送風(fēng)入射角對機(jī)械通風(fēng)的影響研究

唐長江

?

送風(fēng)入射角對機(jī)械通風(fēng)的影響研究

唐長江

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司 重慶 400039）

采用CFD技術(shù)對某火電廠配電間的機(jī)械通風(fēng)降溫效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，重點(diǎn)探討了送風(fēng)入射角度對設(shè)備散熱的影響。研究結(jié)果表明，送風(fēng)入射角度對室內(nèi)溫度場和速度場以及熱源換熱有較大影響。送風(fēng)入射角為60°時(shí)，送風(fēng)氣流大部分直接流向熱源區(qū)，此時(shí)速度分布較為均勻，且配電間各典型位置溫度最低；綜合配電間溫度場、速度場和各典型位置溫度分布情況，可以認(rèn)為送風(fēng)入射角為60°時(shí)，通風(fēng)降溫的效果最佳。

火電廠配電間；機(jī)械通風(fēng)；送風(fēng)入射角度；CFD模擬

0 引言

配電間是電廠內(nèi)重要的設(shè)備房間，室內(nèi)一般布置一套至多套配電系統(tǒng)。配電系統(tǒng)一般包括配電盤、變壓器及母線橋等，其中配電盤和變壓器為主要的發(fā)熱設(shè)備，需通風(fēng)降溫。配電間為封閉式房間，室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量較大，且電廠空氣含塵量較大，僅自然通風(fēng)無法滿足設(shè)備的通風(fēng)降溫要求；所以配電間通常采用正壓送風(fēng)加機(jī)械排風(fēng)的方式通風(fēng)降溫。目前在工程實(shí)踐和設(shè)計(jì)中，配電間通風(fēng)量按照熱平衡且采用均勻混合通風(fēng)假設(shè)來確定，送風(fēng)入射角多憑經(jīng)驗(yàn)取值；這種設(shè)計(jì)方法沒有充分考慮有限空間強(qiáng)熱源擾動(dòng)引起的氣流和溫度分布不均的影響，實(shí)際的通風(fēng)效果不能達(dá)到理想狀態(tài)。因此，通過理論研究尋求合理的送風(fēng)方式是配電間通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重要前提。

另一方面，計(jì)算流體力學(xué)CFD是通過數(shù)值模擬方法，分析流體流動(dòng)和傳熱等物理現(xiàn)象的技術(shù)[1]；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)也日趨成熟，目前已廣泛地用來解決各種工程流動(dòng)和傳熱問題[2]。而且近幾年來，數(shù)值模擬方法越來越多地應(yīng)用到暖通空調(diào)領(lǐng)域，用于分析工程問題的速度場、溫度場、污染物濃度場等，成為了工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域不可缺少的手段和方法[3]。

本文將采用CFD模擬技術(shù)對某火電廠配電間機(jī)械通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究其室內(nèi)溫度場、速度場分布規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上分析不同的入角度送風(fēng)對室內(nèi)通風(fēng)降溫效果的影響特征，從而得出最佳通風(fēng)方案。本文研究結(jié)果將為火電廠配電間通風(fēng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考[4-7]。

1 配電間通風(fēng)的CFD模擬方法

1.1 物理模型

某火電廠配電間建筑尺寸為7.5m（長）×15m（寬）×4.2m（高）。室內(nèi)有1m（長）×1m（寬）×2.2m（高）的配電盤10個(gè)；1m（長）×0.8m（寬）×2.2m（高）配電盤12個(gè)；1.45m×（長）2.2m（寬）×2.2m（高）的變壓器2個(gè)，上述設(shè)備均為熱源。用一臺(tái)送風(fēng)機(jī)和四臺(tái)排風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械排風(fēng)，送風(fēng)機(jī)風(fēng)口尺寸為510mm×360mm（長×寬）3個(gè)，排風(fēng)口尺寸為460mm×460mm（長×寬）4個(gè)。在CFD模擬過程中進(jìn)行了部分簡化，具體如下：

（1）配電盤和變壓器均為對稱排列，各自定義為兩個(gè)整體。

（2）因?yàn)橄鄬τ谂潆姳P和變壓器，室內(nèi)的照明，電線等發(fā)熱量較小，不予考慮。

（3）由于建筑體量較大，且設(shè)備均為對稱布置，所以本次模擬建模取實(shí)際模型一半即可[8]。

根據(jù)以上簡化，建立物理模型如圖1所示。送風(fēng)口設(shè)置在送風(fēng)管上，距地面3.1m；排風(fēng)口設(shè)在建筑的側(cè)墻上，距地面2.77m處。圖中Inlet 為送風(fēng)口，out let 為排風(fēng)口；pei dian pan和bian ya qi為內(nèi)熱源。

圖1 物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能力方程，如下所述：

（1）連續(xù)性方程

（2）動(dòng)量方程

（3）能量方程

（4）紊流能量耗散方程

（5）紊流能量傳遞方程

紊流模型采用-雙方程紊流模型。壁面按照固體壁面無滑移邊界條件處理，-模型的近壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法[9]。由于房間壁面換熱較小，采用絕熱邊界條件；送風(fēng)口采用速度入口邊界條件（Velocity inlet），風(fēng)速為9m/s，室外通風(fēng)溫度取306K；取送風(fēng)入射方向與垂直立面之間的角度為送風(fēng)角度；排風(fēng)口采用壓力出口邊界條件（Pressure outlet）；內(nèi)熱源采用除地面外的其余五個(gè)面為面熱源邊界條件，配電盤熱流密度為57.6W/m2，變壓器熱流密度為758.4W/m2；地面（包括熱源底面）和墻體為絕熱邊界條件（wall）；中心面為對稱面邊界條件（symmetry）。另外根據(jù)本通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)，出口溫度定為313K[10]。

基于以上的模型和邊界條件，采用有限體積法對方程進(jìn)行離散，其中對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，離散方程的求解采用速度和壓力的藕合采SIMPLEC算法進(jìn)行求解[11,12]。

2 模擬結(jié)果分析與討論

2.1 室內(nèi)溫度場分布

圖2～圖7給出了送風(fēng)入射角在15°～90°范圍內(nèi)的室內(nèi)高度2.2m斷面的溫度場。

可以看到，溫度場分布距熱源位置越近溫度越高，且在變壓器周圍溫度達(dá)到最高。另一方面，當(dāng)送風(fēng)入射角在15°～60°范圍內(nèi)變化時(shí)，斷面平均溫度隨著送風(fēng)入射角度的增大呈下降趨勢，入射角在60°時(shí)降至最低值；當(dāng)送風(fēng)入射角在60°～90°范圍變化時(shí)，斷面平均溫度隨著送風(fēng)入射角的增大呈上升趨勢，入射角在90°時(shí)達(dá)到最大值。其中送風(fēng)入射角15°時(shí)，室內(nèi)環(huán)境最為惡劣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)要求。

圖2 入射角15度時(shí)2.2米溫度分布

圖3 入射角30度時(shí)2.2米溫度分布圖

圖4 入射角45度時(shí)2.2米溫度分布

圖5 入射角60度時(shí)2.2米溫度分布

圖6 入射角75度時(shí)2.2米溫度分布

圖7 入射角90度時(shí)2.2米溫度分

2.2 室內(nèi)速度場分布

圖8～圖10分別是送風(fēng)入射角為15°、60°、90°時(shí)的熱源中心垂直面的空氣流場分布圖。從圖中可以看到，送風(fēng)入射角為15°和90°的空氣流場中有較多的漩渦區(qū)，整體分布不均勻；當(dāng)入射角為15°時(shí)送風(fēng)氣流大部分向下流動(dòng)，產(chǎn)生漩渦，水平方向流動(dòng)較弱；當(dāng)入射角為90°時(shí)送風(fēng)氣流大部分朝水平方向流動(dòng)，垂直方向流動(dòng)較弱，且在水平方向上產(chǎn)生回流。當(dāng)入射角為60°時(shí)送風(fēng)氣流分布較為均勻，在熱源集中區(qū)域的風(fēng)速普遍較高，效果明顯，氣流組織更合理。

圖8 入射角15度時(shí)X=2.1m流場分布

圖9 入射角60度時(shí)X=2.1m流場分布圖

圖10 入射角90度時(shí)X=2.1m流場分布圖

2.3 模擬數(shù)據(jù)討論

針對模擬結(jié)果：（1）取可代表熱源周圍溫度的三個(gè)平面的平均溫度（Z=0.1m平面、Z=1.1m平面，Z=2.1m平面）；（2）取離高溫面熱源變壓器附近中心點(diǎn)作平均溫度（點(diǎn)1：X=1.1m，Y=2.1m，Z=1.1m；點(diǎn)2：X=2.7m，Y=2.1m，Z=1.1m）；（3）取X方向典型平面（X=2.7m平面）平均溫度。

對上述（1）、（2）、（3）三種方式所取典型面和點(diǎn)的溫度進(jìn)行比較分析，結(jié)果如圖11所示。

圖11 各溫度隨不同入射角的分布圖

3 結(jié)論

（1）當(dāng)送風(fēng)入射角在60°～90°范圍內(nèi)時(shí)，通風(fēng)效果能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）當(dāng)送風(fēng)入射角在15°～90°范圍內(nèi)變化時(shí)，各垂直斷面的平均溫度先下降再升高；送風(fēng)入射角為60°時(shí)該位置溫度最低。

（3）當(dāng)入射角為60°時(shí)送風(fēng)氣流大部分直接流向熱源區(qū)，且速度分布較為均勻。

（4）綜合配電間溫度場、速度場及各典型溫度分布情況，可以認(rèn)為送風(fēng)入射角為60°時(shí)，通風(fēng)降溫的效果最佳。

總之，不同的送風(fēng)入射角度對室內(nèi)通風(fēng)降溫影響很大，在工程中需要結(jié)合實(shí)際，選擇最優(yōu)的送風(fēng)入射角度，才能達(dá)到更好的通風(fēng)效果。

[1] 李鵬飛.精通CFD工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[2] 孫慶寬.CFD仿真技術(shù)在空調(diào)房間溫度場研究中的應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2002,(2):95-98.

[3] Huo Y, Haghighat F, Zhang J S, et a1. A systematic approach to describe the air terminal device in CFD simulation for room air distribution analysis[J]. Building & Environment, 2000,35(6):563-576.

[4] 陳姝,卓獻(xiàn)榮,陳勝.某酒店分體空調(diào)室外環(huán)境的數(shù)值模擬[J].低溫建筑技術(shù),2010,(7):93-95.

[5] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)（第2版）[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

[6] 孫鐵,張俊杰,王亮.送排風(fēng)口位置對污染物空間分布的影響[J].遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2008,10(4): 15-16.

[7] 魏征.地下柴油電站通風(fēng)降溫CFD模擬[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2009,28(4):67-70.

[8] 朱錚,楊其才,劉剛,等.電廠自然通風(fēng)方式的選擇[J].制冷與空調(diào),2011,25(2):138-142.

[9] 楊春英,董惠.有室內(nèi)熱源自然與機(jī)械通風(fēng)環(huán)境溫度實(shí)驗(yàn)比較[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2011,25(2)173-177.

[10] 張淑紅,陶樂仁,鄭志皋,等.機(jī)械通風(fēng)糧倉冷卻效果的模型實(shí)驗(yàn)研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,(7):101-103.

[11] 侯艷,韓曉紅,肖鑫.某化學(xué)實(shí)驗(yàn)室機(jī)械通風(fēng)模擬[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2011,30(2):87-90.

[12] Naghman Khan, YuehongSu, SaffaB Riffat. A review on wind driven ventilation techniques[J]. Energy and Building, 2008,40(8):1586-1604.

[13] Simon Shun, Noor A Ahmed. Utilizing wind and solar energy as power sources for a hybrid building ventilation device[J]. Renewable Energy, 2008,33(6):1392-1397.

Influence of Incident Angle of Supply Air on Mechanical Ventilation

Tang ChangJiang

( CMCU engineering Co., Ltd, Chongqing, 400039 )

The numerical simulation analysis method was used to study the cooling effect of mechanical ventilation in a heat-engine plant distribution room. The influence of incident Angle of supply air on equipment cooling was mainly discussed. Research results showed that the incidence angle of supply air had a great influence on indoor temperature field, velocity field and heat transfer of equipment. When the incident angle of air supply was 60°, most of the supply air flowed directly into the heat source area, and the velocity distribution was relatively of uniformity. Besides, there was the lowest temperature in the typical positions of the room. Thus, it can be deduced from the temperature field, velocity field and the temperature distribution of typical position that when the incidence angle is 60°, the ventilation cooling effect is best.

heat-engine plant distribution room; mechanical ventilation; incident Angle; CFD simulation

1671-6612（2016）05-577-05

TU834.29

A

2015-08-20

作者（通訊作者）簡介：唐長江（1987-），男，碩士，助理工程師，E-mail：tchangjiang@126.com