濾棒庫(kù)通風(fēng)空調(diào)數(shù)值仿真模擬分析

湯毅 曹曉程 孫紀(jì)軍

上海市安裝工程集團(tuán)有限公司工程研究院

0 前言

濾棒庫(kù)是存放卷煙過(guò)濾嘴材料的庫(kù)房。在卷煙的生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)控制濾棒庫(kù)內(nèi)的溫濕度和微負(fù)壓，以防材料在儲(chǔ)存過(guò)程中氣味向外散發(fā)和受潮。我司作為上海煙草集團(tuán)浦東科技創(chuàng)新園區(qū)（北地塊）機(jī)電安裝工程總承包單位，按照合同約定，不僅應(yīng)承擔(dān)施工的管理任務(wù)，還應(yīng)負(fù)責(zé)一定量的機(jī)電系統(tǒng)深化設(shè)計(jì)工作。在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)濾棒庫(kù)內(nèi)微負(fù)壓的要求，回風(fēng)量的確定非常重要。此外，如何得到庫(kù)房?jī)?nèi)均勻穩(wěn)定的氣流組織，也是深化設(shè)計(jì)應(yīng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

依靠傳統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，上述問(wèn)題只能在工程建設(shè)后期的調(diào)試過(guò)程中進(jìn)行控制，而由于氣流的不可視化，可能會(huì)出現(xiàn)庫(kù)房?jī)?nèi)因大型渦流區(qū)存在而導(dǎo)致室內(nèi)局部區(qū)域流動(dòng)阻滯，造成庫(kù)房?jī)?nèi)空氣品質(zhì)的下降。再者，調(diào)試后期經(jīng)常遇到風(fēng)量計(jì)算不準(zhǔn)確而造成風(fēng)機(jī)選型錯(cuò)誤，使得負(fù)壓過(guò)小，這些均影響庫(kù)房的正常使用。根據(jù)我司在類(lèi)似工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，庫(kù)房?jī)?nèi)各區(qū)域不應(yīng)有較大的溫度差。同時(shí)本項(xiàng)目屬于工業(yè)項(xiàng)目，區(qū)別于傳統(tǒng)民用項(xiàng)目，庫(kù)房?jī)?nèi)氣流流速可稍大，但應(yīng)控制在0.5 m/s以內(nèi)。因此，通過(guò)利用我司在前期大量工程中的數(shù)值仿真經(jīng)驗(yàn)，在通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)機(jī)電安裝實(shí)施前，對(duì)濾棒庫(kù)的通風(fēng)空調(diào)效果展開(kāi)模擬預(yù)測(cè)，以此來(lái)解決上述問(wèn)題，為今后設(shè)備選型，工程調(diào)試以及深化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

CFD技術(shù)作為流體力學(xué)的一個(gè)分支，已經(jīng)成為通風(fēng)與空調(diào)工程設(shè)計(jì)的一個(gè)重要工具，由于其可實(shí)現(xiàn)流速，溫度和壓力等方面的可視化，通過(guò)利用軟件進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)，能在工程建設(shè)前直觀的反映設(shè)計(jì)工況下的各種問(wèn)題，從而糾正大量不合理設(shè)計(jì)，有效避免工程的返工以節(jié)約建設(shè)成本。本文利用先前使用CFD的成功經(jīng)驗(yàn)作參照[1-3]，希望能對(duì)本工程的初版設(shè)計(jì)工況進(jìn)行仿真校核，為庫(kù)房?jī)?nèi)各風(fēng)口的布置所可能產(chǎn)生的渦流區(qū)位置進(jìn)行初步定位，同時(shí)為回風(fēng)量的確定提供一定的依據(jù)。

1 模型的建立與邊界條件劃分

目前，運(yùn)用CFD技術(shù)的仿真方案有二維仿真和三維仿真兩種，相較于三維仿真，用二維模型進(jìn)行仿真雖能節(jié)約大量的建模和計(jì)算時(shí)間，但對(duì)于空間氣流模擬，二維仿真只能將研究對(duì)象局限在平面內(nèi)，而無(wú)法預(yù)測(cè)氣流組織在垂直和水平面的相互干涉，導(dǎo)致了仿真可靠性和參考價(jià)值的下降。本次模擬研究將建立空間的三維模型。

參考設(shè)計(jì)院提供的初版圖紙和建立的BIM模型，本次仿真研究對(duì)象為卷包車(chē)間濾棒成型區(qū)內(nèi)的濾棒庫(kù)，結(jié)構(gòu)為規(guī)則的六面體結(jié)構(gòu)，規(guī)模為76.95 m×16.1 m×6.05 m。送回風(fēng)方案為頂送頂回式，其中兩排共計(jì)26個(gè)直徑為0.63 m的圓形送風(fēng)口分布在庫(kù)房?jī)蓚?cè)，中間是一排12個(gè)尺寸為1.25 m×0.7 m的矩形回風(fēng)口。濾棒庫(kù)的結(jié)構(gòu)和風(fēng)口布置模型如圖1所示。

濾棒庫(kù)仿真模型在GAMBIT軟件中建立，根據(jù)圖紙按照相應(yīng)尺寸建立建筑模型，并在相應(yīng)位置劃分風(fēng)口后，進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格的鋪設(shè)。在網(wǎng)格鋪設(shè)過(guò)程中，由于結(jié)合了圓形送風(fēng)口和矩形回風(fēng)口，導(dǎo)致風(fēng)口部位形狀不規(guī)則，因此必須按照非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行布置。建模前期嘗試用全部非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格填充模型，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量在86萬(wàn)左右，而網(wǎng)格精度不高，可能會(huì)導(dǎo)致后期計(jì)算發(fā)散，或計(jì)算結(jié)果不符合實(shí)際結(jié)果，如圖2所示（精度柱狀圖越靠近左側(cè)，計(jì)算精度越高）。

圖2 全部非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格布置的計(jì)算模型

本次仿真的對(duì)象建筑模型較規(guī)則，因此考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)部利用六面體網(wǎng)格進(jìn)行布置，而外圍風(fēng)口位置結(jié)合非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如此設(shè)置既能適應(yīng)本次仿真的復(fù)雜風(fēng)口模型，同時(shí)又可提高計(jì)算精度，縮短計(jì)算時(shí)間，故本次仿真中引入了雜交網(wǎng)格（結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格結(jié)合）的敷設(shè)技術(shù)。經(jīng)實(shí)踐證明，在計(jì)算量減少（網(wǎng)格數(shù)量在31.2萬(wàn)左右）的同時(shí)，網(wǎng)格精度也相應(yīng)提高，如圖3所示。

圖3 雜交網(wǎng)格敷設(shè)技術(shù)

由于初版圖紙未確定回風(fēng)量，為了給工程調(diào)試提供實(shí)現(xiàn)微負(fù)壓和合理通風(fēng)效果的依據(jù)，本次仿真采用回風(fēng)量按送風(fēng)量的1.05倍設(shè)置[4]。為了使仿真更接近實(shí)際，在模型頂部設(shè)置一定的照明負(fù)荷，而濾棒材料一般為纖維類(lèi)物質(zhì)，很少向外部產(chǎn)生散熱。同時(shí)庫(kù)房?jī)?nèi)平時(shí)無(wú)常駐工作人員，故地面散熱可以忽略不計(jì)。送風(fēng)溫度為24℃，送風(fēng)口流速為2.4 m/s，墻體材料采用硅類(lèi)和鈣類(lèi)有機(jī)物結(jié)合的材料定義物性參數(shù)（包括熱導(dǎo)率、密度、比熱容和粘度等）。邊界條件的具體劃分情況如表1所示。

2 數(shù)值計(jì)算和仿真效果

2.1 計(jì)算方程的選擇

本次模擬中，由于送風(fēng)的高速氣流會(huì)導(dǎo)致雷諾數(shù)（Re數(shù)）升高，增加了紊流的強(qiáng)度，故在軟件中的氣流方程該采用k-ε方程，而在貼近壁面處，由于氣流在沿程中的互相干涉和碰壁后有大量速度損耗，故貼壁處的氣流由于雷諾數(shù)較低而不再適用k-ε方程，因此在壁面處的流動(dòng)方程經(jīng)文獻(xiàn)查閱特意作了非平衡壁面函數(shù)的修正，并引入了壓力梯度的關(guān)系，如此設(shè)置可以使高雷諾數(shù)流場(chǎng)的數(shù)值模擬更精確。本文計(jì)算的各項(xiàng)方程參數(shù)如表2所示。

表1中，有：

2.2 計(jì)算收斂性控制

計(jì)算過(guò)程中運(yùn)用了亞松弛技術(shù)，仿真計(jì)算得到了很好的收斂迭代2500步后，計(jì)算中各項(xiàng)參數(shù)的殘差很快達(dá)到了的10-3以下的收斂級(jí)，如圖4所示。

圖4 計(jì)算收斂性

2.3 仿真結(jié)果分析

圖5是數(shù)值計(jì)算出的回送風(fēng)比值為1.05時(shí)房間內(nèi)負(fù)壓分布。從圖中可以看出，在此條件下，房間內(nèi)的負(fù)壓值約為-2.2～-2.5 Pa，各層面（1 m、3 m和5 m高度）的負(fù)壓值基本均等，房間內(nèi)也沒(méi)有出現(xiàn)局部正壓的區(qū)域，數(shù)值仿真預(yù)測(cè)在該工況下，壓力值的分布滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 房間內(nèi)各切面的負(fù)壓值分布

圖6 各層高度的流速分布

庫(kù)房?jī)?nèi)的氣流組織是影響貨物儲(chǔ)存和空氣品質(zhì)的關(guān)鍵因素，因此有必要對(duì)此進(jìn)行分析研究。房間內(nèi)各層高度流速的分布如圖6所示，其中房間高度3 m平面內(nèi)，送風(fēng)口下方的流速最大，達(dá)到了0.7 m/s左右，而送風(fēng)口周邊區(qū)域的流速則偏弱，在0.2～0.5 m/s。相對(duì)于1 m高度平面，送風(fēng)口下方的流速下降至0.55 m/s，其周邊的流速也下降至0.36 m/s以內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)廠房?jī)?chǔ)物間內(nèi)功能要求，使得庫(kù)房?jī)?nèi)流速較民用工程略高，經(jīng)過(guò)仿真預(yù)測(cè)該條件下，基本能滿足設(shè)計(jì)要求，但要注意風(fēng)口下方的貨物應(yīng)采取一定的遮擋，因?yàn)楦哂?.5 m/s的送風(fēng)速度往往會(huì)增加貨物的干耗，不利于其儲(chǔ)存。仿真的結(jié)論提供給建設(shè)方后，業(yè)主表示會(huì)在庫(kù)房投入使用后，頂層貨架加設(shè)一層擋板來(lái)防止上述問(wèn)題。

庫(kù)房?jī)?nèi)的空氣品質(zhì)應(yīng)通過(guò)對(duì)氣流流動(dòng)方向進(jìn)行分析，以得到庫(kù)房?jī)?nèi)各氣流阻滯區(qū)（渦流區(qū)）的位置，從而分析其是否影響貨物儲(chǔ)存。庫(kù)房?jī)?nèi)各高度平面內(nèi)氣流流動(dòng)的方向如圖7所示，從圖中可以看出，在1 m高度平面內(nèi)，氣流從送風(fēng)口位置向周邊擴(kuò)散均勻，該平面內(nèi)基本沒(méi)有渦流區(qū)存在。而在3 m高度平面內(nèi)，隨著送風(fēng)口氣流的增大，靠近墻角和相鄰的兩個(gè)送風(fēng)口之間出現(xiàn)了規(guī)模較小的渦流區(qū)。因此，對(duì)于濾棒的存儲(chǔ)而言，應(yīng)設(shè)法在后期的工程調(diào)試過(guò)程中，調(diào)整送風(fēng)口百葉的位置來(lái)控制送風(fēng)角度，以此消除貨架區(qū)域的渦流區(qū)。從圖7中可看出，可將送風(fēng)角度略向庫(kù)房中心區(qū)域調(diào)整，擴(kuò)大送風(fēng)的沿程距離，以避免相鄰風(fēng)口之間送風(fēng)的干涉。

圖7 各層高度的流向分布

仿真結(jié)果顯示，在回送風(fēng)比值為1.05時(shí)，庫(kù)房?jī)?nèi)的流場(chǎng)基本符合要求。考慮到建筑存在少量漏風(fēng)，而庫(kù)房?jī)?nèi)負(fù)壓值不足-3 Pa，如此小的負(fù)壓可能會(huì)對(duì)后期的調(diào)試造成困難，因此將回送風(fēng)比值調(diào)整至1.1。新工況下庫(kù)房?jī)?nèi)壓力場(chǎng)分布如圖8所示，從圖中可以看出，庫(kù)房?jī)?nèi)負(fù)壓值提高到-7 Pa左右。因此仿真建議在風(fēng)機(jī)采購(gòu)中，要注意風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，盡量控制回送風(fēng)比值大于1.1倍，如此可為后期的負(fù)壓調(diào)試留有一定的余量，以避免建筑嚴(yán)密性下降而導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)壓的情況。

圖8 回送風(fēng)比值1.1時(shí)庫(kù)房?jī)?nèi)的負(fù)壓分布

3 總結(jié)

作為有經(jīng)驗(yàn)的機(jī)電總承包單位，應(yīng)掌握利用現(xiàn)代化仿真手段以預(yù)測(cè)工程的建設(shè)效果，從而在工程未開(kāi)工之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)各類(lèi)潛在問(wèn)題，并為建設(shè)過(guò)程中的深化設(shè)計(jì)，以及后期的各類(lèi)工程調(diào)試提供參考。

本次仿真以上海煙草集團(tuán)浦東科技園區(qū)（北地塊）工程中的濾棒庫(kù)為模型，對(duì)機(jī)電安裝前庫(kù)房?jī)?nèi)的氣流組織和壓力場(chǎng)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，得到了以下結(jié)論：

1）庫(kù)房?jī)?nèi)的回送風(fēng)比應(yīng)盡量控制不少于1.1，以實(shí)現(xiàn)大于-5 Pa的微負(fù)壓。

2）設(shè)計(jì)工況下，庫(kù)房?jī)?nèi)的送風(fēng)口位置可能會(huì)出現(xiàn)流速過(guò)大的情況，因此應(yīng)在貨架頂層加設(shè)擋板以確保貨物儲(chǔ)存質(zhì)量。

3）在調(diào)試中，應(yīng)調(diào)整送風(fēng)口的角度，避免出現(xiàn)風(fēng)口之間的渦流區(qū)。

本次仿真預(yù)測(cè)的結(jié)果對(duì)風(fēng)機(jī)的采購(gòu)，深化設(shè)計(jì)以及工程調(diào)試的進(jìn)行均有實(shí)際的意義，能提供一定的建設(shè)參考依據(jù)。