工業(yè)廠房送風圓筒內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究

馮波 王漢青 寇廣孝 胡靚靚

湖南工業(yè)大學土木工程學院

0 引言

自20世紀70年代置換通風應用于工業(yè)廠房以解決工業(yè)廠房的通風問題，送風圓筒就為置換通風的末端而應用于工業(yè)通風中。據(jù)統(tǒng)計，在20世紀80年代末，置換通風系統(tǒng)幾乎占據(jù)了工業(yè)通風系統(tǒng)50%的市場份額[1～3]。在我國，置換通風起步較晚，但由于其良好的通風性能而在工業(yè)、民用建筑中得到大力推廣。置換通風系統(tǒng)中，送風末端對室內(nèi)的空氣流速及溫度分布有著顯著的影響，通過末端結(jié)構(gòu)、分布的模擬優(yōu)化來提高置換通風的效果已成為當前的一個重要課題。

本文基于計算流體力學方法，建立整體焊接廠房置換通風用送風圓筒仿真模型，模擬了在通風模式下內(nèi)部流場。通過對模擬計算、實驗結(jié)果及其送風原理的對比、分析，得到現(xiàn)有送風圓筒存在的不足，對當前送風筒的優(yōu)化和新型送風末端的研制具有指導意義。

1 送風圓筒概況

市場常見送風圓筒多為圓柱形、1/2圓柱形、1/4圓柱形以及橢圓柱形等，本文以3/4圓柱形送風圓筒（在圓柱筒體上只有3/4柱面開出風口）為例進行數(shù)值計算。如圖1所示為在實驗廠房內(nèi)測量的置換通風用送圓筒詳細尺寸。

圖1 送風圓筒詳細尺寸

在實際工況下，通過對送風圓筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使其在不同季節(jié)工況下工作時，有合理的送風方式，從而滿足不同季節(jié)對送風狀態(tài)的要求。其不同季節(jié)的工作狀況如圖2[4]所示。在春、秋季節(jié)送風時，由于室內(nèi)外溫差不大，基本采用全新風的送風方式。文章以春季送風為例，研究送風筒在春季送風的工作情況，并以春季的工作情況的數(shù)值模擬情況為新型送風筒的研制和現(xiàn)有送風圓筒的優(yōu)化提供指導。

圖2 不同季節(jié)送風狀況示意圖

2 送風筒的計算模型及網(wǎng)格劃分

2.1 計算方法

置換通風用送風圓筒內(nèi)是個復雜的三維湍流流動過程，其流動控制微分方程為[5]：

其中：veff=v+vt；Keff=KC+vt/σT；σT為常數(shù)。

2.2 計算模型及網(wǎng)格劃分

采用Gambit建模平臺對送風圓筒進行三維幾何建模和網(wǎng)格劃分，由于送風圓筒為3/4圓柱形，送風筒仍為圓形送風筒，只有3/4的側(cè)面開有出風口，故送風有其對稱性，為減少網(wǎng)格數(shù)量和計算時間，在建模時僅對其1/2進行建模及網(wǎng)格劃分，模型、網(wǎng)格劃分見圖3。其中總網(wǎng)格數(shù)為289萬個，其中最大網(wǎng)格體積為60.99mm3，最小網(wǎng)格體積為 0.6339mm3。

圖3 送風圓筒模型、網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件設定

以某焊接廠房春季、夏季送風狀況下送風圓筒的工作為例進行計算。邊界條件為：入口為速度入口，出口為壓力出口，側(cè)面設為對稱邊界。

整體廠房為均勻送風，設計風量為40000m3/h，共有12個送風圓筒，即單個送風圓筒的設計風量為3333.33m3。由于送風時有各種因素造成送風量的不穩(wěn)定，所以在選取送風量時為一段時間內(nèi)的平均值。在對某單個送風圓通的送風量進行測試時采用等距離截面法，即將圓形風管截面按距離分成n等分，在每等分的中心處測量風速，用該點的速度乘以此點所代表的微元面積即得微元面的風量，再將各個微元面的風量相加得到風管截面的總送風量[6]。

圖4 送風圓通風量測試的測點分布

送風筒風量測試的數(shù)據(jù)如表1（風速為一段時間內(nèi)的平均風速）所示。

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風量的測試值與設計值的相對誤差為：

三點測量：(3333.33-3279.6)/3333.33×100%=1.61%

五點測量：(3352.68-333.33)/3333.33×100%=0.58%

六點測量：(3369.24-3333.3)/333.333×100%=1.08%

在以設計風量為實際運行風量的條件下，五點測試的相對誤差較小，可認為五點測試的風量為系統(tǒng)運行時送風筒的實際風量，即送風筒入口風速為6.12m/s。

3 流場計算結(jié)果及實驗

3.1 計算結(jié)果

由Fluent軟件計算得出結(jié)果，截面的速度分布如圖5～7所示。

圖5 出口面速度分布云圖

圖6 xoz截面的速度分布

圖5為出口處速度分布云圖，在每個小出口處氣流分布不均勻，小孔中心的氣流速度大，周圍的氣流速度小。圖6、7所示云圖和矢量圖表明了在送風圓筒的底部以及升降盤的周側(cè)存在渦流區(qū)域，對氣流組織產(chǎn)生影響。圖7所示的對稱面上的各方向速度分布云圖，在圓筒送風時影響出流的主要是z方向的氣流速度，x和y方向的氣流速度主要對出流方向產(chǎn)生影響。

3.2 實驗驗證

3.2.1實驗儀器及測點布置

本次測試送風圓筒由湖南某環(huán)境科技有限公司提供。采用的測試儀器為多功能測試儀，型號為testo 400，其風速探頭為熱敏式（Flow），量程為0.0～20.0m/s，精度根據(jù)不同的測速范圍而不同，具體為±0.01m/s（0.0～1.99m/s），±0.02m/s（2.0～4.9m/s），±0.04m/s（5.0～20.0m/s）。在測試送風圓筒出口風速時期測點分布如圖8所示。測試時取值為一段時間內(nèi)的平均風速（在5s內(nèi)連續(xù)記錄儀器的示值，然后求其平均值）。

圖7 yoz面的速度分布圖

圖8 測點分布

3.2.2測量結(jié)果及分析

圖9所示高度方向上一組出口處的模擬與實測速度分布。由圖9可知模擬時的氣流速度多處于4～6m/s的速度區(qū)間，實測時的氣流速度偏小處于2～5m/s之間，兩者的變化趨勢基本一致。送風筒實際運行時，在z=220mm時有一個較大值，這是因為在通風模式運行下，升降盤在此高度上，使流通面積的突然減小，造成速度的增加。在z=400mm處存在固定轉(zhuǎn)軸的肋板，同時它也對出流產(chǎn)生影響，造成氣流速度的升高和降低。在z=500 mm時，高度增加方向上，由于入口的氣流速度在z方向的分量很大，所以在出口的氣流速度較??；而在高度減小的方向上，因z方向速度的衰減，同時x、y方向分量的增加，使得出口的氣流速度增大。

在高大廠房中理想的置換通風送風筒的氣流速度為3～5m/s，此時在保證焊接工位空氣品質(zhì)的同時，氣流速度不會對焊接工藝產(chǎn)生影響。如果氣流速度大于5m/s則會對氣體保護焊等焊接工藝產(chǎn)生影響，氣流速度過小，焊接時產(chǎn)生的有害氣體不能及時地排除，對人體健康產(chǎn)生危害。

圖9 高度方向上一組出口的速度分布圖

4 結(jié)果及討論

通過模擬計算與現(xiàn)場測試對比可知：

1）當前送風圓筒在實際運行時在高度方向的速度變化較大，在保證焊接工藝的條件下理想出口氣流流速為3～5m/s，而實際出口氣流的速度多小于3m/s，大于5m/s，模擬值多大于5m/s；

2）升降盤處存在明顯的渦流區(qū)域，造成底部區(qū)域的風速較??；

3）實驗與模擬的對比，可以在多方面對送風筒進行優(yōu)化。

置換通風用送風圓筒存在一些不足，改進現(xiàn)有送風圓筒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及出口形狀、大小的優(yōu)化等，使送風氣流處于理想的范圍內(nèi)，整體提高置換通風的效果是下一步的主要工作。

[1] 郭聰.新型置換通風機理模式及其適用性評價研究[D].西安:西安建筑科技大學,2010

[2] A G L Swenson. Nordic experience of displacement ventilationsystems [J]. ASHRAE Transactions, 1989, 95(2): 1013-1017

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[4] 王沨楓.高大廠房整體廠房焊接煙塵控制與置換通風數(shù)值仿真平臺和實驗研究[D]:株洲:湖南工業(yè)大學,2011

[5] 湯廣發(fā),呂文瑚,王漢青.室內(nèi)氣流數(shù)值計算及模型試驗[M].長沙:湖南大學出版社,1989

[6] 周俊凱.冰蓄冷低溫送風空調(diào)系統(tǒng)低溫風口的設計和實驗研究[D].杭州:浙江大學,2004