改良型側(cè)送風(fēng)的數(shù)值計(jì)算研究

魏東，周濤

（1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.核熱工安全與標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)隊(duì)，江蘇 南京 210096）

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民生活品質(zhì)的不斷提高，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境及空氣品質(zhì)的要求越來(lái)越高。包括核電站在內(nèi)的電站的控制室也有健康和安全要求。人們大多數(shù)時(shí)間在室內(nèi)，因此如何在節(jié)約能源同時(shí)讓室內(nèi)環(huán)境達(dá)到健康、舒適。同時(shí)，在包括小型反應(yīng)堆內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)備的腔室內(nèi)更好的傳熱也是一個(gè)前沿課題，充分利用注入的能量同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的污染等要求顯得越發(fā)重要。在對(duì)側(cè)送風(fēng)的研究中，張興惠等人對(duì)角送風(fēng)的研究集中于送風(fēng)口設(shè)置于室內(nèi)中部，回風(fēng)口設(shè)置于頂部進(jìn)行研究，還有劉存等人對(duì)側(cè)送風(fēng)送風(fēng)口設(shè)置最佳高度的研究，以及陳浩南等人對(duì)架空地板對(duì)潔凈室氣流組織影響的模擬研究，于曉明不同氣流組織對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響，但將回風(fēng)口設(shè)置于送風(fēng)口對(duì)墻底部的研究較少。這一改良型式的優(yōu)缺點(diǎn)研究不足，需要進(jìn)一步研究，這也為這一型式的改進(jìn)及對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響提供了參考。

1 研究對(duì)象

1.1 改良型側(cè)送風(fēng)原理

其工作原理如圖1所示。

圖1 改良型側(cè)送風(fēng)工作原理

從圖1中看到，改良型側(cè)送風(fēng)將送風(fēng)口置于工作區(qū)中或者房間2/3處，回風(fēng)口設(shè)置于房間底部且正對(duì)送風(fēng)口。

1.2 幾何模型

根據(jù)圖1，改良型側(cè)送風(fēng)原理。建立的幾何模型如圖2所示。

從圖2中看到，幾何模型尺寸如下高3.2m，長(zhǎng)4m，寬2.4m。室內(nèi)有一臺(tái)電腦，學(xué)生為坐姿。

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)圖2，幾何模型的邊界條件和初始條件設(shè)計(jì)參數(shù)由下表所示。

幾何模型的邊界條件和初始條件設(shè)計(jì)參數(shù)

2 計(jì)算模型

2.1 假設(shè)條件

根據(jù)圖2，幾何模型對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化和假設(shè)：

圖2 幾何模型

①室內(nèi)氣流為不可壓縮常物性牛頓流體、紊流、忽略質(zhì)量力；

②污染物粒子質(zhì)量不計(jì)，并對(duì)氣流流動(dòng)無(wú)影響；

③室內(nèi)空氣為低速流動(dòng)；

④實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)所形成的流場(chǎng)是三維紊流，所以在數(shù)值模擬軟件Airpack中采用紊流模型計(jì)算。

2.2 連續(xù)性方程

式中：ρ—空氣密度，kg/m3；u—空氣沿x軸的流速，m/s；v—空氣沿y軸的流速，m/s；ω—空氣沿z軸的流速，m/s。

2.3 動(dòng)量方程

式中：ρ—空氣密度，kg/m3；u—空氣沿x軸的流速，m/s；v—空氣沿y軸的流速，m/s；ω—空氣沿z軸的流速，m/s；τ—空氣所受粘性力，N/m2；F—流體所受外力，N。

2.4 能量方程

式中：ρ—空氣密度，kg/m3；T—空氣溫度，℃；k—常數(shù)。

2.5 控制方程

式中：φ—通用變量；Γφ—廣義擴(kuò)散項(xiàng)；Sφ—廣義源項(xiàng)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)公式(1)～(6)，得到圖3速度場(chǎng)。其中(a)為改良型側(cè)送風(fēng)速度場(chǎng)分布；(b)為側(cè)送風(fēng)速度場(chǎng)分布。

從圖3可以看到，(a)圖中則在工作區(qū)具有較適宜的風(fēng)速，而(b)中工作區(qū)風(fēng)速非常小。(a)的速度場(chǎng)主要集中于工作區(qū)域，且非工作區(qū)域風(fēng)速很低，(b)則主要集中于非工作區(qū)域即房間頂部。基于以上分析，改良后在不給人吹風(fēng)感的同時(shí)，可快速帶走熱量且較常規(guī)側(cè)送風(fēng)而言風(fēng)速集中于工作區(qū)域，減少冷量的浪費(fèi)。

圖3 速度場(chǎng)

3.2 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)公式(1)～(6)，得到圖4溫度場(chǎng)如下。其中(a)為改良型側(cè)送風(fēng)溫度場(chǎng)場(chǎng)分布；(b)為側(cè)送風(fēng)溫度場(chǎng)分布。

圖4 溫度場(chǎng)

從圖4可以看到，(a)溫度基本穩(wěn)定在25℃，即使熱源也都在26℃以下，非工作區(qū)域也都維持在25.7℃。(b)的溫度場(chǎng)溫度基本維持在27℃，熱源處溫度較高30℃。通過(guò)以上對(duì)比，改良后的側(cè)送風(fēng)溫度場(chǎng)相對(duì)更加均衡，且溫度普遍低于側(cè)送風(fēng)，工作區(qū)溫度也穩(wěn)定在25℃左右。

3.3 空氣齡計(jì)算結(jié)果

根據(jù)公式(1)～(6)，得到圖5空氣齡分布所示。其中(a)為改良型側(cè)空氣齡場(chǎng)分布；(b)為側(cè)送風(fēng)空氣齡場(chǎng)分布。

從圖5可以看到，兩者的空氣齡在室內(nèi)的分布圖中(a)工作區(qū)的空氣齡在80s左右，而相對(duì)的(b)工作區(qū)的空氣齡基本在117s左右。(a)中空氣齡相對(duì)(b)中低了46.25%，可以得到改良型側(cè)送風(fēng)在工作區(qū)的空氣齡要遠(yuǎn)低于側(cè)送風(fēng)的空氣齡，改良后可更快帶走房間內(nèi)的污染物，讓工作區(qū)始終保持更好的空氣品質(zhì)。

圖5 空氣齡分布

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)改良型側(cè)送風(fēng)及側(cè)送風(fēng)研究進(jìn)行計(jì)算，得到改良型側(cè)送風(fēng)速度場(chǎng)，溫度場(chǎng)，空氣齡的變化規(guī)律。

①改良型側(cè)送風(fēng)在較低流速時(shí)仍能在工作區(qū)具有一定風(fēng)速，且速度較測(cè)送風(fēng)速度分布更均勻。改良型側(cè)送風(fēng)下較側(cè)送風(fēng)其工作區(qū)速度提升了70%及以上，在保證了沒(méi)有明顯的吹風(fēng)感同時(shí)可快速帶走熱量。

②改良型側(cè)送風(fēng)溫度場(chǎng)主要集中于工作區(qū)域且溫度相較于側(cè)送風(fēng)下降了2.5℃，同冷量和更低的送風(fēng)風(fēng)速下具有更好的節(jié)能效果和熱舒適性。

③同時(shí)在空氣品質(zhì)上，改良型側(cè)送風(fēng)具有更好的空氣齡分布，其分布較傳統(tǒng)氣流組織要低得多，且對(duì)于污染源排氣迅速。改良后空氣齡相對(duì)下降了12%，配合工作區(qū)更高的風(fēng)速能快速除去污染物及改善污染源對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響，因此具有更好的室內(nèi)空氣品質(zhì)。