馮波 王漢青 寇廣孝 胡靚靚

湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

自20世紀(jì)70年代置換通風(fēng)應(yīng)用于工業(yè)廠房以解決工業(yè)廠房的通風(fēng)問題，送風(fēng)圓筒就為置換通風(fēng)的末端而應(yīng)用于工業(yè)通風(fēng)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在20世紀(jì)80年代末，置換通風(fēng)系統(tǒng)幾乎占據(jù)了工業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)50%的市場(chǎng)份額[1～3]。在我國(guó)，置換通風(fēng)起步較晚，但由于其良好的通風(fēng)性能而在工業(yè)、民用建筑中得到大力推廣。置換通風(fēng)系統(tǒng)中，送風(fēng)末端對(duì)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(fēng)的效果已成為當(dāng)前的一個(gè)重要課題。

本文基于計(jì)算流體力學(xué)方法，建立整體焊接廠房置換通風(fēng)用送風(fēng)圓筒仿真模型，模擬了在通風(fēng)模式下內(nèi)部流場(chǎng)。通過對(duì)模擬計(jì)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其送風(fēng)原理的對(duì)比、分析，得到現(xiàn)有送風(fēng)圓筒存在的不足，對(duì)當(dāng)前送風(fēng)筒的優(yōu)化和新型送風(fēng)末端的研制具有指導(dǎo)意義。

1 送風(fēng)圓筒概況

市場(chǎng)常見送風(fēng)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(fēng)圓筒（在圓柱筒體上只有3/4柱面開出風(fēng)口）為例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。如圖1所示為在實(shí)驗(yàn)廠房?jī)?nèi)測(cè)量的置換通風(fēng)用送圓筒詳細(xì)尺寸。

圖1 送風(fēng)圓筒詳細(xì)尺寸

在實(shí)際工況下，通過對(duì)送風(fēng)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(shí)，有合理的送風(fēng)方式，從而滿足不同季節(jié)對(duì)送風(fēng)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(fēng)時(shí)，由于室內(nèi)外溫差不大，基本采用全新風(fēng)的送風(fēng)方式。文章以春季送風(fēng)為例，研究送風(fēng)筒在春季送風(fēng)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(fēng)筒的研制和現(xiàn)有送風(fēng)圓筒的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

圖2 不同季節(jié)送風(fēng)狀況示意圖

2 送風(fēng)筒的計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

2.1 計(jì)算方法

置換通風(fēng)用送風(fēng)圓筒內(nèi)是個(gè)復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)過程，其流動(dòng)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(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

采用Gambit建模平臺(tái)對(duì)送風(fēng)圓筒進(jìn)行三維幾何建模和網(wǎng)格劃分，由于送風(fēng)圓筒為3/4圓柱形，送風(fēng)筒仍為圓形送風(fēng)筒，只有3/4的側(cè)面開有出風(fēng)口，故送風(fēng)有其對(duì)稱性，為減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算時(shí)間，在建模時(shí)僅對(duì)其1/2進(jìn)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(gè)，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(fēng)圓筒模型、網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件設(shè)定

以某焊接廠房春季、夏季送風(fēng)狀況下送風(fēng)圓筒的工作為例進(jìn)行計(jì)算。邊界條件為：入口為速度入口，出口為壓力出口，側(cè)面設(shè)為對(duì)稱邊界。

整體廠房為均勻送風(fēng)，設(shè)計(jì)風(fēng)量為40000m3/h，共有12個(gè)送風(fēng)圓筒，即單個(gè)送風(fēng)圓筒的設(shè)計(jì)風(fēng)量為3333.33m3。由于送風(fēng)時(shí)有各種因素造成送風(fēng)量的不穩(wěn)定，所以在選取送風(fēng)量時(shí)為一段時(shí)間內(nèi)的平均值。在對(duì)某單個(gè)送風(fēng)圓通的送風(fēng)量進(jìn)行測(cè)試時(shí)采用等距離截面法，即將圓形風(fēng)管截面按距離分成n等分，在每等分的中心處測(cè)量風(fēng)速，用該點(diǎn)的速度乘以此點(diǎn)所代表的微元面積即得微元面的風(fēng)量，再將各個(gè)微元面的風(fēng)量相加得到風(fēng)管截面的總送風(fēng)量[6]。

圖4 送風(fēng)圓通風(fēng)量測(cè)試的測(cè)點(diǎn)分布

送風(fēng)筒風(fēng)量測(cè)試的數(shù)據(jù)如表1（風(fēng)速為一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速）所示。

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風(fēng)量的測(cè)試值與設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差為：

三點(diǎn)測(cè)量：(3333.33-3279.6)/3333.33×100%=1.61%

五點(diǎn)測(cè)量：(3352.68-333.33)/3333.33×100%=0.58%

六點(diǎn)測(cè)量：(3369.24-3333.3)/333.333×100%=1.08%

在以設(shè)計(jì)風(fēng)量為實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量的條件下，五點(diǎn)測(cè)試的相對(duì)誤差較小，可認(rèn)為五點(diǎn)測(cè)試的風(fēng)量為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)送風(fēng)筒的實(shí)際風(fēng)量，即送風(fēng)筒入口風(fēng)速為6.12m/s。

3 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及實(shí)驗(yàn)

3.1 計(jì)算結(jié)果

由Fluent軟件計(jì)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(gè)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(fēng)圓筒的底部以及升降盤的周側(cè)存在渦流區(qū)域，對(duì)氣流組織產(chǎn)生影響。圖7所示的對(duì)稱面上的各方向速度分布云圖，在圓筒送風(fēng)時(shí)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(duì)出流方向產(chǎn)生影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)點(diǎn)布置

本次測(cè)試送風(fēng)圓筒由湖南某環(huán)境科技有限公司提供。采用的測(cè)試儀器為多功能測(cè)試儀，型號(hào)為testo 400，其風(fēng)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(cè)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(cè)試送風(fēng)圓筒出口風(fēng)速時(shí)期測(cè)點(diǎn)分布如圖8所示。測(cè)試時(shí)取值為一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)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(cè)點(diǎn)分布

3.2.2測(cè)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(shí)測(cè)速度分布。由圖9可知模擬時(shí)的氣流速度多處于4～6m/s的速度區(qū)間，實(shí)測(cè)時(shí)的氣流速度偏小處于2～5m/s之間，兩者的變化趨勢(shì)基本一致。送風(fēng)筒實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在z=220mm時(shí)有一個(gè)較大值，這是因?yàn)樵谕L(fēng)模式運(yùn)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(shí)它也對(duì)出流產(chǎn)生影響，造成氣流速度的升高和降低。在z=500 mm時(shí)，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(shí)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(fēng)送風(fēng)筒的氣流速度為3～5m/s，此時(shí)在保證焊接工位空氣品質(zhì)的同時(shí)，氣流速度不會(huì)對(duì)焊接工藝產(chǎn)生影響。如果氣流速度大于5m/s則會(huì)對(duì)氣體保護(hù)焊等焊接工藝產(chǎn)生影響，氣流速度過小，焊接時(shí)產(chǎn)生的有害氣體不能及時(shí)地排除，對(duì)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(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比可知：

1）當(dāng)前送風(fēng)圓筒在實(shí)際運(yùn)行時(shí)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(shí)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(fēng)速較??；

3）實(shí)驗(yàn)與模擬的對(duì)比，可以在多方面對(duì)送風(fēng)筒進(jìn)行優(yōu)化。

置換通風(fēng)用送風(fēng)圓筒存在一些不足，改進(jìn)現(xiàn)有送風(fēng)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(fēng)氣流處于理想的范圍內(nèi)，整體提高置換通風(fēng)的效果是下一步的主要工作。

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