不同通風條件下氣流組織模擬及熱舒適性研究

陳 洋 鐘海平 高 紅 張 政

（中建三局集團有限公司西北分公司，陜西 西安710065）

隨著鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)的廣泛應(yīng)用建筑，鋼結(jié)構(gòu)橋體因施工時間短以及施工影響相對較小等優(yōu)勢越來越受到市政項目的青睞，但是鋼結(jié)構(gòu)橋梁箱室內(nèi)有限空間進行焊接作業(yè)具有安全隱患隱蔽性，存在中毒、窒息事故安全風險，以及職業(yè)健康問題也備受關(guān)注。宋思雨[1]基于ISM解釋結(jié)構(gòu)模型分析了工貿(mào)行業(yè)有限空間作業(yè)風險因素；徐陳又詩[2]通過Fluent 數(shù)值模擬軟件對塵實驗室的不同截面條件下塵濃度分布情況進行了研究；楊春麗[3-4]利用CFD 數(shù)值模擬研究了外界風速、外界風向以及有限空間類型對單開口有限空間內(nèi)氣流組織流場的影響；張壹泓[5-6]借助表面肌電（s EMG）技術(shù)和EEG 有限空間條件下腦疲勞特性以及頸部側(cè)屈姿勢下肌肉的受力情況進行了研究。

綜上所述，有限空間作業(yè)研究涉及有限空間作業(yè)事故風險因素分析、職業(yè)健康以及氣體流動等研究，但缺乏鋼結(jié)構(gòu)箱室內(nèi)有限空間作業(yè)過程中機械通風對氣流組織影響的研究。本文以中建三局建材北路項目鋼結(jié)構(gòu)懸索橋為研究對象，借助CFD數(shù)值模擬軟件對鋼結(jié)構(gòu)箱室內(nèi)有限空間作業(yè)中PMV、PPD、空氣齡等參數(shù)研究，為鋼結(jié)構(gòu)橋梁箱室內(nèi)焊接作業(yè)機械通風布置提供工程參考，保障作業(yè)人員安全。

1 模型建立

1.1 Airpak 軟件介紹

本文運用Airpak 氣流流動數(shù)值模擬軟件，該模擬軟件是一個專業(yè)的人工環(huán)境系統(tǒng)分析軟件，可以精準地模擬通風系統(tǒng)中的空氣流動、空氣質(zhì)量、傳熱、污染物濃度和工作環(huán)境舒適性。Airpak 軟件常應(yīng)用于建筑、石油、暖通空調(diào)等領(lǐng)域，本文采用Fluent Airpak3.0 進行數(shù)值模擬。

1.2 物理模型建立

以建材北路鋼結(jié)構(gòu)橋梁某節(jié)箱室為研究對象。鋼箱梁箱室長×寬×高為6m×5m×4m，鋼箱梁厚度為16mm；鋼結(jié)構(gòu)箱室之間存在橫隔板將箱室分為三個部分，箱室內(nèi)孔洞長×寬為2250m×2900m，且橫隔板厚度為16mm。鋼箱梁箱室焊工以半蹲姿勢進行焊接作業(yè)，作業(yè)人員身高以及產(chǎn)生熱量分別為1.73m 和75W。軸流式通風機的風量為5.2m3/s 和1.7m3/s；鋼箱梁箱室內(nèi)部結(jié)構(gòu)物理模型，如圖1 所示。

圖1 鋼箱梁物理模型

1.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

Airpak 數(shù)值模擬軟件不僅自動生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，用戶可以對模型局部進行細化，并且具有網(wǎng)格檢測能力[7]。Airpak 軟件可以從網(wǎng)格的長度與長度比、失真率、體積等參數(shù)對網(wǎng)格劃分質(zhì)量進行評估。Face alignment 和Quality 均大于0.15，并且二者數(shù)值越靠近1。初始大氣壓為標準大氣壓，初始邊界條件為Y 軸重力加速度為-9.81m/s2，初始外界條件為28℃，外界空氣濕度為50%。

1.4 工況

為分析研究通風方式以及通風量等參數(shù)對有限空間內(nèi)速度場、PMV 及PPD 等參數(shù)的影響，針對通風方式設(shè)置了三種情況，如表1 所示。上進下出通風方式與上進上出通風方式較為相似，但上進下出采用導(dǎo)風管將箱室內(nèi)風流抽出；下進上出將新鮮空氣風流通過導(dǎo)風管導(dǎo)入箱室內(nèi)。

表1 不同通風方式工況設(shè)置

2 模擬結(jié)果與分析

因成年人人體靜坐高度為1.1m，選取箱室內(nèi)高度為1.1m處作為研究截面，分析不同通風方式下平均速度、平均空氣齡以及PMV 和PPD 等指標分布切片。

2.1 不同通風方式對速度場的影響

為研究不同通風方式對速度場的影響，截取工況5、工況6和工況11 箱室內(nèi)高度為1.1m 處速度矢量圖，如圖2 所示。

圖2 不同通風方式下，高度為1.1m 處速度矢量圖

通過分析不同通風方式下，速度矢量圖可以了解空氣流動速率的方向和分布。由圖2 可知，三種通風方式下速度矢量圖有明顯的不同，因鋼箱梁受到橫隔板的阻礙影響以及氣流粘性力作用，雖然不同通風方式下箱室內(nèi)形成不同位置渦流現(xiàn)象，但均會在在作業(yè)人員周圍形成明顯的氣流渦流現(xiàn)象。上出下進通風方式在通風機以及橫隔板作用下，產(chǎn)生射流且氣流組織呈現(xiàn)“Y”形。

2.2 不同通風方式對PPD 以及PMV 的影響

為分析不同通風方式對作業(yè)人員熱舒適性的影響，選取了工況1、工況8 和工況10 箱室內(nèi)高度為1.1m 處PPD 以及PMV切片數(shù)值，如圖3 所示。

由圖3 可知，上進下出通風方式相較于其他兩種通風方式在PPD 和PMV 指標中最優(yōu)，從不同工況條件的PPD 分布圖中可以看出，上進下出通風方式下藍色區(qū)域最大，整個截面平均PPD 最小，作業(yè)人員周圍PPD 指標值在42%-52%，箱室內(nèi)人體感受為熱；而上出下進通風方式下藍色區(qū)域最少，并且分布最不均勻，PPD 值在92%-99%。上進上出通風方式的熱舒適性指標居于兩者之間，在進風側(cè)箱室內(nèi)PPD 值為30%-64%。

圖3 不同通風條件下，PPD 切片數(shù)值

2.3 不同通風方式對空氣齡的影響

選取工況2、工況7 和工況9，截取高度為1.1m 處，不同通風方式下，箱室內(nèi)空氣齡分布圖，如圖4 所示。

由圖4 可知，三種不同通風方式對氣流組織的空氣齡具有不同程度影響。上進下出通風方式的空氣齡切片顏色相對其他類型通風方式顏色最淺。箱室內(nèi)因橫隔板的阻礙作用下，形成氣流渦流現(xiàn)象，因渦流中心區(qū)域空氣流動性差，從而導(dǎo)致箱室內(nèi)出現(xiàn)局部空氣齡相對高于周邊區(qū)域。通過對鋼箱梁箱室內(nèi)空氣齡分布進行分析，可以間接研究空氣氣流流通以及CO 濃度聚集點。

3 結(jié)論

3.1 通過對不同通風方式進行分析，上進下出方式優(yōu)于其他類型通風方式，且人體舒適度最高；上進下出通風方式PMV指標值在1～1.5；而上出下進通風方式下PMV 值在2.5～3.0。

3.2 不同通風方式下在箱室內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用以及空氣粘性力作用下，在不同位置形成渦流現(xiàn)象，上出下進通風方式形成渦流現(xiàn)象的個數(shù)相對于其他兩種最多。

圖4 不同通風方式下，高度為1.1m 處空氣齡分布圖

3.3 進風量與排風量之間的風量差對箱室內(nèi)整體PMV、PPD 以及空氣齡等指標具有一定的影響，空氣齡由淺到深依次是工況1>工況2>工況3；氣體流動從大到小依次為工況3>工況1>工況2。