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空氣流體力學原理范文1
關鍵詞：空調進氣格柵 水管理 氣管理
中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0112-02
乘用車空調進氣格柵是前擋風玻璃、發動機艙蓋、翼子板之間的外飾覆蓋件，縱向連接前風擋玻璃以及發動機艙蓋，橫向連接左右翼子板，一般為黑色塑料件，實物外觀以及整車位置如圖1所示。
空調進氣格柵與車身鈑金共同圍成一個空腔，在這個空腔里布置有前雨刮系統以及空調系統的進氣口，空調進氣格柵是空調系統新鮮空氣的入口，同時保護雨刮系統以及空調系統免受雨水侵蝕，空腔是水流及氣流的通道，該文重點介紹空調進氣格柵的水、氣等功能設計的開發。
1 氣管理
空氣通過發動機艙蓋與空調進氣格柵之間間隙進入，通過空調進氣格柵開口到達車身空調進氣腔，在腔內流動并通過位于腔內的空調進氣口最終進入空調箱，實現冷熱調節后按客戶設置經由吹面風道、除霜風道送達至目標區域，如圖2進氣流路斷面示意圖。
氣體在管道內流動實質是通過犧牲自身能量以克服流動阻力的過程，空調鼓風功能本質上是鼓風機模塊所產生的壓力克服氣流流路上流動阻力的結果，進氣氣路上壓降的大小直接影響鼓風模塊功耗，該文主要涉及空調箱進氣口上游進氣通道，確保其在一定空氣流量情況下流阻處于合理水平?？傋枇p失主要由摩擦阻力和局部阻力構成。摩擦阻力損失是指氣體沿管道流動時由于質點間的內摩擦力及與管壁之間的外摩擦而引起的能量損失，壓力降參考范寧公式：
局部阻力損失：當氣體流過的管道發生局部變化時，就在管道的局部化地區發生氣體與管壁的沖擊，因而造成一部分能量損失。
工程上常見的流體流速范圍內，摩擦系數λ近似等于常數。當管路及輸送的流體一定時，l、d、Σζ、ρ均為定值，故R等于常數，稱之為阻力系數。項目設計上，用阻力系數（R值）來表征進氣流道的流阻大?。篟=P/Q2（其中P為流道靜壓降Pa；Q為空氣流量l/s），阻力系數（R值）表征的是流道順暢程度。理論上，流道結構不變的情況下，R值也唯一。
空調進氣壓降設計工作中通常借助計算流體商業軟件進行虛擬分析實現，其分析原理基于流體力學理論，計算過程涉及流體力學連續性方程，即運動流體物質守恒方程以及動量方程，及流體流動過程中受各種力作用下的平衡方程[1，2]。分析步驟從數據的收集到前處理劃分網格，設置邊界條件，到計算輸出結果，其中網格生成采用四面體畫法，最后通過生成的網格導人Fluent軟件進行計算。
通過計算機仿真技術的應用以及經驗積累發現，空調進氣格柵開口面積、位置，空調進氣格柵與發動機艙蓋之間的間隙大小，車身空調進氣腔結構形式等都是影響阻力系數的關鍵因素?？照{進氣格柵開口面積越大，進氣阻力越小，但是過大的開口面積，會導致車身空調進氣腔排水負擔過重，排水不及時等問題，因此開口面積的大小需要根據整車空氣流量的大小并結合車身空調進氣腔的排水能力綜合制定。為確保整車開發過程中空調進氣壓降設計上處于合理水平，空調進氣格柵進氣面必須布置在正壓區，為保證空調進氣口的水汽分離，空調進氣格柵上的開口距離空調進氣口距離至少大于250 mm。車身空調進氣腔結構受前艙區域總布置得影響，在保證前艙布置的前提下，截面面積盡可能大并且均勻一致，車身空調進氣腔寬深比大于3，腔內支架的設計也要考慮對氣流的阻力影響。
2 水管理
乘用車空調進氣格柵是前擋風玻璃，發動機艙蓋，翼子板之間的外飾覆蓋件，下雨或洗車時，大部分的水會從車頂沿前擋風玻璃流下，積水從進氣格柵上的孔狀結構流入車身腔體內，從圖2可以看出，乘用車空調進氣格柵區域有雨刮系統，空調進氣口等需要防水的部件，雨刮電機水侵入會導致系統不能正常運行，影響行車安全，空調系統水侵入會影響鼓風機性能，嚴重的甚至會出現水侵入乘客艙，影響車輛最基本的擋風遮雨功能，因此該區域需要考慮安全有效的水管理。前期設計時，要充分考慮空調進氣格柵對外界水流的導向以及車身空腔結構的排水能力，車身空調進氣腔內的積水高度不能超過雨刮電機以及空調進氣口的布置高度，并要有足夠的設計余量。
為提升前期設計的精確度，同樣借助計算機流體動力學軟件來模擬水流狀況，積水高度等，計算采用VOF多相流模型的瞬態模擬，通過定義VOF界面，進行數值模擬，顯示在既定的邊界條件下水的容積，積水的高度以及水流速度等，為空調系統以及雨刮系統的布置提供設計指導[3]。首先對空調進氣格柵、車身空調進氣腔、雨刮系統、空調內循環進氣口，前擋風玻璃等關鍵子系統進行網格劃分，從以上子系統三維幾何模型中提取VOF分析的邊界條件，邊界條件設置完成后，有計算機分析并輸出分析結果，具體結果分析實例如下。
（1）水流高度跟空調內循環進氣口之間的關系，根據計算結果給工程設計提供輸入，如果水流高度超過內循環進氣口高度，需要修改設計降低水流高度或者增加水流擋板防止水侵入。
（2）水流高度跟雨刮電機及連桿機構之間的關系：根據計算結果給工程設計提供輸入，如果水流高度高于雨刮電機的高度，需要修改設計降低水流高度或抬高雨刮電機，防止電機進水影響性能。
車身空調進氣腔是水流和氣流的通道，通常設計時考慮足夠的坡度設計并保證開口面積來加速水流的速度，根據水往低處走的物理常識，中間位置是最高點，將排水口設計在兩側位置低點，從而將水導向兩側安全區域。
3 結語
該文從空調進氣格柵的功能要求著手，從水、氣管理兩方面介紹了關鍵影響因素及其原理，影響因素間存在著相互的制約關系，在設計中需要綜合考慮其對水、氣的影響，該文借助計算機流體軟件模擬該區域的氣流受阻狀況、水流狀況以及積水高度，根據這些數據就可以調整設計找到最優匹配方案，改變了傳統設計中的依靠經驗進行定性分析、缺少定量數據的設計方法，有助于設計優化，從而提高設計開發質量。
參考文獻
[1] 王福軍.計算流體動力學分析――CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：235-238.
空氣流體力學原理范文2
關鍵詞：CFD技術；相似性原理；流體流動
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
由于測量方法和工具的局限性，在流體力學或水力學中，模型實驗是探索復雜流動規律、指導實際工程建設的重要手段。模型實驗原則上是研究尺度縮小或放大了的真實流動。例如，在風洞中進行飛機、高層建筑、大跨度橋梁等模型的吹風實驗，在水槽中進行船艦模型的航行實驗，在水洞中進行小體積昆蟲模型的飛行實驗等。模型實驗和真實流動之間滿足流動相似性，即幾何相似、運動相似、動力相似及初始和邊界條件相似，是保證可由模型實驗結果推知真實流動規律的充要條件。因此，相似性原理是流體力學或水力學教學內容的重要組成部分。
閱覽眾多水力學教材，在講解相似性原理時幾乎都遵從同一模式，即介紹流動相似的概念，給出幾個重要的相似準則，舉例說明相似準則在模型實驗設計中的應用[1,2]。這種模式存在一個明顯的不足，即未從理論上說明為何幾何相似、運動相似、動力相似及初始和邊界條件相似是保證流動相似的充要條件。從某種意義上說，這是一種“填鴨式”的教學方法，導致學生只能知其然，而不知其所以然。一般而言，幾何相似和邊界條件相似因其相對直觀，學生容易理解。但對動力相似的要求，相對比較抽象，很多學生難以理解。在一些流體力學教材中，采用另外一種教學模式，即直接對流動控制方程進行無量綱化處理，進而推導出動力相似參數[3,4]。這種方法從理論上說明了動力相似的必要性，有助于消除學生對動力相似條件的疑惑。
然而，僅使用單純的理論講解，仍難以使學生留下深刻印象，而容易遺忘。如果能結合實際問題，應用相似性原理加以解決，不但能幫助學生理解其奧妙，對所學內容留下深刻印象，并且能鍛煉學生解決實際問題的能力。
CFD技術在解決簡單流動問題時，可得到相當滿意的結果。一些教學工作者已嘗試將其應用到水力學教學中，取得了良好的教學效果。如，趙琴等人利用CFD技術幫助學生理解流線的概念，鞏固對總流能量方程和連續性方程的認識，區別層流和湍流的流動狀態，及圓柱繞流的漩渦脫落特性等[5]。楊忠國等人利用CFD技術對雷諾實驗進行了模擬，可以讓學生在計算機房進行數字化實驗[6]。李國威和董金玲將CFD技術應用到無環量圓柱繞流中，幫助學生對抽象內容進行學習[7]。將CFD技術應用到教學中，因其基于堅實的理論基礎，相對于一般的動畫，可得到真實的流動圖像，并能獲得更深層次的流動信息，能更好地幫助學生理解抽象內容?？捎脭抵祵嶒灤嬲鎸崒嶒?，大大節約教學資源，緩解高校實驗資源不足的問題。同時，如果讓學生自己動手對一些簡單問題進行數值模擬，還可以鍛煉學生自己動手，解決實際問題的能力。
筆者以二維定常不可壓縮管道流動為例，先對其控制方程和邊界條件進行無量綱化處理，從理論上闡明流動相似的充要條件。利用CFD技術對分析結果進行驗證，將理論予以形象化，這樣可以開拓學生的視野，激發學生的學習興趣，加深學生對基礎知識的理解。
1 控制方程和邊界條件的無量綱化處理
二維定常不可壓縮管道流動因其流動簡單，存在理論解，包含了流體流動的一般特征，計算量小等特點，可很好地用于課堂教學中。其控制方程包括連續性方程和動量方程，為：
(1)
(3)
邊界條件為：
①在固壁上：u=0；v=0 (4)
②在進口處，若速度呈均勻分布：u=U；v=0 (5)
③在出口處：αu/ αx=0；v=0；p=0 (6)
式中，x和y分別表示軸向和橫向的坐標；u和v分別表示軸向和橫向的流體速度；p表示流體的壓力；ρ表示流體的密度；μ表示流體的動力黏性系數。因流動不可壓縮，且不考慮溫度的變化，故ρ和μ均為常數。
引入特征長度L(取為管道寬度)，特征速度U(取為進口平均速度)，特征壓力ρU2，可將x，y，u，v和p進行無量綱化，結果如下(帶*號的量為相應的無量綱變量)：
；；；； (7)
代入控制方程(1)～(3)和邊界條件(4)～(6)中，得無量綱控制方程和邊界條件，為：
(8)
(10)
邊界條件為：
①在固壁上：u*=0；v*=0 (11)
②進口處，若速度呈均勻分布：u*=1；v*=0 (12)
③在出口處：αu*/ αx*=0；v*=0；p*=0 (13)
其中，，是一無量綱參數，稱為雷諾數，表征流體慣性力和黏性力之比。
可見，對于二維定常不可壓縮管道流動，只要保證雷諾數相同，即動力學相似，則其無量綱控制方程是完全一樣的。如果同時保證幾何相似的，無量綱邊界條件相同，則其無量綱流動變量(u*，v*，p*)的解也必然是相同的。這樣，流動就是相似的。而如果雷諾數不同，則無量綱流動變量的解就可能不同，則流動不是相似的。因此，對滿足幾何相似和邊界條件相似的同類流動，雷諾數相同是流動相似的必然要求。而雷諾數是密度ρ，特征尺寸L，特征速度U和動力黏性系數μ的組合，也就是說，可以任意改變這4個參數的值，只需保證其組合(雷諾數)相等，就可保證流動的相似性。這樣，為模型實驗提供了廣闊的設計空間。如根據實驗條件和測量手段的不同，可以靈活地用空氣流動模擬水的流動，用較慢速度的流動模擬較快速度的流動，用小管流動模擬大管流動等，反之亦然。
2 數值驗證
由前面的分析可知，對滿足流動相似的流動，相同無量綱位置處的無量綱流動變量必然相等，反之亦然。在滿足幾何相似、邊界條件相似的前提下，動力相似(在此表現為雷諾數相同)是保證流動相似的必然要求。為驗證前面所述理論，以二維定常不可壓縮管道流動為例，設計6種工況。二維管道的寬為L，長為10 L，網格尺寸取為0.05 L，這樣，可將整個計算區域劃分為4 000個矩形網格。計算域幾何、計算網格、邊界條件如圖1所示。6種工況中各參數取值見表1，工況1至工況4的雷諾數為100，工況5和工況6中雷諾數為500，但特征尺寸、特征速度、流體密度和動力黏性系數取不同的數值。
使用商業軟件Fluent對流動進行模擬。控制方程的空間離散格式取二階迎風格式。計算中，每種工況迭代300步后，流動即可收斂，在CPU主頻為1.86 G的個人PC機上耗時約20秒。
將計算結果進行無量綱化，以考察雷諾數對流動相似性的影響，不失一般性，取進口處的無量綱壓力(見表2)和出口處的無量綱速度分布(如圖2所示)進行分析?？梢钥吹?，若雷諾數相同，進口處的無量綱壓力和出口處的無量綱速度分布都是相同的。若雷諾數不同，則無量綱壓力和無量綱速度分布都不同。理論上，二維無限長管道流動的速度剖面應為拋物型分布?，F管道為有限長，在慣性力和黏性力的共同作用下，從進口到出口的流動過程中，速度分布由均勻分布向拋物型分布逐漸發展。其中慣性力的作用是保持原有的流動狀態(即維持速度均勻分布的狀態)，而黏性力則驅使流動向最終穩定狀態(即速度為拋物型分布)演化。因此，慣性力相對越大(即雷諾數越大)，速度的演化過程越慢。從圖2看到，當雷諾數較小時(工況1至工況4)，速度演化較快，10 L的管道長度足以保證流動速度演化到穩定狀態，因此出口處的速度已經達到拋物型分布。而當雷諾數較大時(工況5和工況6)，速度演化較慢，10 L的管道長度還不足以使流動速度演化到穩定狀態，出口速度分布還未發展到拋物型分布。
3 結束語
流動相似性原理是流體力學或水力學教學內容的重要組成部分，是建立模型實驗和實際工程流動問題間相互聯系的紐帶。采用對流動控制方程進行無量綱化，從理論上推出流動動力相似的條件，可以幫助學生更好地理解流動動力相似條件的必要性。
采用CFD技術對二維定常不可壓縮管道流動進行數值模擬，操作簡單，計算速度快，可方便地用于課堂教學，以加深學生對相似性原理中較為抽象的動力相似的理解和記憶。如果讓學生親自動手完成，更能留下深刻印象，取得良好的教學效果，并能鍛煉學生的動手能力和提高學生解決實際問題的能力。
參考文獻
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空氣流體力學原理范文3
（廣東機電職業技術學院電氣學院，廣州 510550）
摘要：在忽略風壓影響的情況下，對于有穩定內熱源的建筑，室外溫度對建筑物自然通風的影響是十分顯著的。本文采用計算流體力學(CFD) 方法，對具有固定熱源強度的典型民用建筑的自然通風進行數值模擬分析，得出不同室外溫度下的密度場分布、壓力場分布，并得出中和面高度及換氣次數的變化規律。通過分析可知，對于雙面通風形式，隨著室外溫度的升高會導致室內外密度差減小，阻礙室外空氣與室內空氣的交換，不利于房間的自然通風。
關鍵詞 ：室外溫度；熱壓自然通風；中和面；計算流體力學；數值模擬
中圖分類號：TU834.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）24-0163-03
作者簡介：徐小虎（1988-），男，河南濮陽人，助教，研究生，研究方向為空調系統節能控制及系統優化。
0 引言
隨著我國經濟的飛速發展，能源消耗逐年增加，據統計目前我國建筑能耗占社會總能耗的30%左右，因此在我國對建筑節能、綠色建筑的要求日益嚴格。自然通風的合理利用不但能夠可以節約能源，保持良好的室內空氣品質，還可以在一定程度上解決夏季或過渡季節的熱舒適性問題，取代或部分取代建筑空調的使用，緩解城市居住小區的熱環境惡化，近年來越來越多的受到人們的重視[1-4]。在我國暖通空調設計規范中提到建筑物設計時應盡量利用自然通風，設置有效地自然通風設施[5]。
建筑自然通風是由熱壓與風壓共同作用形成的，但由于受到城市的地形和布局、城市建筑高度與建筑間距比值等諸多因素的影響，風壓作用被大大地削弱，從而無法滿足自然通風要求，使得我們不得不關注建筑熱壓作用的重要性。由于風壓變化的隨機性，在我國暖通空調設計規范中，對自然通風的設計僅考慮熱壓作用。
在忽略風壓影響的情況下，對于有穩定內熱源的建筑，室外氣象條件對建筑自然通風的影響是十分顯著的[6]。本文采用計算流體力學（CFD）方法進行模擬，通過改變室外溫度，對具有一般幾何特征的民用建筑的自然通風進行數值模擬，分析熱壓作用下室內流場分布隨室外溫度的變化規律。
1 熱壓作用下的自然通風原理
由于室內外空氣的溫度差及密度差的存在，從而導致沿著建筑物墻體垂直方向上的壓力梯度的出現。由于壓差的作用，驅動室內外空氣的流動，從而形成熱壓作用下的自然通風，如圖1所示。
熱壓的大小與兩開口的高度差和室內外空氣的密度差有關。當室內溫度高于室外溫度時，沿建筑物墻體垂直方向，由下向上壓力逐漸升高。當建筑物上下部均存在開口時，空氣由下部的開口流入，從上部開口流出。反之，則氣流方向相反。自然通風熱壓的大小取決于兩個開口的高度差以及室內外空氣的密度差。實際上，即便只有一個開口存在仍然有自然通風的存在，此時建筑開口可以看成由上下兩個開口疊加放置[7]。
2 自然通風物理模型的建立
本文對熱壓作用下的自然通風進行數值模擬，采用穿堂式通風，兩側窗戶全部開啟，如圖2所示。
2.1 物理模型
選擇幾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。窗尺寸為1.2m×1m（高×寬），室外壓力為標準大氣壓1.013×105Pa。
2.2 計算域及邊界條件
流場計算域的選擇對流場數值模擬的合理性有很大影響，合理選擇計算域不僅能保證流動充分發展還可以減輕計算機硬件負擔，大大縮短計算時間[7]。
確定本文模擬的計算域為：來流入口到模型迎風面距離為4L，背風面到出口距離為8L，計算域長度為建筑模型長度的13倍，寬度為建筑模型的9倍，模型兩側分別為4W，高度為模型的兩倍，即為2H所示。
入口條件采用速度入口Velocity-inlet邊界條件，出口條件采用outflow邊界條件。環境溫度為300K，操作壓力為1.013×105Pa。模擬采用三維非結構網格，如圖3所示。
3 室外溫度對建筑自然通風的影響
由于自然通風房間沒有室內設計溫度，因此CFD模擬中選取室外溫度作為墻體和屋面的外壁面熱邊界條件，室外溫度選取過渡季節與夏季典型室外溫度，分別為18℃，27℃，36℃條件下，得到室外溫度變化對自然通風的影響。
在不同室外溫度條件下，房間的自然通風勢必會受到室外空氣溫度的影響，本文模擬選取過渡季及夏季典型室外溫度，研究在不同室外溫度條件下房間的自然通風過程。假定室內熱源均勻分布于地面，熱源強度為50W/m2固定不變，房間通風形式分為雙面通風。
在忽略室外風速的情況下，房間迎風面、背風面窗戶全面開啟，室內熱源為50W/m2固定不變，模擬在雙面通風條件下室外溫度變化對室內自然通風的影響。表1為不同室外溫度工況的參數設定。
3.1 速度場分布
由圖4不同室外溫度工況的室內速度場分布可以看出：①房間的速度場的分布規律并沒有因室外溫度的變化而發生改變。②隨著室外溫度的升高，室內空氣流速有所減小，表明室外溫度的升高阻礙了室內空氣的流動。③窗口處的高速區的速度值隨著室外溫度的升高而有所減小，可以看出室外溫度的升高使得室外空氣流入室內的阻力有所增加。
3.2 密度場分布
由圖5不同室外溫度工況的室內密度場分布可以看出：①房間內空氣密度存在明顯的分層現象，隨著豎直高度的增加，空氣密度逐漸增大。②室外氣流流入室內，隨著室外溫度的升高，室內空氣密度有所增大，從而使得室內外空氣密度差減小，阻礙室內外空氣的交換。
3.3 壓力場分布
由圖6可以看出，不管室外溫度如何變化，各計算工況的壓力場具有相同的壓力變化規律：①房間壓力存在明顯的分層現象，室內壓力小于室外壓力，房間上部壓力大于底部的壓力值。②室內壓力隨著室外溫度的升高有所增大，使得室內外壓差減小，從而我們可以得出室外溫度的升高不利于地面空氣升騰，是不利于室內的自然通風的。
3.4 中和面分布
由表2中和面高度隨室外溫度的變化我們可以看出：①室外溫度的升高，會使房間的中和面有所上升，說明在不同的典型季節室外溫度下，房間中和面的高度是不同的，夏季的中和面高度大于過渡季節的中和面高度。②中和面高度有所上升，說明雙側開口增加了房間氣流的擾動，有利于房間上下部分的氣流混合，使得室外氣流溫度的變化影響到了中和面的高度。
3.5 換氣次數
由表3不同室外溫度工況下的換氣次數可以看出，室外溫度的增加，使得房間的換氣次數減小，并且隨著室外溫度的升高，溫度變化對房間換氣次數的影響有所減弱。
從而可以得出在雙面通風條件下，室外溫度的升高同樣阻礙了房間污濁氣體與室外新鮮氣體的交換，不利于房間的自然通風。
4 結論
綜上所述，可以得出以下結論：①在雙面通風的條件下，室外溫度的升高，會使房間的中和面有所上升，說明在不同的典型季節室外溫度下，房間中和面的高度是不同的，且雙側開口增加了房間氣流的擾動，有利于房間上下部分的氣流混合。②在雙面通風條件下，室外溫度的升高阻礙了室內外空氣交換，不利于房間的自然通風。③對于過渡季節，由于室外溫度較低，可以充分利用自然通風來實現房間降溫，同時補充室內新鮮空氣。④在夏季，白天室外溫度較高時，應采用空調來滿足室內溫度需求；當夜間室外溫度降低時，可以考慮利用自然通風降低房間圍護結構和家具的蓄熱量，以減少第二天空調的啟動負荷。
參考文獻：
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空氣流體力學原理范文4
關鍵詞：動壓 靜壓 全壓 噴嘴 擴壓管
1 引言
某廠3、4號鍋爐為東方鍋爐廠生產的DG1025/17.4-∏型鍋爐，風煙系統由兩臺一次風機、兩臺送風機、兩臺引風機、兩臺空預器和四臺暖風器及風道構成，其中一次風左右側各一臺暖風器，二次風左右側各一臺暖風器。送風機風量采用動葉調節，一次風壓采用液力耦合器調節。在運行中有一個奇怪的現象，3、4號爐一二次風暖風器前的壓力均低于暖風器后的壓力，對此原因作出分析。
2 原因分析
2.1 壓力變送器測量不準
每臺鍋爐左右側一、二次風暖風器前共4個壓力測點，暖風器后共4個壓力測點，兩臺鍋爐共16個壓力測點，如果16個壓力變送器測點同時不準而造成這種現象的可能性不大。但是為保險起見，發電部專工請熱工人員對這些測點都進行了檢查和吹掃，并沒有發現表管有堵塞現象，且檢查吹掃完成后，暖風器后壓力仍然大于暖風器前的壓力，故排除變送器不準的因素。
2.2 就地測點安裝位置的影響
首先介紹幾個定義：
靜壓（pi）：由于空氣分子不規則運動而撞擊于管壁上產生的壓力稱為靜壓。靜壓高于大氣壓時為正值，低于大氣壓時為負值。
動壓（pb）：指空氣流動時產生的壓力，只要風管內空氣流動就具有一定的動壓，其值永遠是正的。 計算方法為ρν2/2，ρ為流體密度，ν為流體速度（矢量）。
全壓（pq）：是靜壓和動壓的代數和。
筆者通過現場檢查發現，一二次風暖風器前后壓力測點安裝位置和方向不同，暖風器前的壓力測點安裝于送風機和一次風機出口風道，垂直于送風管道和一次風管道，如圖1所示。而暖風器后的壓力測點是斜插入送風和一次風管道安裝，如圖2所示。
速度是一個矢量，當測點位置垂直于風速安裝時，速度的垂直分量為零，所以暖風器前壓力所測值即為靜壓。而暖風器后壓力測點位置是斜插入風道，其所測值為靜壓+動壓分量，故所測值暖風器后壓力高于暖風器前壓力。
2.3 管道形狀變化的影響：
送風管道和一次風管道在暖風器前均直徑增大，形成一個漸擴管，如圖3所示。
我們知道噴嘴（噴管）的作用是使工質流過后速度增加而壓力降低，工程上有一種與噴管作用相反的設備，稱為擴壓管。它的作用是使工質流過后，速度降低而壓力升高。氣體在擴壓管中的能量轉換過程，正好和噴管中的過程相反，當介質流速小于音速時，即Cf < C時，擴壓管為漸擴形，當介質流速大于音速時，即Cf < C時，擴壓管為漸縮形，送風機和一次風機出口風速均小于音速，所以暖風器入口處即是一個擴壓管。
根據伯努力方程p1v1+1/2m c12= p2v2+1/2mc22（氣體勢能忽略不計）
p1 -擴壓管前工質壓力 p2 -擴壓管后工質壓力
v1 -擴壓管前工質比容 v2 -擴壓管后工質比容
c1 -擴壓管前工質速度 c2 -擴壓管后工質速度
因為v1=v2，c1>c2，所以p1
工質流過暖風器，有節流損失，當暖風器清潔時，暖風器的節流作用小于擴壓管的增壓作用，使得所側值暖風器后壓力大于暖風器前壓力。
3 問題研究的意義
明白了暖風器前后壓力的變化原理，我們可以通過暖風器前后壓力的變化來判斷暖風器是否堵塞，這對防止風機喘振很有意義。
當暖風器堵塞時，暖風器的節流損失增大，使得暖風器后的壓力下降；若送風機或一次風機出力不變，即送風機動葉和一次風機勺管開度不變時，由于暖風器堵塞，送風機和一次風機出口風速降低，即流體動壓減小，因送風機和一次風機出力不變，故流體全壓一定，因此靜壓增大，即所測值暖風器前壓力升高。當暖風器堵塞嚴重時，暖風器前的壓力便開始高于暖風器后的壓力。
實際運行中也是如此，筆者所在電廠位于華北地區，每年春天都有柳絮和楊絮飄飛，造成暖風器臟污，通過暖風器前后壓力的變化趨勢，很容易就發現暖風器的臟污程度，當暖風機前的壓力大于暖風器后壓力時，部門通過組織及時的清洗，有效避免了送風機喘振的發生。
參考文獻：
空氣流體力學原理范文5
【關鍵詞】風機循環模型；風機場地選取
1、風的形成
水平氣壓梯度力是形成風的直接原因。理解風的根本成因，先要弄清一個關鍵的概念：氣壓。空氣分子時時刻刻都在運動，并和周邊物體發生碰撞。氣壓可以定義為：在一個給定區域內，空氣分子在該區域施加的壓力大小。一般而言，在其他條件相同的情況下，體積一定的區域空氣分子存在越多，這個區域的氣壓就越大。總之，風是氣壓梯度力作用的結果。氣壓的變化往往是地表受熱不均引起的，有些是在一定的水平區域上，風是由大氣分子被迫從氣壓相對較高的地帶流向低氣壓地帶引起的。
風就是空氣產生運動的外在表現形式，主要是由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強度不同而形成的。在赤道和低緯度地區，太陽高度角大，日照時間長，太陽輻射強度強，地面和大氣接受的熱量多、溫度較高；再高緯度地區太陽高度角小，日照時間短，地面和大氣接受的熱量小，溫度低。這種高緯度與低緯度之間的溫度差異，形成了南北之間的氣壓梯度，使空氣作水平運動，風應沿水平氣壓梯度方向吹，即垂直與等壓線從高壓向低壓吹。
地球在自轉，使空氣水平運動發生偏向的力，稱為地轉偏向力，這種力使北半球氣流向右偏轉，南半球向右偏轉，所以地球大氣運動除受氣壓梯度力外，還要受地轉偏向里的影響。大氣真實運動是這兩力綜合影響的結果。
地面風在很大程度上受海洋、地形的影響，不同的下墊面對風也有影響，如城市、森林、冰雪覆蓋地區等都有相應的影響。光滑地面或摩擦小的地面使風速增大，粗糙地面使風速減小等。本文研究的是理想風場，即地面因素忽略不考慮。
總結起來，從熱力學角度來看，氣壓的大小往往與分子運動的速度有關，而溫度往往是分子所具有動能的量度。風是因為溫度的不同造成的空氣對流現象。
2、風力發電
風的形成乃是空氣流動的結果。風能利用形成主要是將大氣運動時所具有的動能轉化為其他形式的能。風力發電則是把風能轉化為電能。
風是一種潛力很大的新能源，目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風力在一年內所提供能量的三分之一。因此，國內外都很重視利用風力來發電，開發新能源。
鐵塔是支承風輪、尾舵和發電機的構架。它一般修建得比較高，為的是獲得較大的和較均勻的風力，又要有足夠的強度。鐵塔高度視地面障礙物對風速影響的情況，以及風輪的直徑大小而定，一般在6-20米范圍內。
風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。依據目前的風車技術，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），便可以開始發電。 風力發電正在世界上形成一股熱潮，為風力發電沒有燃料問題，也不會產生輻射或空氣污染。
一般說來，3級風就有利用的價值。但從經濟合理的角度出發，風速大于每秒4米才適宜于發電。據測定，一臺55千瓦的風力發電機組，當風速每秒為9.5米時，機組的輸出功率為55千瓦；當風速每秒8米時，功率為38千瓦；風速每秒為6米時，只有16千瓦；而風速為每秒5米時，僅為9.5千瓦?？梢婏L力愈大，經濟效益也愈大。
總的概括起來，風力發電機其實就是一個把風能以軸功輸出并將其轉化為電能的裝置。
3、廣義循環的探究
假設現有相鄰的A、B兩地，A地接受到的太陽輻射能高，B地接受到的太陽輻射能低，那么A地的的溫度就會高于B地。按照風的形成原理，在A、B兩地之間就會形成風。我們在形成風的地方，安裝風力發電機。
為了使問題能夠研究，我們做一下簡化。
為了便于研究，忽略重力和地球的自轉。這樣我們就可以把形成風的過程看作一個工程熱力問題。
假設，A地溫度為T1，B地溫度為T2。當T1-T2Tw時，就會形成風。其中Tw為形成風的最小溫差。
當形成風后，B地冷空氣流向A地，使A地溫度降低，當T1-T2Tw時，風就會停止。
空氣的構成包括：氮分子（占空氣總體積的78%）、氧分子（約占 21%）、水蒸氣和其他微量成分。為了便于研究，我們將空氣中的水蒸氣和其他微量成分忽略掉，認為空氣是由氮分子（占空氣總體積的78%）、氧分子（約占21%）組成的均勻物質。我們取這樣的空氣為工質。
很顯然單單考慮接近地面空氣的流動，這顯然是一個開口系。由于空氣對流，A地的空氣還是會對流到B地的這樣就構成了一個閉口系。
工質在A地對流層上層的溫度為T1，壓強為p1，比體積為v1。在A地對流層的上層的經過多變過程1（放熱、膨脹、降溫――）流到到B地對流層的上層時，溫度為T2，壓強為p2，比體積為v2。在B地等容放熱，流到B地的對流層下層溫度達到T3，壓強為p3，比體積為v3。在對流層的下層，經過絕能等熵、流動到A地對流層下層時達到T4，壓強為p4，比體積為v4。在A地經過等容吸熱，對流到上層時狀態為：溫度為T1，壓強為p1，比體積為v1。這樣就構成了一個循環。我們稱這個循環為風機標準動力循環。
，這個與實際情況不符。這是由于我們在建立循環的時候為了簡便，把3-4過程看做了等熵流動，其實它與重力以及地球的自旋有關。
空氣流體力學原理范文6
關鍵詞：風力發電機組 冷卻技術 優化設計
一、引言
風力發電機組的損耗是決定變頻柜、發電機溫升的主要參數。風力發電機組作為一種能量轉換機構，在能量轉換過程中不可避免地要產生能量損耗，這些損耗的能量最終絕大部分變成熱量，使風力發電機組各部件溫度升高。尤其是兆瓦級直驅式風力發電機組（無齒輪箱設計），它的工作原理不同于普通的低壓大功率繞線發電機，在滿負荷工作時，其轉子向電網潰電，這時由于定子通入低頻勵磁電流，定子損耗將遠大于普通繞線發電機，所以定、轉子總的發熱量會較普通繞線電機高出很多；發電機產生的電壓、電流通過主動力電纜輸送至塔筒底段的變頻柜，在整流、濾波、逆變的過程中同樣損耗電能而轉化為熱量，這就需要一種科學的、有效的冷卻方法來對風力發電機組進行冷卻，從而降低發電機、變頻柜溫升。但是當前國內對風力發電技術的研究熱點多集中在變頻、控制系統和機械設計等學科，公開文獻中涉及風力發電機組冷卻系統的較少，且文獻較早，僅簡單介紹了風冷式風力發電機組的原理和水冷系統的原理，其內容相對于快速發展的風力發電技術存在較大的滯后。
二、冷卻系統介紹
MW級風力發電機組的主要散熱集中在發電機和變頻柜2大部件，冷卻系統的主要任務是將它們產生的熱量及時釋放到外界環境，確保風力發電機組安全、高效運行。湘電風能海上5 MW直驅式變速恒頻風力發電機組的冷卻系統為例，其工作過程如圖1、圖2所示：機組的冷卻系統包括風冷與水冷系統兩部分，其中風冷系統負責發電機的冷卻，水冷系統則負責變頻柜的冷卻。在風冷系統中，干燥冷空氣對發電機進行冷卻，溫度升高后的冷卻空氣通過通風管被送至機艙中部上方的排氣口，需重新壓縮冷卻空氣再輸送到發電機進行下一輪的冷卻。水冷系統則是由乙二醇水溶液、空氣換熱器、水泵、閥門以及溫度、壓力、流量控制器等部件組成的閉合回路，回路中的冷卻介質流經變頻柜換熱器將它們產生的熱量帶走，溫度升高后進入塔筒底段的外部散熱器進行冷卻，溫度降低后回到變頻柜進行下一輪冷卻循環。
該5 MW風力發電機組的安裝地點為沿海地區，溫度范圍為-35°C到40°C。風機的啟動風速為4 m/s，停機風速為25 m/s，發電功率P與風速vc的關系曲線如圖3所示。假設變頻柜的效率保持G=97%不變，散熱量為發電功率的3%，最高進水溫度為50°C，流量為50 L/min，壓力損失為0.08MPa。變頻柜的散熱量為19 kW是最高進水溫。
三、重要組件的選型
目前液冷系統中常用的冷卻介質有水和乙二醇水溶液。與水相比，乙二醇水溶液具有更好的防凍特性，且通過添加穩定劑、防腐劑等方式可使其換熱性能與水相當。根據技術要求，冬季環境的最低溫度為-35°C，由文獻[3]可知，50%的乙二醇水溶液能夠滿足使用要求。在實際運行過程中，散熱器安裝在塔筒底段外部，要求散熱器具有良好的散熱性；同時，散熱器處于濕度較高的沿海地區，應有一定的耐腐蝕性。綜合上述要求，選用了具有傳熱效率高、結構緊湊、輕巧而牢固等特點的鋁制錯流板翅式換熱器。如圖4所示，其中A通道為空氣流道，B通道為乙二醇溶液通道，通道分布方式為ABABABAB…。
A.空氣流道；B.乙二醇溶液通道；
a.換熱器芯體寬度；b.換熱器芯體高度；
c.換熱器芯體厚度
翅片形狀根據流體性能和設計使用條件等選定，考慮到風場所在沿海地區空氣中含有固體懸浮物，為避免流道堵塞，空氣流道選用平直型翅片，而乙二醇水溶液流道則選用高性能的鋸齒形翅片。為了保證一定的承壓能力，翅片與隔板選用高防銹性的LF21鋁合金材料，并根據已知工作條件取隔板厚度為0.813 mm。同時，為了獲得均勻的物
流分配效果和使流動阻力損失得到較好抑制，封頭選用錯排孔板型形式[6-10]。水冷系統管道包括鋼管和抗壓軟管兩部分，綜合考慮各種因素，選擇系統主干管路鋼管與抗壓軟管內徑D1=48 mm，支管鋼管與抗壓軟管管內徑D2=42 mm，并根據選定管徑計算出的沿程阻力與局部阻力，選擇合適的循環泵。
四、工作原理
當風力發電機組工作時，第二節塔筒內設有一個密封式冷卻液儲存器，用來盛裝冷卻介質，冷卻介質通過水泵加壓，被輸送到管道里，輸液管道通向變頻柜，變頻柜內設有循環水路，冷卻介質經循環水路與變頻柜進行熱交換，對主控制變頻柜進行冷卻。工作原理見圖5。
五、設計思路
密封式冷卻液儲存器的冷卻介質在向變頻柜輸送冷卻液，由于機體表面與流體之間的對流換熱，可以通過熱傳導及物質傳遞的方式綜合進行，當機體表面比流體溫度高時，熱首先通過傳導從機體傳給機體壁附近的流體粒子。被傳遞的能量高于流體粒子的內能，通過流體運動跟流體粒子一起被傳遞出去。
當被加熱的流體粒子到達低溫區域時，熱再通過傳導由高溫粒子傳遞給低溫粒子。基于以上原因，在設計時一般可以采用兩種方案，第一種方案為盡量增加電機水路系統的儲水量，盡量多的增加低溫粒子，充分吸收高溫粒子熱能，盡量多的帶走電機的熱量；第二種方案為盡量增大冷卻介質即流體的流速，讓機體產生的熱量通過流體運動被流體粒子盡快帶走。
六、技術參數
變頻柜所用冷卻液量： 3t/h；水路的沿程損失：2～3 bar；入口水溫度≤45e；塔筒內溫度-40e～55e；水壓≤5bar。
七、設計方案
（一）、第一種方案
在第一種設計方案時將變頻柜水路系統的參數設置如表1所示。
以上參數中，水路截面積、水力直徑、水路長度、局部阻力損失系數等皆與變頻柜整體結構有關。一旦變頻柜整體結構確定則調整空間不大。由于冷卻介質流量已經確定，因此我們只要計算出來變頻柜的水阻符合技術要求即可。根據公式V=QS可求出冷卻介質流速V=0. 406m/s。式中， V）冷卻介質的流速；Q）冷卻介質流量；S）水路截面積。
另外根據公式Re=Vdv求出雷諾數Re=8 993式中，Re）雷諾數； V）冷卻介質的流速； v）50e時水的運動粘度。然后根據公式 求出沿程損失系數，在此式中管壁粗糙度的選取需要考慮管壁本身加工粗糙程度及管路焊縫粗糙程度，經驗值在1～3之間選取。式中，K）沿程損失系數；$）管壁粗糙度；d）水力直徑。
最后根據式 求出即水阻式中，$P）壓差；F）局部阻力損失；Q）冷卻介質密度；L）水路長度。如求水阻與技術要求不符，可在出水口設置調節水閥，來調節水阻，這種做法目前在有些風力發電機組制造商仍在使用。但按照以上要求設計后，變頻柜做試驗后溫升偏高。
（二）、第二種設計方案
在保持原初始條件不變的情況下，只改變變頻柜水路參數，參數見表2。
根據以上冷卻介質流速公式、雷諾數公式可以求出此方案中V=0. 914m/s，Re=29 840，雷諾數可見，冷卻介質紊流程度大大加強。變頻柜做試驗后，溫升降低，達到設計要求。
八、分析原因
對流換熱傳遞能量時，要受傳導及物質傳遞兩方面的影響。除了液體金屬以外，一般流體的導熱系數都比較小，所以能量的傳遞主要依靠流體粒子的混亂運動。采取第一種方案，雖然變頻柜冷卻水壓及水阻都符合要求，但是冷卻介質在通過水閥后，水路截面積放大，水壓得到釋放，冷卻介質的流速及紊流強度都變小，宏觀的混合運動也變弱，對能量的傳遞大為不利，雖然這時低溫粒子量多，但是由于流速低，所以需要的溫度梯度大。因此這種方案變頻柜溫升偏高，目前風力發電機組制造商已在逐漸取消這種做法。采取第二種方案，雖然變頻柜儲水量減少，但冷卻介質流速及紊流強度得到加強，低溫流體與高溫流體間的混合運動得以促進，這雖對單純的傳導機理不重要，但是對能量傳遞確非常有利。換句話說由于冷卻介質流速高，因此在換熱時需要的溫度梯度低，單位時間內，質子帶走熱量快，變頻柜溫升得以降低，此種方案將成為變頻柜冷卻系統設計的主要思路。
九、結語
我國對于 5MW風力發電機組的研發生產已日臻成熟，但涉及兆瓦級風力發電機組本體冷卻技術的公開文獻很少。針對此問題本文圍繞目前5MW風力發電機組本體的冷卻系統，進行了設計方法研究，介紹了一套5MW風力發電機組水冷系統選型及優化方案，對今后開展大功率風力發電機組水冷系統的研究具有一定參考價值。
參考文獻：
[1] 蔣炎龍，元偉偉等.兆瓦級風力發電機水冷系統的優化設計.南京航空航天大學學報. 2008.
[2] 湯蘊，史乃.電機學.北京：機械工業出版社，2001. 6.
[3] 西川兼康，藤田恭伸.傳熱學.北京：兵器工業出版社， 1990. 10.
