作者:FathiTarada,英国Mosen有限公司总经理
某业界领先的通风企业开发出尺寸更小且能效提升30%的射流风机。
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改进涡轮机械(包括隧道通风系统中使用的射流风机)的效率对于解决不稳定的燃料成本问题和降低温室气体排放十分重要。此外,高能效设备也对世界各地的交通运输管理部门有着更强的吸引力。

纵向隧道通风系统可沿整个隧道提供气流。使用这种通风系统的目的是为满足空气质量要求或是在发生火灾时控制烟气流动。虽然有多种不同类型的通风系统可供选择,但使用最为广泛的仍然是射流风机。除了需要能效高,射流风机通风系统还应该尽量紧凑才能避免占用交通空间。此外,系统设计还必须考虑到密集的风机安装,以降低布线成本,同时满足指南要求的静音运行。

使用ANSYS设计解决方案

Mosen有限公司是一家开发高能效隧道通风系统的咨询工程公司,其使用ANSYS软件不仅优化了系统设计,而且还能满足所有其它要求。

改进隧道通风系统最重要的因素之一就是最大限度地减少射流附壁效应。

改善隧道通风系统最重要的因素之一是最大限度地减少附壁效应。“附壁效应”指每个射流风机产生的气流趋向于附着近旁的壁面,造成摩擦力增大,显著增加空气流动所需的能量。这种效应产生的原因是射流在靠近壁面时速度下降,导致整个射流出现压差,增强其对壁面的附着力,即便在高速下也是如此。由于这种气动摩擦增大,射流风机系统有15%到27%的能量被浪费掉。由于隧道通风系统消耗大量能量,部分此类设备满载时功耗达到数兆瓦,因此降低附壁效应对提升能效大有裨益。


机场隧道工程中按气流速度大小着色的粒子径迹。在Mojet的推动下空气射流偏离隧道壁面。


机场隧道工程中按气流速度大小着色的粒子径迹。

Mosen的工程师采用ANSYS CFX流体动力学软件对其MoJet®创新型射流风机及隧道内的气流进行仿真。为应对附壁效应,工程师使用ANSYS Workbench对多种不同进气和排气喷嘴设计的参数进行了实验,旨在降低损耗,加速气流以及让气流偏离隧道壁面以降低气动摩擦。

MoJet排气喷嘴的上沿形成一定的角度是为了让气流方向偏离隧道顶部,而下沿采用凹割,以增大进气流面积,从而降低进气损耗。整个射流风机外形酷似切片的意大利腊肠。进气道设计采用喇叭口设计,能最大程度地减少进气损耗。工程师通过ANSYS Workbench的参数设计研究,能够分析出不同的进气喇叭口外形,从而确定最佳曲率。这有助于将Mojet进气道中的气流分离量降低多达50%。

由于燃料成本不断变化和对排放的环境考虑,提升涡轮机械的能效从未像今天这样重要。


常规射流风机(左)和Mojet(右)的粒子径迹比较说明使用Mojet能够减轻下游的附壁效应。

同时还可将能耗降低约2.5%。与常规射流风机采用的简单矩形金属板喷嘴相比,Mojet的喷嘴构造要复杂得多,但现代化机械加工能力能良好满足设计要求。

除提升MoJet的效率外,Mosen的工程师还让它的尺寸比同类竞争对手的设计更小,这样在许多应用中可以带来更大的距隧道顶的净空间和更低的噪声辐射。在MoJet设计完成后,工程师使用ANSYS CFD为整套MoJet安装进行建模。建立的模型包含隧道、风机装配体,同时使用了多种尺寸的网格单页来捕获流体动力学。

现实测试

Systemair GmbH于2012年9月在意大利佛罗伦萨附近的Galleria Buttoli隧道测试了MoJet。

工程师开展了一系列精心规划的测试,并在BHR的国际隧道空气动力学、通风与防火学术研讨会上发表了相关结果。代表射流风机总推力与作用于隧道空气的轴向推力之比的安装因数具有11%的改善,这说明空气动力推力得到了显著改善,同时也是对Mosen的CFD预测结果的确认。

该测试隧道为马蹄铁结构。根据CFD计算,将Mojet安装用于其它类型的隧道(矩形或置于壁龛中)会产生更加理想的性能。根据隧道的具体形状和Mojet的具体位置,安装因数改善幅度最高可达25%。

在另一个例子中,某大型国际机场的公路隧道的初始规范要求使用710mm内径、使用双磁极电机的传统射流风机。但是该设备噪声高,占地大,而且由于有效运行需要高喷射速度,因此可能要求提升安全防范措施。重新设计上述通风系统采用了800mm内径、配备四磁极电机并运转在较低转速下的Mojet。结果功耗下降30%,隧道声压降低7dB,喷射气流速度明显下降。此外Mojet的安装位置可以明显靠近壁面,距隧道口的距离可以缩短,降低施工和布线成本。

Mojet已经安装在挪威的Grimstad港口隧道中。Mojet风机将为隧道通风,稀释一氧化碳和二氧化氮排放,控制火灾时烟气的方向。部分之前安装的射流风机由于车辆撞击而被损坏。更换Mojet后可为车流提供更大空间,避免未来受损。对新系统的测试说明了声压下降且隧道中空气动力推力上升。

由于燃料成本不断变化和对排放的环境考虑,提升涡轮机械的能效从未像今天这样重要。ANSYS软件套件让Mosen的工程师能够测试、设计与改善隧道通风系统,从而惠及人人。

ANSYS软件套件让Mosen工程师能够测试、设计与改善隧道通风系统,从而惠及人人。