孔板流动是一种常见的流动形式,其应用场景十分广泛,包括洁净室送风末端、孔板流量计等等,在工程上可以看成是孔板的部件有高架板、格栅等等。以高架板为例,在传统洁净室中,地面结构一般都是设置为高架地板支撑结构,是构成垂直单向流的重要条件,当空气通过高架板时会因为阻力而产生压降。在设计阶段需要根据高架板的的阻力特性来考虑风量大小、FFU布置状况等等,所以对高架板进行流体力学分析,研究其阻力特性具有十分重要的意义。
根据达西—维伊斯巴赫公式:
在公式中,∆P为高架板前后压降,单位为Pa;ξ为阻力系数;ρ为流体密度,单位为kg/m3;u为速度,单位为m/s。其中,阻力系数ξ由高架板的结构参数决定,包括高架板开孔率、孔板尺寸和厚度。
由此可知,压降与风速的平方成正比,和阻力系数成正比。在实际生产过程中,经常变化的运行参数是风量,即风速,所以有必要对风速和压降的关系进行研究。
为分析风速对孔板阻力特性的影响,采用CFD软件Clabso进行流体模拟。计算模型如图1所示,红色面为FFU,箭头方向表示FFU向下吹风;蓝色面为高架板;粉色半透明面为壁面。图2所示为压力监测面和高架板的相对位置,在离高架板上下表面40 mm处均流段设置监测面,通过两处监测面的压力数值,即可得到高架板的压降。
图1 高架板计算模型
图2 监测面位置
图3给出了某型号高架板在结构参数不变的情况下,使用Clabso软件在不同风速下计算得到的压降结果。由图可知,随着风速的增加,压降增加。为了定量表示风速和压降的相互关系,对Clabso软件的计算结果进行曲线拟合。
在拟合曲线时,通常采用两种方式进行拟合:一种是多项式拟合,取截距为0,拟合曲线表达式为∆P=1.68u²-0.0002u,为了和公式格式一致,略去小量-0.0002u,得到∆P=1.68u²;另一种是幂函数拟合,拟合曲线的表达式为 ∆P=1.653u。图4给出了两种拟合方法的相对误差,可以发现当风速低于0.1m/s时,两者的相对误差小于1%,在实际使用中可以相互代替。
图3 风速和高架板压降的关系曲线
图4 两种拟合结果的相对误差
为了验证Clabso软件计算结果的可靠性和稳定性,选择风速为1m/s时的计算结果来和拟合曲线的结果进行对比,计算结果见表1。可以发现三者的计算结果非常接近,相对误差最大为2.5%。所以,Clabso软件的计算结果具有非常高的稳定性和可靠性。
压差/Pa | 相对误差/% | |
---|---|---|
Clabso软件 | 1.697 | — |
多项式拟合曲线 | 1.680 | 1.0 |
幂函数拟合曲线 | 1.653 | 2.5 |