邢驍孟曉靜茍紅松

1中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

2西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院

3中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司

工業(yè)熱廠房中垂直溫度梯度較大，通常采用熱壓通風(fēng)排除室內(nèi)余熱。然而，當(dāng)廠房不能保證足夠的自然進(jìn)，排風(fēng)口面積或是室內(nèi)熱源強(qiáng)度過(guò)大時(shí)都會(huì)導(dǎo)致熱壓通風(fēng)不能滿足工作區(qū)衛(wèi)生要求。在實(shí)際工程中通常人們?cè)趶S房屋頂或側(cè)墻增設(shè)機(jī)械排風(fēng)裝置以期獲得更大通風(fēng)量，從而形成熱壓通風(fēng)與機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合的復(fù)合通風(fēng)方式[1]。但在自然通風(fēng)基礎(chǔ)上加入機(jī)械通風(fēng)就可能對(duì)通風(fēng)效果造成增益或抑制影響[2]。如何使機(jī)械通風(fēng)和熱壓通風(fēng)相互增益、共存，而不是相互抵消、排斥[3]，是關(guān)系到復(fù)合通風(fēng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的關(guān)鍵問(wèn)題。本文搭建了具有集中熱源和屋頂機(jī)械排風(fēng)裝置的復(fù)合通風(fēng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并在?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上利用CFD 數(shù)值模擬技術(shù)建立了復(fù)合通風(fēng)數(shù)值預(yù)測(cè)模型，旨在研究工業(yè)熱廠房中機(jī)械排風(fēng)口數(shù)量及其分布形式和機(jī)械排風(fēng)量對(duì)復(fù)合通風(fēng)效果的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

復(fù)合通風(fēng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)[1]，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 數(shù)值預(yù)測(cè)模型

2.1 數(shù)值計(jì)算

使用FLUENT 6.3數(shù)值模擬軟件，建立了與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缦嗤奈锢砟Ｐ?，如圖2所示。

數(shù)值計(jì)算采用 Realizablek-ε模型，Tet/Hybrid 元素選項(xiàng)和TGrid選項(xiàng)網(wǎng)格，模型控制方程通用式則表示為[4]：

式中：φ為通用變量，代表u、v、w、T變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)。

2.2 模型驗(yàn)證

針對(duì)該物理模型，基于前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)值模型的有效性驗(yàn)證和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證所涉及的邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件設(shè)置一覽表

為驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可靠性，將實(shí)驗(yàn)中垂直方向溫度測(cè)試數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比，如圖3所示。將實(shí)驗(yàn)中自然進(jìn)，排風(fēng)口風(fēng)速與數(shù)值模擬對(duì)比，如圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)與模擬垂直方向上溫度分布

圖4 實(shí)驗(yàn)與模擬自然進(jìn)堯排風(fēng)口處速度大小

表2 垂直方向測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的誤差表

表3 自然進(jìn)袁排風(fēng)口速度大小實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的誤差

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬垂直方向上的溫度分布和自然進(jìn)、排風(fēng)口風(fēng)速，將兩者各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差及平均誤差匯總?cè)绫?、表3所示。

總體上看，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，在工程測(cè)量誤差范圍內(nèi)呈現(xiàn)一致性規(guī)律，從而驗(yàn)證了復(fù)合通風(fēng)數(shù)值預(yù)測(cè)模型的可靠性[5]。

3 工業(yè)熱廠房復(fù)合通風(fēng)模型

3.1 物理模型與邊界條件

以復(fù)合通風(fēng)數(shù)值預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)建立了工業(yè)熱廠房復(fù)合通風(fēng)模型，如圖5～8所示。

圖5 廠房側(cè)視圖

圖6 廠房俯視圖

圖7 廠房立面圖

圖8 廠房斜視圖

廠房尺寸：長(zhǎng)×寬×高=10 m×8 m×10 m。廠房的體形系數(shù)為0.545，窗墻比為0.216。自然進(jìn)、排風(fēng)窗，大門，屋頂機(jī)械排風(fēng)機(jī)，側(cè)墻機(jī)械排風(fēng)機(jī)編號(hào)如圖5～8所示。

工業(yè)熱廠房復(fù)合通風(fēng)模型的控制方程、湍流模型及邊界條件設(shè)置與復(fù)合通風(fēng)數(shù)值預(yù)測(cè)模型相同，邊界條件如表4所示。

表4 邊界條件及尺寸大小一覽表

3.2 數(shù)值模擬工況

工作區(qū)位于熱源兩側(cè)P1和P2，工作區(qū)垂直方向分布18個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為0.5 m。工作區(qū)平均溫度取垂直方向上0～2 m范圍內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)的平均值，測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。

圖9 工作區(qū)測(cè)點(diǎn)布置

機(jī)械排風(fēng)口設(shè)置四種開(kāi)啟模式，單個(gè)風(fēng)機(jī)選取2000m3/h，4000m3/h，6000m3/h，8000m3/h，10000m3/h，15000m3/h和20000m3/h七檔排風(fēng)量，如表5所示。

表5 機(jī)械排風(fēng)口的開(kāi)啟模式

3.3 通風(fēng)量計(jì)算結(jié)果及分析

文獻(xiàn)[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)了自然排風(fēng)口短路現(xiàn)象。本文基于數(shù)值模擬技術(shù)提出了對(duì)氣流短路現(xiàn)象進(jìn)行定量表述的有效通風(fēng)量和有效通風(fēng)比兩個(gè)參數(shù)，其中有效通風(fēng)量表示復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)中對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境起到改善作用未被短路的通風(fēng)量，當(dāng)機(jī)械通風(fēng)為排風(fēng)時(shí)有效通風(fēng)量表示為式（2）。有效通風(fēng)比表示復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)中有效通風(fēng)量與機(jī)械通風(fēng)量的比值，當(dāng)有效通風(fēng)比小于100%時(shí)，表明自然通風(fēng)口被機(jī)械通風(fēng)短路，當(dāng)機(jī)械通風(fēng)為排風(fēng)時(shí)，有效通風(fēng)比表示為式（3）。

式中：Ge為有效通風(fēng)量；Gjp為機(jī)械排風(fēng)量；Gzp為自然排風(fēng)口通風(fēng)量；Gzj為自然進(jìn)風(fēng)口通風(fēng)量；ηe為有效通風(fēng)比。

3.3.1 模式一通風(fēng)量計(jì)算結(jié)果及分析

本模式屋頂排風(fēng)機(jī)開(kāi)啟十臺(tái)，復(fù)合通風(fēng)量隨機(jī)械排風(fēng)量的變化如表6。

表6 復(fù)合通風(fēng)量隨機(jī)械排風(fēng)量的變化一覽表

由表6可知，隨機(jī)械排風(fēng)量增加，自然排風(fēng)口由排風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)。當(dāng)自然排風(fēng)為進(jìn)風(fēng)時(shí)，表明自然排風(fēng)口被短路，此時(shí)有效通風(fēng)比小于100%。

由圖10可知，隨機(jī)械排風(fēng)量增加，有效通風(fēng)量增加，而自然排風(fēng)量先減小后增大。當(dāng)廠房為熱壓通風(fēng)時(shí)，有效通風(fēng)量等于自然排風(fēng)量。當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量為2000m3/h時(shí)，機(jī)械排風(fēng)量與自然排風(fēng)量大小基本相同。當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量為4000～6000m3/h時(shí)，自然排風(fēng)量徘徊在0 kg/s左右，表明機(jī)械排風(fēng)量為13.05～19.57 kg/s時(shí)自然排風(fēng)口處于被短路的過(guò)渡階段。當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量大于6000m3/h時(shí)，自然排風(fēng)口短路現(xiàn)象加劇。

圖10 通風(fēng)量隨機(jī)械排風(fēng)量的變化規(guī)律（模式一）

3.3.2 模式二通風(fēng)量計(jì)算結(jié)果及分析

本模式屋頂排風(fēng)機(jī)開(kāi)啟編號(hào)為3和3′兩臺(tái)，復(fù)合通風(fēng)量隨機(jī)械排風(fēng)量的變化如圖11所示。

圖11 通風(fēng)量隨機(jī)械排風(fēng)量的變化規(guī)律（模式二）

由圖11可知，隨機(jī)械排風(fēng)量的增加有效通風(fēng)量增加，而自然排風(fēng)量減小，該模式下的自然排風(fēng)口在風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量?jī)?nèi)未被短路。

3.3.3 模式三通風(fēng)量計(jì)算結(jié)果及分析

本模式屋頂排風(fēng)機(jī)開(kāi)啟編號(hào)為 1，1′，3，3′，5 和 5′六臺(tái)，復(fù)合通風(fēng)量隨機(jī)械排風(fēng)量的變化如圖12所示。

圖12 通風(fēng)量隨機(jī)械排風(fēng)量的變化規(guī)律（模式三）

由圖12 可知，當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量為 6000～10000m3/h，即機(jī)械排風(fēng)量為11.73～19.56 kg/s 時(shí)，自然排風(fēng)口處于被短路的過(guò)渡階段。當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量大于10000m3/h時(shí)，自然排風(fēng)口短路現(xiàn)象加劇。

3.3.4 模式四通風(fēng)量計(jì)算結(jié)果及分析

本模式側(cè)墻排風(fēng)機(jī)開(kāi)啟六臺(tái)，復(fù)合通風(fēng)量隨機(jī)械排風(fēng)量的變化如圖13所示。

圖13 通風(fēng)量隨機(jī)械排風(fēng)量的變化規(guī)律（模式四）

由圖13 可知，當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量為 8000～10000m3/h，即機(jī)械排風(fēng)量為15.64～19.56 kg/s 時(shí)，自然排風(fēng)口處于被短路的過(guò)渡階段。當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量大于10000m3/h時(shí)，自然排風(fēng)口短路現(xiàn)象加劇。

3.3.5 對(duì)比模式三與模式四通風(fēng)量

對(duì)比圖12與圖13，發(fā)現(xiàn)機(jī)械排風(fēng)量相同情況下，自然排風(fēng)口被短路的過(guò)渡階段不同。進(jìn)一步研究，將單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量為 10000 m 3 /h 時(shí)，模式三和模式四的各個(gè)自然排風(fēng)口通風(fēng)量整理如圖14所示。

圖14 單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量為10000 m 3 /h時(shí)的自然排風(fēng)口通風(fēng)量

由圖14 可知，當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量為 10000 m 3 /h時(shí)，屋頂排風(fēng)機(jī)開(kāi)啟六臺(tái)模式下12個(gè)自然排風(fēng)口全都被短路，而側(cè)墻排風(fēng)機(jī)開(kāi)啟六臺(tái)模式下自然排風(fēng)口僅在距離側(cè)墻風(fēng)機(jī)較近的 1，1′ ，6 和 6′ 四個(gè)排風(fēng)口被短路，距離側(cè)墻風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)的8個(gè)自然排風(fēng)口均為排風(fēng)狀態(tài)。因此，當(dāng)機(jī)械排風(fēng)量相同時(shí)，側(cè)墻排風(fēng)機(jī)不易引起自然排風(fēng)口整體短路，且通過(guò)關(guān)閉距離側(cè)墻排風(fēng)機(jī)較近的自然排風(fēng)口可避免短路。

3.4 溫度效率計(jì)算結(jié)果及分析

采用工作區(qū)溫度效率[6]對(duì)工業(yè)熱廠房復(fù)合通風(fēng)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中：ET為溫度效率；tp為排風(fēng)溫度；to為進(jìn)風(fēng)口溫度；tn為工作區(qū)平均溫度。

3.4.1 對(duì)比模式一與模式二溫度效率

模式一與模式二通風(fēng)效率隨機(jī)械排風(fēng)量的變化規(guī)律，如圖15所示。

圖15 模式一與模式二通風(fēng)效率隨機(jī)械排風(fēng)量的變化規(guī)律

由圖15可知，兩種模式下溫度效率隨機(jī)械排風(fēng)量的變化規(guī)律與文獻(xiàn)[1]實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本一致，即隨機(jī)械排風(fēng)量增大，溫度效率整體上都是先增大后降低。模式一下，當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量等于 2000m3/h 時(shí)（總機(jī)械排風(fēng)量為 20000m3/h），溫度效率為最大值，即此時(shí)臨界排風(fēng)量為6.52 kg/s，最佳增益溫度效率為6.83。模式二下，當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量等于10000m3/h時(shí)（總機(jī)械排風(fēng)量為 20000m3/h），溫度效率為最大值，即此時(shí)臨界排風(fēng)量亦為6.52 kg/s，最佳增益溫度效率為6.29。

對(duì)比兩種復(fù)合通風(fēng)模式可知，屋頂排風(fēng)口分散布置與集中布置的臨界排風(fēng)量相同。當(dāng)機(jī)械排風(fēng)量等于臨界排風(fēng)量時(shí)，屋頂排風(fēng)口分散布置最佳增益溫度效率更高。

3.4.2 對(duì)比模式三與模式四溫度效率

模式三與模式四通風(fēng)效率隨機(jī)械排風(fēng)量的變化規(guī)律，如圖16所示。

由圖16可知，隨機(jī)械排風(fēng)量增大，兩種模式下的溫度效率整體上都是先增大后降低。當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量等于4000m3/h時(shí)，兩種模式下的溫度效率均為最大值，即此時(shí)臨界排風(fēng)量等于7.82 kg/s。模式三下，最佳增益溫度效率為7.81，模式四為6.50。當(dāng)機(jī)械排風(fēng)對(duì)溫度效率起增益效果時(shí)，模式三的溫度效率始終大于模式四。當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量大于6000m3/h時(shí)，模式四的溫度效率大于模式三，這是因?yàn)槲蓓斉棚L(fēng)模式相對(duì)側(cè)墻排風(fēng)模式更容易引起自然排風(fēng)口短路。

圖16 模式三與模式四通風(fēng)效率隨機(jī)械排風(fēng)量的變化規(guī)律

以上研究亦可發(fā)現(xiàn)，最佳增益溫度效率都出現(xiàn)在復(fù)合通風(fēng)中自然排風(fēng)量與機(jī)械排風(fēng)量大小最接近的情況下。這表明工業(yè)熱廠房中熱壓通風(fēng)與機(jī)械排風(fēng)聯(lián)合運(yùn)行下的復(fù)合通風(fēng)設(shè)計(jì)，機(jī)械排風(fēng)量宜等于復(fù)合通風(fēng)中熱壓作用下的自然排風(fēng)量。

4 結(jié)論

本文搭建了具有集中熱源和屋頂機(jī)械排風(fēng)裝置的復(fù)合通風(fēng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)建立了復(fù)合通風(fēng)數(shù)值預(yù)測(cè)模型，研究了體形系數(shù)為 0.545，窗墻比為 0.216和室內(nèi)熱源強(qiáng)度為150 W/m3的工業(yè)熱廠房中機(jī)械排風(fēng)口數(shù)量及其分布形式和機(jī)械排風(fēng)量對(duì)復(fù)合通風(fēng)效果的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）提出了對(duì)氣流短路現(xiàn)象進(jìn)行定量表述的有效通風(fēng)量和有效通風(fēng)比兩個(gè)參數(shù)。隨機(jī)械排風(fēng)量的增加，有效通風(fēng)量增加而有效通風(fēng)比減小。當(dāng)有效通風(fēng)比小于100%時(shí)表明自然排風(fēng)口被短路。

2）屋頂排風(fēng)口分散布置與集中布置時(shí)臨界排風(fēng)量相同。當(dāng)機(jī)械排風(fēng)量等于臨界排風(fēng)量時(shí)，屋頂排風(fēng)口分散布置最佳增益溫度效率更高，即屋頂排風(fēng)口分散布置的復(fù)合通風(fēng)模式優(yōu)于排風(fēng)口集中布置。

3）屋頂機(jī)械排風(fēng)比側(cè)墻機(jī)械排風(fēng)更容易引起自然排風(fēng)口短路，而當(dāng)機(jī)械排風(fēng)對(duì)溫度效率起增益效果時(shí)屋頂機(jī)械排風(fēng)模式優(yōu)于側(cè)墻機(jī)械排風(fēng)。

4）為避免自然排風(fēng)口短路，機(jī)械排風(fēng)口距離自然排風(fēng)口不宜過(guò)近，且機(jī)械排風(fēng)量宜等于復(fù)合通風(fēng)中熱壓作用下的自然排風(fēng)量。

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