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空气流体力学原理范文1
关键词：空调进气格栅 水管理 气管理
中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0112-02
乘用车空调进气格栅是前挡风玻璃、发动机舱盖、翼子板之间的外饰覆盖件，纵向连接前风挡玻璃以及发动机舱盖，横向连接左右翼子板，一般为黑色塑料件，实物外观以及整车位置如图1所示。
空调进气格栅与车身钣金共同围成一个空腔，在这个空腔里布置有前雨刮系统以及空调系统的进气口，空调进气格栅是空调系统新鲜空气的入口，同时保护雨刮系统以及空调系统免受雨水侵蚀，空腔是水流及气流的通道，该文重点介绍空调进气格栅的水、气等功能设计的开发。
1 气管理
空气通过发动机舱盖与空调进气格栅之间间隙进入，通过空调进气格栅开口到达车身空调进气腔，在腔内流动并通过位于腔内的空调进气口最终进入空调箱，实现冷热调节后按客户设置经由吹面风道、除霜风道送达至目标区域，如图2进气流路断面示意图。
气体在管道内流动实质是通过牺牲自身能量以克服流动阻力的过程，空调鼓风功能本质上是鼓风机模块所产生的压力克服气流流路上流动阻力的结果，进气气路上压降的大小直接影响鼓风模块功耗，该文主要涉及空调箱进气口上游进气通道，确保其在一定空气流量情况下流阻处于合理水平。总阻力损失主要由摩擦阻力和局部阻力构成。摩擦阻力损失是指气体沿管道流动时由于质点间的内摩擦力及与管壁之间的外摩擦而引起的能量损失，压力降参考范宁公式：
局部阻力损失：当气体流过的管道发生局部变化时，就在管道的局部化地区发生气体与管壁的冲击，因而造成一部分能量损失。
工程上常见的流体流速范围内，摩擦系数λ近似等于常数。当管路及输送的流体一定时，l、d、Σζ、ρ均为定值，故R等于常数，称之为阻力系数。项目设计上，用阻力系数（R值）来表征进气流道的流阻大小：R=P/Q2（其中P为流道静压降Pa；Q为空气流量l/s），阻力系数（R值）表征的是流道顺畅程度。理论上，流道结构不变的情况下，R值也唯一。
空调进气压降设计工作中通常借助计算流体商业软件进行虚拟分析实现，其分析原理基于流体力学理论，计算过程涉及流体力学连续性方程，即运动流体物质守恒方程以及动量方程，及流体流动过程中受各种力作用下的平衡方程[1，2]。分析步骤从数据的收集到前处理划分网格，设置边界条件，到计算输出结果，其中网格生成采用四面体画法，最后通过生成的网格导人Fluent软件进行计算。
通过计算机仿真技术的应用以及经验积累发现，空调进气格栅开口面积、位置，空调进气格栅与发动机舱盖之间的间隙大小，车身空调进气腔结构形式等都是影响阻力系数的关键因素。空调进气格栅开口面积越大，进气阻力越小，但是过大的开口面积，会导致车身空调进气腔排水负担过重，排水不及时等问题，因此开口面积的大小需要根据整车空气流量的大小并结合车身空调进气腔的排水能力综合制定。为确保整车开发过程中空调进气压降设计上处于合理水平，空调进气格栅进气面必须布置在正压区，为保证空调进气口的水汽分离，空调进气格栅上的开口距离空调进气口距离至少大于250 mm。车身空调进气腔结构受前舱区域总布置得影响，在保证前舱布置的前提下，截面面积尽可能大并且均匀一致，车身空调进气腔宽深比大于3，腔内支架的设计也要考虑对气流的阻力影响。
2 水管理
乘用车空调进气格栅是前挡风玻璃，发动机舱盖，翼子板之间的外饰覆盖件，下雨或洗车时，大部分的水会从车顶沿前挡风玻璃流下，积水从进气格栅上的孔状结构流入车身腔体内，从图2可以看出，乘用车空调进气格栅区域有雨刮系统，空调进气口等需要防水的部件，雨刮电机水侵入会导致系统不能正常运行，影响行车安全，空调系统水侵入会影响鼓风机性能，严重的甚至会出现水侵入乘客舱，影响车辆最基本的挡风遮雨功能，因此该区域需要考虑安全有效的水管理。前期设计时，要充分考虑空调进气格栅对外界水流的导向以及车身空腔结构的排水能力，车身空调进气腔内的积水高度不能超过雨刮电机以及空调进气口的布置高度，并要有足够的设计余量。
为提升前期设计的精确度，同样借助计算机流体动力学软件来模拟水流状况，积水高度等，计算采用VOF多相流模型的瞬态模拟，通过定义VOF界面，进行数值模拟，显示在既定的边界条件下水的容积，积水的高度以及水流速度等，为空调系统以及雨刮系统的布置提供设计指导[3]。首先对空调进气格栅、车身空调进气腔、雨刮系统、空调内循环进气口，前挡风玻璃等关键子系统进行网格划分，从以上子系统三维几何模型中提取VOF分析的边界条件，边界条件设置完成后，有计算机分析并输出分析结果，具体结果分析实例如下。
（1）水流高度跟空调内循环进气口之间的关系，根据计算结果给工程设计提供输入，如果水流高度超过内循环进气口高度，需要修改设计降低水流高度或者增加水流挡板防止水侵入。
（2）水流高度跟雨刮电机及连杆机构之间的关系：根据计算结果给工程设计提供输入，如果水流高度高于雨刮电机的高度，需要修改设计降低水流高度或抬高雨刮电机，防止电机进水影响性能。
车身空调进气腔是水流和气流的通道，通常设计时考虑足够的坡度设计并保证开口面积来加速水流的速度，根据水往低处走的物理常识，中间位置是最高点，将排水口设计在两侧位置低点，从而将水导向两侧安全区域。
3 结语
该文从空调进气格栅的功能要求着手，从水、气管理两方面介绍了关键影响因素及其原理，影响因素间存在着相互的制约关系，在设计中需要综合考虑其对水、气的影响，该文借助计算机流体软件模拟该区域的气流受阻状况、水流状况以及积水高度，根据这些数据就可以调整设计找到最优匹配方案，改变了传统设计中的依靠经验进行定性分析、缺少定量数据的设计方法，有助于设计优化，从而提高设计开发质量。
参考文献
[1] 王福军.计算流体动力学分析――CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：235-238.
空气流体力学原理范文2
关键词：CFD技术；相似性原理；流体流动
Application of CFD technology in the teaching of the flow similarity principle
Yang Xianglong
Shenzhen university, Shenzhen, 518060, China
Abstract: The flow similarity principle is an important part in fluid mechanics. The dynamic similarity condition is derived from the non-dimensional governing equations of the fluid flow. Thereafter, in order to show the necessity of the dynamic similarity condition, a simple fluid flow is simulated using CFD technology. This method can help theoretically and practically students to study the dynamic similarity condition which is more nonfigurative. Good teaching effect in classroom can be expected. In addition, the ability of students for solving engineering problem can be improved.
Key words: CFD technology; similarity principle; fluid flow
由于测量方法和工具的局限性，在流体力学或水力学中，模型实验是探索复杂流动规律、指导实际工程建设的重要手段。模型实验原则上是研究尺度缩小或放大了的真实流动。例如，在风洞中进行飞机、高层建筑、大跨度桥梁等模型的吹风实验，在水槽中进行船舰模型的航行实验，在水洞中进行小体积昆虫模型的飞行实验等。模型实验和真实流动之间满足流动相似性，即几何相似、运动相似、动力相似及初始和边界条件相似，是保证可由模型实验结果推知真实流动规律的充要条件。因此，相似性原理是流体力学或水力学教学内容的重要组成部分。
阅览众多水力学教材，在讲解相似性原理时几乎都遵从同一模式，即介绍流动相似的概念，给出几个重要的相似准则，举例说明相似准则在模型实验设计中的应用[1,2]。这种模式存在一个明显的不足，即未从理论上说明为何几何相似、运动相似、动力相似及初始和边界条件相似是保证流动相似的充要条件。从某种意义上说，这是一种“填鸭式”的教学方法，导致学生只能知其然，而不知其所以然。一般而言，几何相似和边界条件相似因其相对直观，学生容易理解。但对动力相似的要求，相对比较抽象，很多学生难以理解。在一些流体力学教材中，采用另外一种教学模式，即直接对流动控制方程进行无量纲化处理，进而推导出动力相似参数[3,4]。这种方法从理论上说明了动力相似的必要性，有助于消除学生对动力相似条件的疑惑。
然而，仅使用单纯的理论讲解，仍难以使学生留下深刻印象，而容易遗忘。如果能结合实际问题，应用相似性原理加以解决，不但能帮助学生理解其奥妙，对所学内容留下深刻印象，并且能锻炼学生解决实际问题的能力。
CFD技术在解决简单流动问题时，可得到相当满意的结果。一些教学工作者已尝试将其应用到水力学教学中，取得了良好的教学效果。如，赵琴等人利用CFD技术帮助学生理解流线的概念，巩固对总流能量方程和连续性方程的认识，区别层流和湍流的流动状态，及圆柱绕流的漩涡脱落特性等[5]。杨忠国等人利用CFD技术对雷诺实验进行了模拟，可以让学生在计算机房进行数字化实验[6]。李国威和董金玲将CFD技术应用到无环量圆柱绕流中，帮助学生对抽象内容进行学习[7]。将CFD技术应用到教学中，因其基于坚实的理论基础，相对于一般的动画，可得到真实的流动图像，并能获得更深层次的流动信息，能更好地帮助学生理解抽象内容。可用数值实验代替真实实验，大大节约教学资源，缓解高校实验资源不足的问题。同时，如果让学生自己动手对一些简单问题进行数值模拟，还可以锻炼学生自己动手，解决实际问题的能力。
笔者以二维定常不可压缩管道流动为例，先对其控制方程和边界条件进行无量纲化处理，从理论上阐明流动相似的充要条件。利用CFD技术对分析结果进行验证，将理论予以形象化，这样可以开拓学生的视野，激发学生的学习兴趣，加深学生对基础知识的理解。
1 控制方程和边界条件的无量纲化处理
二维定常不可压缩管道流动因其流动简单，存在理论解，包含了流体流动的一般特征，计算量小等特点，可很好地用于课堂教学中。其控制方程包括连续性方程和动量方程，为：
(1)
(3)
边界条件为：
①在固壁上：u=0；v=0 (4)
②在进口处，若速度呈均匀分布：u=U；v=0 (5)
③在出口处：αu/ αx=0；v=0；p=0 (6)
式中，x和y分别表示轴向和横向的坐标；u和v分别表示轴向和横向的流体速度；p表示流体的压力；ρ表示流体的密度；μ表示流体的动力黏性系数。因流动不可压缩，且不考虑温度的变化，故ρ和μ均为常数。
引入特征长度L(取为管道宽度)，特征速度U(取为进口平均速度)，特征压力ρU2，可将x，y，u，v和p进行无量纲化，结果如下(带*号的量为相应的无量纲变量)：
；；；； (7)
代入控制方程(1)～(3)和边界条件(4)～(6)中，得无量纲控制方程和边界条件，为：
(8)
(10)
边界条件为：
①在固壁上：u*=0；v*=0 (11)
②进口处，若速度呈均匀分布：u*=1；v*=0 (12)
③在出口处：αu*/ αx*=0；v*=0；p*=0 (13)
其中，，是一无量纲参数，称为雷诺数，表征流体惯性力和黏性力之比。
可见，对于二维定常不可压缩管道流动，只要保证雷诺数相同，即动力学相似，则其无量纲控制方程是完全一样的。如果同时保证几何相似的，无量纲边界条件相同，则其无量纲流动变量(u*，v*，p*)的解也必然是相同的。这样，流动就是相似的。而如果雷诺数不同，则无量纲流动变量的解就可能不同，则流动不是相似的。因此，对满足几何相似和边界条件相似的同类流动，雷诺数相同是流动相似的必然要求。而雷诺数是密度ρ，特征尺寸L，特征速度U和动力黏性系数μ的组合，也就是说，可以任意改变这4个参数的值，只需保证其组合(雷诺数)相等，就可保证流动的相似性。这样，为模型实验提供了广阔的设计空间。如根据实验条件和测量手段的不同，可以灵活地用空气流动模拟水的流动，用较慢速度的流动模拟较快速度的流动，用小管流动模拟大管流动等，反之亦然。
2 数值验证
由前面的分析可知，对满足流动相似的流动，相同无量纲位置处的无量纲流动变量必然相等，反之亦然。在满足几何相似、边界条件相似的前提下，动力相似(在此表现为雷诺数相同)是保证流动相似的必然要求。为验证前面所述理论，以二维定常不可压缩管道流动为例，设计6种工况。二维管道的宽为L，长为10 L，网格尺寸取为0.05 L，这样，可将整个计算区域划分为4 000个矩形网格。计算域几何、计算网格、边界条件如图1所示。6种工况中各参数取值见表1，工况1至工况4的雷诺数为100，工况5和工况6中雷诺数为500，但特征尺寸、特征速度、流体密度和动力黏性系数取不同的数值。
使用商业软件Fluent对流动进行模拟。控制方程的空间离散格式取二阶迎风格式。计算中，每种工况迭代300步后，流动即可收敛，在CPU主频为1.86 G的个人PC机上耗时约20秒。
将计算结果进行无量纲化，以考察雷诺数对流动相似性的影响，不失一般性，取进口处的无量纲压力(见表2)和出口处的无量纲速度分布(如图2所示)进行分析。可以看到，若雷诺数相同，进口处的无量纲压力和出口处的无量纲速度分布都是相同的。若雷诺数不同，则无量纲压力和无量纲速度分布都不同。理论上，二维无限长管道流动的速度剖面应为抛物型分布。现管道为有限长，在惯性力和黏性力的共同作用下，从进口到出口的流动过程中，速度分布由均匀分布向抛物型分布逐渐发展。其中惯性力的作用是保持原有的流动状态(即维持速度均匀分布的状态)，而黏性力则驱使流动向最终稳定状态(即速度为抛物型分布)演化。因此，惯性力相对越大(即雷诺数越大)，速度的演化过程越慢。从图2看到，当雷诺数较小时(工况1至工况4)，速度演化较快，10 L的管道长度足以保证流动速度演化到稳定状态，因此出口处的速度已经达到抛物型分布。而当雷诺数较大时(工况5和工况6)，速度演化较慢，10 L的管道长度还不足以使流动速度演化到稳定状态，出口速度分布还未发展到抛物型分布。
3 结束语
流动相似性原理是流体力学或水力学教学内容的重要组成部分，是建立模型实验和实际工程流动问题间相互联系的纽带。采用对流动控制方程进行无量纲化，从理论上推出流动动力相似的条件，可以帮助学生更好地理解流动动力相似条件的必要性。
采用CFD技术对二维定常不可压缩管道流动进行数值模拟，操作简单，计算速度快，可方便地用于课堂教学，以加深学生对相似性原理中较为抽象的动力相似的理解和记忆。如果让学生亲自动手完成，更能留下深刻印象，取得良好的教学效果，并能锻炼学生的动手能力和提高学生解决实际问题的能力。
参考文献
[1] 肖明葵.水力学[M].重庆:重庆大学出版社,2007.
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[4] 庄礼贤,尹协远,马晖扬.流体力学[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1991.
[5] 赵琴,杨小林,严敬.CFD技术在工程流体力学教学中的应用[J].高等教育研究,2008,25(1):28-29.
空气流体力学原理范文3
（广东机电职业技术学院电气学院，广州 510550）
摘要：在忽略风压影响的情况下，对于有稳定内热源的建筑，室外温度对建筑物自然通风的影响是十分显著的。本文采用计算流体力学(CFD) 方法，对具有固定热源强度的典型民用建筑的自然通风进行数值模拟分析，得出不同室外温度下的密度场分布、压力场分布，并得出中和面高度及换气次数的变化规律。通过分析可知，对于双面通风形式，随着室外温度的升高会导致室内外密度差减小，阻碍室外空气与室内空气的交换，不利于房间的自然通风。
关键词 ：室外温度；热压自然通风；中和面；计算流体力学；数值模拟
中图分类号：TU834.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）24-0163-03
作者简介：徐小虎（1988-），男，河南濮阳人，助教，研究生，研究方向为空调系统节能控制及系统优化。
0 引言
随着我国经济的飞速发展，能源消耗逐年增加，据统计目前我国建筑能耗占社会总能耗的30%左右，因此在我国对建筑节能、绿色建筑的要求日益严格。自然通风的合理利用不但能够可以节约能源，保持良好的室内空气品质，还可以在一定程度上解决夏季或过渡季节的热舒适性问题，取代或部分取代建筑空调的使用，缓解城市居住小区的热环境恶化，近年来越来越多的受到人们的重视[1-4]。在我国暖通空调设计规范中提到建筑物设计时应尽量利用自然通风，设置有效地自然通风设施[5]。
建筑自然通风是由热压与风压共同作用形成的，但由于受到城市的地形和布局、城市建筑高度与建筑间距比值等诸多因素的影响，风压作用被大大地削弱，从而无法满足自然通风要求，使得我们不得不关注建筑热压作用的重要性。由于风压变化的随机性，在我国暖通空调设计规范中，对自然通风的设计仅考虑热压作用。
在忽略风压影响的情况下，对于有稳定内热源的建筑，室外气象条件对建筑自然通风的影响是十分显著的[6]。本文采用计算流体力学（CFD）方法进行模拟，通过改变室外温度，对具有一般几何特征的民用建筑的自然通风进行数值模拟，分析热压作用下室内流场分布随室外温度的变化规律。
1 热压作用下的自然通风原理
由于室内外空气的温度差及密度差的存在，从而导致沿着建筑物墙体垂直方向上的压力梯度的出现。由于压差的作用，驱动室内外空气的流动，从而形成热压作用下的自然通风，如图1所示。
热压的大小与两开口的高度差和室内外空气的密度差有关。当室内温度高于室外温度时，沿建筑物墙体垂直方向，由下向上压力逐渐升高。当建筑物上下部均存在开口时，空气由下部的开口流入，从上部开口流出。反之，则气流方向相反。自然通风热压的大小取决于两个开口的高度差以及室内外空气的密度差。实际上，即便只有一个开口存在仍然有自然通风的存在，此时建筑开口可以看成由上下两个开口叠加放置[7]。
2 自然通风物理模型的建立
本文对热压作用下的自然通风进行数值模拟，采用穿堂式通风，两侧窗户全部开启，如图2所示。
2.1 物理模型
选择几何尺寸具有代表性的民用建筑建立物理模型，L×W×H=4m×3m×3m。窗尺寸为1.2m×1m（高×宽），室外压力为标准大气压1.013×105Pa。
2.2 计算域及边界条件
流场计算域的选择对流场数值模拟的合理性有很大影响，合理选择计算域不仅能保证流动充分发展还可以减轻计算机硬件负担，大大缩短计算时间[7]。
确定本文模拟的计算域为：来流入口到模型迎风面距离为4L，背风面到出口距离为8L，计算域长度为建筑模型长度的13倍，宽度为建筑模型的9倍，模型两侧分别为4W，高度为模型的两倍，即为2H所示。
入口条件采用速度入口Velocity-inlet边界条件，出口条件采用outflow边界条件。环境温度为300K，操作压力为1.013×105Pa。模拟采用三维非结构网格，如图3所示。
3 室外温度对建筑自然通风的影响
由于自然通风房间没有室内设计温度，因此CFD模拟中选取室外温度作为墙体和屋面的外壁面热边界条件，室外温度选取过渡季节与夏季典型室外温度，分别为18℃，27℃，36℃条件下，得到室外温度变化对自然通风的影响。
在不同室外温度条件下，房间的自然通风势必会受到室外空气温度的影响，本文模拟选取过渡季及夏季典型室外温度，研究在不同室外温度条件下房间的自然通风过程。假定室内热源均匀分布于地面，热源强度为50W/m2固定不变，房间通风形式分为双面通风。
在忽略室外风速的情况下，房间迎风面、背风面窗户全面开启，室内热源为50W/m2固定不变，模拟在双面通风条件下室外温度变化对室内自然通风的影响。表1为不同室外温度工况的参数设定。
3.1 速度场分布
由图4不同室外温度工况的室内速度场分布可以看出：①房间的速度场的分布规律并没有因室外温度的变化而发生改变。②随着室外温度的升高，室内空气流速有所减小，表明室外温度的升高阻碍了室内空气的流动。③窗口处的高速区的速度值随着室外温度的升高而有所减小，可以看出室外温度的升高使得室外空气流入室内的阻力有所增加。
3.2 密度场分布
由图5不同室外温度工况的室内密度场分布可以看出：①房间内空气密度存在明显的分层现象，随着竖直高度的增加，空气密度逐渐增大。②室外气流流入室内，随着室外温度的升高，室内空气密度有所增大，从而使得室内外空气密度差减小，阻碍室内外空气的交换。
3.3 压力场分布
由图6可以看出，不管室外温度如何变化，各计算工况的压力场具有相同的压力变化规律：①房间压力存在明显的分层现象，室内压力小于室外压力，房间上部压力大于底部的压力值。②室内压力随着室外温度的升高有所增大，使得室内外压差减小，从而我们可以得出室外温度的升高不利于地面空气升腾，是不利于室内的自然通风的。
3.4 中和面分布
由表2中和面高度随室外温度的变化我们可以看出：①室外温度的升高，会使房间的中和面有所上升，说明在不同的典型季节室外温度下，房间中和面的高度是不同的，夏季的中和面高度大于过渡季节的中和面高度。②中和面高度有所上升，说明双侧开口增加了房间气流的扰动，有利于房间上下部分的气流混合，使得室外气流温度的变化影响到了中和面的高度。
3.5 换气次数
由表3不同室外温度工况下的换气次数可以看出，室外温度的增加，使得房间的换气次数减小，并且随着室外温度的升高，温度变化对房间换气次数的影响有所减弱。
从而可以得出在双面通风条件下，室外温度的升高同样阻碍了房间污浊气体与室外新鲜气体的交换，不利于房间的自然通风。
4 结论
综上所述，可以得出以下结论：①在双面通风的条件下，室外温度的升高，会使房间的中和面有所上升，说明在不同的典型季节室外温度下，房间中和面的高度是不同的，且双侧开口增加了房间气流的扰动，有利于房间上下部分的气流混合。②在双面通风条件下，室外温度的升高阻碍了室内外空气交换，不利于房间的自然通风。③对于过渡季节，由于室外温度较低，可以充分利用自然通风来实现房间降温，同时补充室内新鲜空气。④在夏季，白天室外温度较高时，应采用空调来满足室内温度需求；当夜间室外温度降低时，可以考虑利用自然通风降低房间围护结构和家具的蓄热量，以减少第二天空调的启动负荷。
参考文献：
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[5]GB 50019-2003，采暖通风与空气调节设计规范[S].
空气流体力学原理范文4
关键词：动压 静压 全压 喷嘴 扩压管
1 引言
某厂3、4号锅炉为东方锅炉厂生产的DG1025/17.4-∏型锅炉，风烟系统由两台一次风机、两台送风机、两台引风机、两台空预器和四台暖风器及风道构成，其中一次风左右侧各一台暖风器，二次风左右侧各一台暖风器。送风机风量采用动叶调节，一次风压采用液力耦合器调节。在运行中有一个奇怪的现象，3、4号炉一二次风暖风器前的压力均低于暖风器后的压力，对此原因作出分析。
2 原因分析
2.1 压力变送器测量不准
每台锅炉左右侧一、二次风暖风器前共4个压力测点，暖风器后共4个压力测点，两台锅炉共16个压力测点，如果16个压力变送器测点同时不准而造成这种现象的可能性不大。但是为保险起见，发电部专工请热工人员对这些测点都进行了检查和吹扫，并没有发现表管有堵塞现象，且检查吹扫完成后，暖风器后压力仍然大于暖风器前的压力，故排除变送器不准的因素。
2.2 就地测点安装位置的影响
首先介绍几个定义：
静压（pi）：由于空气分子不规则运动而撞击于管壁上产生的压力称为静压。静压高于大气压时为正值，低于大气压时为负值。
动压（pb）：指空气流动时产生的压力，只要风管内空气流动就具有一定的动压，其值永远是正的。 计算方法为ρν2/2，ρ为流体密度，ν为流体速度（矢量）。
全压（pq）：是静压和动压的代数和。
笔者通过现场检查发现，一二次风暖风器前后压力测点安装位置和方向不同，暖风器前的压力测点安装于送风机和一次风机出口风道，垂直于送风管道和一次风管道，如图1所示。而暖风器后的压力测点是斜插入送风和一次风管道安装，如图2所示。
速度是一个矢量，当测点位置垂直于风速安装时，速度的垂直分量为零，所以暖风器前压力所测值即为静压。而暖风器后压力测点位置是斜插入风道，其所测值为静压+动压分量，故所测值暖风器后压力高于暖风器前压力。
2.3 管道形状变化的影响：
送风管道和一次风管道在暖风器前均直径增大，形成一个渐扩管，如图3所示。
我们知道喷嘴（喷管）的作用是使工质流过后速度增加而压力降低，工程上有一种与喷管作用相反的设备，称为扩压管。它的作用是使工质流过后，速度降低而压力升高。气体在扩压管中的能量转换过程，正好和喷管中的过程相反，当介质流速小于音速时，即Cf < C时，扩压管为渐扩形，当介质流速大于音速时，即Cf < C时，扩压管为渐缩形，送风机和一次风机出口风速均小于音速，所以暖风器入口处即是一个扩压管。
根据伯努力方程p1v1+1/2m c12= p2v2+1/2mc22（气体势能忽略不计）
p1 -扩压管前工质压力 p2 -扩压管后工质压力
v1 -扩压管前工质比容 v2 -扩压管后工质比容
c1 -扩压管前工质速度 c2 -扩压管后工质速度
因为v1=v2，c1>c2，所以p1
工质流过暖风器，有节流损失，当暖风器清洁时，暖风器的节流作用小于扩压管的增压作用，使得所侧值暖风器后压力大于暖风器前压力。
3 问题研究的意义
明白了暖风器前后压力的变化原理，我们可以通过暖风器前后压力的变化来判断暖风器是否堵塞，这对防止风机喘振很有意义。
当暖风器堵塞时，暖风器的节流损失增大，使得暖风器后的压力下降；若送风机或一次风机出力不变，即送风机动叶和一次风机勺管开度不变时，由于暖风器堵塞，送风机和一次风机出口风速降低，即流体动压减小，因送风机和一次风机出力不变，故流体全压一定，因此静压增大，即所测值暖风器前压力升高。当暖风器堵塞严重时，暖风器前的压力便开始高于暖风器后的压力。
实际运行中也是如此，笔者所在电厂位于华北地区，每年春天都有柳絮和杨絮飘飞，造成暖风器脏污，通过暖风器前后压力的变化趋势，很容易就发现暖风器的脏污程度，当暖风机前的压力大于暖风器后压力时，部门通过组织及时的清洗，有效避免了送风机喘振的发生。
参考文献：
空气流体力学原理范文5
【关键词】风机循环模型；风机场地选取
1、风的形成
水平气压梯度力是形成风的直接原因。理解风的根本成因，先要弄清一个关键的概念：气压。空气分子时时刻刻都在运动，并和周边物体发生碰撞。气压可以定义为：在一个给定区域内，空气分子在该区域施加的压力大小。一般而言，在其他条件相同的情况下，体积一定的区域空气分子存在越多，这个区域的气压就越大。总之，风是气压梯度力作用的结果。气压的变化往往是地表受热不均引起的，有些是在一定的水平区域上，风是由大气分子被迫从气压相对较高的地带流向低气压地带引起的。
风就是空气产生运动的外在表现形式，主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；再高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。这种高纬度与低纬度之间的温度差异，形成了南北之间的气压梯度，使空气作水平运动，风应沿水平气压梯度方向吹，即垂直与等压线从高压向低压吹。
地球在自转，使空气水平运动发生偏向的力，称为地转偏向力，这种力使北半球气流向右偏转，南半球向右偏转，所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受地转偏向里的影响。大气真实运动是这两力综合影响的结果。
地面风在很大程度上受海洋、地形的影响，不同的下垫面对风也有影响，如城市、森林、冰雪覆盖地区等都有相应的影响。光滑地面或摩擦小的地面使风速增大，粗糙地面使风速减小等。本文研究的是理想风场，即地面因素忽略不考虑。
总结起来，从热力学角度来看，气压的大小往往与分子运动的速度有关，而温度往往是分子所具有动能的量度。风是因为温度的不同造成的空气对流现象。
2、风力发电
风的形成乃是空气流动的结果。风能利用形成主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能。风力发电则是把风能转化为电能。
风是一种潜力很大的新能源，目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。
铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。
一般说来，3级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速每秒为9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒为6米时，只有16千瓦；而风速为每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。
总的概括起来，风力发电机其实就是一个把风能以轴功输出并将其转化为电能的装置。
3、广义循环的探究
假设现有相邻的A、B两地，A地接受到的太阳辐射能高，B地接受到的太阳辐射能低，那么A地的的温度就会高于B地。按照风的形成原理，在A、B两地之间就会形成风。我们在形成风的地方，安装风力发电机。
为了使问题能够研究，我们做一下简化。
为了便于研究，忽略重力和地球的自转。这样我们就可以把形成风的过程看作一个工程热力问题。
假设，A地温度为T1，B地温度为T2。当T1-T2Tw时，就会形成风。其中Tw为形成风的最小温差。
当形成风后，B地冷空气流向A地，使A地温度降低，当T1-T2Tw时，风就会停止。
空气的构成包括：氮分子（占空气总体积的78%）、氧分子（约占 21%）、水蒸气和其他微量成分。为了便于研究，我们将空气中的水蒸气和其他微量成分忽略掉，认为空气是由氮分子（占空气总体积的78%）、氧分子（约占21%）组成的均匀物质。我们取这样的空气为工质。
很显然单单考虑接近地面空气的流动，这显然是一个开口系。由于空气对流，A地的空气还是会对流到B地的这样就构成了一个闭口系。
工质在A地对流层上层的温度为T1，压强为p1，比体积为v1。在A地对流层的上层的经过多变过程1（放热、膨胀、降温――）流到到B地对流层的上层时，温度为T2，压强为p2，比体积为v2。在B地等容放热，流到B地的对流层下层温度达到T3，压强为p3，比体积为v3。在对流层的下层，经过绝能等熵、流动到A地对流层下层时达到T4，压强为p4，比体积为v4。在A地经过等容吸热，对流到上层时状态为：温度为T1，压强为p1，比体积为v1。这样就构成了一个循环。我们称这个循环为风机标准动力循环。
，这个与实际情况不符。这是由于我们在建立循环的时候为了简便，把3-4过程看做了等熵流动，其实它与重力以及地球的自旋有关。
空气流体力学原理范文6
关键词：风力发电机组 冷却技术 优化设计
一、引言
风力发电机组的损耗是决定变频柜、发电机温升的主要参数。风力发电机组作为一种能量转换机构，在能量转换过程中不可避免地要产生能量损耗，这些损耗的能量最终绝大部分变成热量，使风力发电机组各部件温度升高。尤其是兆瓦级直驱式风力发电机组（无齿轮箱设计），它的工作原理不同于普通的低压大功率绕线发电机，在满负荷工作时，其转子向电网溃电，这时由于定子通入低频励磁电流，定子损耗将远大于普通绕线发电机，所以定、转子总的发热量会较普通绕线电机高出很多；发电机产生的电压、电流通过主动力电缆输送至塔筒底段的变频柜，在整流、滤波、逆变的过程中同样损耗电能而转化为热量，这就需要一种科学的、有效的冷却方法来对风力发电机组进行冷却，从而降低发电机、变频柜温升。但是当前国内对风力发电技术的研究热点多集中在变频、控制系统和机械设计等学科，公开文献中涉及风力发电机组冷却系统的较少，且文献较早，仅简单介绍了风冷式风力发电机组的原理和水冷系统的原理，其内容相对于快速发展的风力发电技术存在较大的滞后。
二、冷却系统介绍
MW级风力发电机组的主要散热集中在发电机和变频柜2大部件，冷却系统的主要任务是将它们产生的热量及时释放到外界环境，确保风力发电机组安全、高效运行。湘电风能海上5 MW直驱式变速恒频风力发电机组的冷却系统为例，其工作过程如图1、图2所示：机组的冷却系统包括风冷与水冷系统两部分，其中风冷系统负责发电机的冷却，水冷系统则负责变频柜的冷却。在风冷系统中，干燥冷空气对发电机进行冷却，温度升高后的冷却空气通过通风管被送至机舱中部上方的排气口，需重新压缩冷却空气再输送到发电机进行下一轮的冷却。水冷系统则是由乙二醇水溶液、空气换热器、水泵、阀门以及温度、压力、流量控制器等部件组成的闭合回路，回路中的冷却介质流经变频柜换热器将它们产生的热量带走，温度升高后进入塔筒底段的外部散热器进行冷却，温度降低后回到变频柜进行下一轮冷却循环。
该5 MW风力发电机组的安装地点为沿海地区，温度范围为-35°C到40°C。风机的启动风速为4 m/s，停机风速为25 m/s，发电功率P与风速vc的关系曲线如图3所示。假设变频柜的效率保持G=97%不变，散热量为发电功率的3%，最高进水温度为50°C，流量为50 L/min，压力损失为0.08MPa。变频柜的散热量为19 kW是最高进水温。
三、重要组件的选型
目前液冷系统中常用的冷却介质有水和乙二醇水溶液。与水相比，乙二醇水溶液具有更好的防冻特性，且通过添加稳定剂、防腐剂等方式可使其换热性能与水相当。根据技术要求，冬季环境的最低温度为-35°C，由文献[3]可知，50%的乙二醇水溶液能够满足使用要求。在实际运行过程中，散热器安装在塔筒底段外部，要求散热器具有良好的散热性；同时，散热器处于湿度较高的沿海地区，应有一定的耐腐蚀性。综合上述要求，选用了具有传热效率高、结构紧凑、轻巧而牢固等特点的铝制错流板翅式换热器。如图4所示，其中A通道为空气流道，B通道为乙二醇溶液通道，通道分布方式为ABABABAB…。
A.空气流道；B.乙二醇溶液通道；
a.换热器芯体宽度；b.换热器芯体高度；
c.换热器芯体厚度
翅片形状根据流体性能和设计使用条件等选定，考虑到风场所在沿海地区空气中含有固体悬浮物，为避免流道堵塞，空气流道选用平直型翅片，而乙二醇水溶液流道则选用高性能的锯齿形翅片。为了保证一定的承压能力，翅片与隔板选用高防锈性的LF21铝合金材料，并根据已知工作条件取隔板厚度为0.813 mm。同时，为了获得均匀的物
流分配效果和使流动阻力损失得到较好抑制，封头选用错排孔板型形式[6-10]。水冷系统管道包括钢管和抗压软管两部分，综合考虑各种因素，选择系统主干管路钢管与抗压软管内径D1=48 mm，支管钢管与抗压软管管内径D2=42 mm，并根据选定管径计算出的沿程阻力与局部阻力，选择合适的循环泵。
四、工作原理
当风力发电机组工作时，第二节塔筒内设有一个密封式冷却液储存器，用来盛装冷却介质，冷却介质通过水泵加压，被输送到管道里，输液管道通向变频柜，变频柜内设有循环水路，冷却介质经循环水路与变频柜进行热交换，对主控制变频柜进行冷却。工作原理见图5。
五、设计思路
密封式冷却液储存器的冷却介质在向变频柜输送冷却液，由于机体表面与流体之间的对流换热，可以通过热传导及物质传递的方式综合进行，当机体表面比流体温度高时，热首先通过传导从机体传给机体壁附近的流体粒子。被传递的能量高于流体粒子的内能，通过流体运动跟流体粒子一起被传递出去。
当被加热的流体粒子到达低温区域时，热再通过传导由高温粒子传递给低温粒子。基于以上原因，在设计时一般可以采用两种方案，第一种方案为尽量增加电机水路系统的储水量，尽量多的增加低温粒子，充分吸收高温粒子热能，尽量多的带走电机的热量；第二种方案为尽量增大冷却介质即流体的流速，让机体产生的热量通过流体运动被流体粒子尽快带走。
六、技术参数
变频柜所用冷却液量： 3t/h；水路的沿程损失：2～3 bar；入口水温度≤45e；塔筒内温度-40e～55e；水压≤5bar。
七、设计方案
（一）、第一种方案
在第一种设计方案时将变频柜水路系统的参数设置如表1所示。
以上参数中，水路截面积、水力直径、水路长度、局部阻力损失系数等皆与变频柜整体结构有关。一旦变频柜整体结构确定则调整空间不大。由于冷却介质流量已经确定，因此我们只要计算出来变频柜的水阻符合技术要求即可。根据公式V=QS可求出冷却介质流速V=0. 406m/s。式中， V）冷却介质的流速；Q）冷却介质流量；S）水路截面积。
另外根据公式Re=Vdv求出雷诺数Re=8 993式中，Re）雷诺数； V）冷却介质的流速； v）50e时水的运动粘度。然后根据公式 求出沿程损失系数，在此式中管壁粗糙度的选取需要考虑管壁本身加工粗糙程度及管路焊缝粗糙程度，经验值在1～3之间选取。式中，K）沿程损失系数；$）管壁粗糙度；d）水力直径。
最后根据式 求出即水阻式中，$P）压差；F）局部阻力损失；Q）冷却介质密度；L）水路长度。如求水阻与技术要求不符，可在出水口设置调节水阀，来调节水阻，这种做法目前在有些风力发电机组制造商仍在使用。但按照以上要求设计后，变频柜做试验后温升偏高。
（二）、第二种设计方案
在保持原初始条件不变的情况下，只改变变频柜水路参数，参数见表2。
根据以上冷却介质流速公式、雷诺数公式可以求出此方案中V=0. 914m/s，Re=29 840，雷诺数可见，冷却介质紊流程度大大加强。变频柜做试验后，温升降低，达到设计要求。
八、分析原因
对流换热传递能量时，要受传导及物质传递两方面的影响。除了液体金属以外，一般流体的导热系数都比较小，所以能量的传递主要依靠流体粒子的混乱运动。采取第一种方案，虽然变频柜冷却水压及水阻都符合要求，但是冷却介质在通过水阀后，水路截面积放大，水压得到释放，冷却介质的流速及紊流强度都变小，宏观的混合运动也变弱，对能量的传递大为不利，虽然这时低温粒子量多，但是由于流速低，所以需要的温度梯度大。因此这种方案变频柜温升偏高，目前风力发电机组制造商已在逐渐取消这种做法。采取第二种方案，虽然变频柜储水量减少，但冷却介质流速及紊流强度得到加强，低温流体与高温流体间的混合运动得以促进，这虽对单纯的传导机理不重要，但是对能量传递确非常有利。换句话说由于冷却介质流速高，因此在换热时需要的温度梯度低，单位时间内，质子带走热量快，变频柜温升得以降低，此种方案将成为变频柜冷却系统设计的主要思路。
九、结语
我国对于 5MW风力发电机组的研发生产已日臻成熟，但涉及兆瓦级风力发电机组本体冷却技术的公开文献很少。针对此问题本文围绕目前5MW风力发电机组本体的冷却系统，进行了设计方法研究，介绍了一套5MW风力发电机组水冷系统选型及优化方案，对今后开展大功率风力发电机组水冷系统的研究具有一定参考价值。
参考文献：
[1] 蒋炎龙，元伟伟等.兆瓦级风力发电机水冷系统的优化设计.南京航空航天大学学报. 2008.
[2] 汤蕴，史乃.电机学.北京：机械工业出版社，2001. 6.
[3] 西川兼康，藤田恭伸.传热学.北京：兵器工业出版社， 1990. 10.
