜合比較各種指標的重要性及其實測值，對每組試驗結(jié)果評定出一個綜合分數(shù)，而以此分數(shù)作為單指標進行統(tǒng)計分析。

簡單公式評分法是綜合評分中的一種方法，當各指標的重要程度和量綱均相同時可以將各指標數(shù)值直接相加，然后作為單指標進行分析。文中因指標a、指標b、指標c、指標d 對臥式分風箱風量平衡的判斷重要程度相同，因此后文采用簡單公式評分得出的綜合分數(shù)對臥式分風箱的風量平衡進行綜合評判。

2.2 正交試驗因素和水平的確定

圖5 為正交試驗架構(gòu)圖。為提高臥式分風箱的送風均勻性，選取了綜合評分指標進行評判。對導(dǎo)流片的結(jié)構(gòu)設(shè)計選擇導(dǎo)流板的長度（因素A）、導(dǎo)流板的高度（因素B）、導(dǎo)流板的夾角（因素C）3 個因素進行正交實驗，在每個因素選取3 個水平。導(dǎo)流板的長度的3 個水平為：160 mm、180 mm、200 mm；導(dǎo)流板的高度的3 個水平為：45 mm、50 mm、55 mm；導(dǎo)流板夾角的3 個水平為：65°、75°、85°。導(dǎo)流板的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6 所示。

圖5 正交試驗架構(gòu)

圖6 導(dǎo)流板布置模型平面示意(單位：mm）

2.3 設(shè)計正交實驗表

根據(jù)正交試驗原理，采用3 因素3 水平L9（33）的正交試驗方案來研究不同因素對綜合評分的影響，一共需要進行9 組試驗，大幅度減少了工作量，提高了試驗效率。正交試驗方案如表2 所示。

表2 正交試驗方案

由表2 可知，設(shè)計的試驗方案在實驗參數(shù)的每一列，3 個水平出現(xiàn)的次數(shù)相同，且任意2 列的排列方式均衡齊全，充分保證了挑選出的部分試驗方案包含所有因素的所有水平，而且任意2 列之間的因素組合全部出現(xiàn)，充分保證了3 個因素之間的組合完整，因此該正交試驗的9 組試驗方案具有“均勻分散、整齊可比”的特點，可以代表全部試驗。

2.4 極差分析

極差可以直觀表達出導(dǎo)流板長度、導(dǎo)流板高度、導(dǎo)流板夾角對臥式分風箱風量平衡影響的重要次序，因素的極差越小，表明該因素對送風均勻性影響越小，反之，因素的極差越大，表明該因素對送風均勻性影響越大。極差數(shù)學計算公式為：

式中，kj為因素X的j水平對應(yīng)的指標和；Xj（i）為因素X的第j水平第i個因素組合方案所對應(yīng)的實驗值。

式中，kj為因素X的第j個水平的和的均值。

式中，R（X）為X的極差；Max（kj）為因素X的第j個水平和均值中的最大值；Min（kj）為因素X的第j個水平和均值中的最小值。

通過表3 極差分析可知，3 個因素對綜合評分的影響程度不同，根據(jù)表中極差值的大小可以判斷影響因素的主次順序為：導(dǎo)流板高度＞導(dǎo)流板角度＞導(dǎo)流板長度。為更加直觀地顯示3 個因素水平對綜合評分的影響，以3 個因素的水平為橫坐標，以綜合評分為縱坐標得到如圖7 所示的正交分析指標圖。

表3 試驗結(jié)果的極差分析

圖7 正交分析指標

由正交分析指標圖可得，3 個因素試驗水平實驗7 的綜合評分最低，即導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置效果最好的是導(dǎo)流板長度為200 mm、導(dǎo)流板高度為45 mm、導(dǎo)流板角度為75°。

2.5 結(jié)果驗證分析

通過正交試驗結(jié)果分析得到了送風均勻性較好的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)，為驗證試驗結(jié)果，根據(jù)優(yōu)化后的試驗參數(shù)建立模型，在相同的邊界參數(shù)下進行數(shù)值模擬，得到的結(jié)果如表4 所示。

表4 試驗結(jié)果驗證對比

從表4 可以看出，初始模型臥式分風箱風量平衡的綜合評分為39.6%，增設(shè)導(dǎo)流板優(yōu)化后臥式分風箱風量平衡的綜合評分為2%，較初始模型綜合評分降低37.6%，說明臥式分風箱風量平衡提高37.6%。

3 結(jié)論

為了研究臥式分風箱風量平衡的問題，本文從臥式分風箱的物理模型入手，采用CFD 數(shù)值模擬和SPSS正交試驗相互結(jié)合的方法，以綜合評分為指標，對臥式分風箱內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化分析，最終得出以下結(jié)論：

（1）導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)中3 個試驗因素對于臥式分風箱風量平衡影響的主次順序為：導(dǎo)流板高度＞導(dǎo)流板角度＞導(dǎo)流板長度。

（2）導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)對臥式分風箱風量平衡影響效果最好的是：導(dǎo)流板長度為200 mm、導(dǎo)流板高度為45 mm、導(dǎo)流板夾角為75°。

（3）基于正交試驗優(yōu)選的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，對臥式分風箱風量平衡進行仿真驗證。結(jié)果表明：優(yōu)化設(shè)置導(dǎo)流板后的模型比初始模型各支路的不平衡率降低了37.6%，送風均勻性整體提高。

本研究將室內(nèi)實驗與理論研究相結(jié)合，為未來臥式分風箱的優(yōu)化設(shè)計提供參考。對于臥式分風箱設(shè)置導(dǎo)流板來調(diào)整風量分配有一定的理論依據(jù)，但是應(yīng)用到實際工程中存在一定的局限性，因此在未來的研究中，將針對工程實際情況與本模型結(jié)合并加以修正，對臥式分風箱的認識會更加準確。