基于CFD的局部通風(fēng)降溫設(shè)備參數(shù)影響研究

張 卓 強(qiáng)天偉 裴雨露 劉家雷

基于CFD的局部通風(fēng)降溫設(shè)備參數(shù)影響研究

張 卓 強(qiáng)天偉 裴雨露 劉家雷

（西安工程大學(xué) 西安 710048）

針對(duì)寶雞某發(fā)電廠空壓機(jī)房夏季高溫機(jī)組停機(jī)保護(hù)問題以及現(xiàn)有通風(fēng)降溫措施的不合理性，提出一種適用于該空壓機(jī)廠房的新型局部降溫通風(fēng)設(shè)備。通過夏季對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多次連續(xù)測(cè)試，并建立整個(gè)廠房的物理模型，以實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)為驗(yàn)證依據(jù)，得出模型可靠性。利用CFD軟件模擬不同送風(fēng)角度、送風(fēng)速度、送風(fēng)口到設(shè)備表面的距離對(duì)空壓機(jī)降溫效果的影響，通過對(duì)比分析，得出最佳設(shè)計(jì)方案。研究和結(jié)論，可以為今后局部通風(fēng)降溫技術(shù)和CFD理論模擬在廠房中的應(yīng)用研究提供參考。

空壓機(jī)房；局部通風(fēng)；氣流組織；數(shù)值模擬

0 引言

陜西寶雞某火力發(fā)電廠在夏季運(yùn)行時(shí)空壓機(jī)廠房常由于通風(fēng)不足導(dǎo)致室內(nèi)溫度急劇升高，觸發(fā)了進(jìn)口空壓機(jī)的保溫裝置，造成停機(jī)，從而對(duì)火力發(fā)電廠的運(yùn)行造成不便，影響正常生產(chǎn)。對(duì)于具有高大空間的工業(yè)廠房來說，其內(nèi)熱源較多，輻射溫度較高，空間較大等影響氣流組織的因素較多也較為復(fù)雜，會(huì)影響廠房?jī)?nèi)的溫度分布梯度以及不均勻度，也會(huì)造成冷量浪費(fèi)[1]。根據(jù)GB 50019-2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》指出當(dāng)熱環(huán)境達(dá)不到所需標(biāo)準(zhǔn)時(shí)候，在需要長(zhǎng)期進(jìn)行操作的工作環(huán)境中應(yīng)該設(shè)置局部通風(fēng)。工作地點(diǎn)如果比較固定或是分散時(shí)候應(yīng)該考慮單體局部送風(fēng)，工作地點(diǎn)集中考慮使用系統(tǒng)局部送風(fēng)[2]。

CFD（Computational Fluid Dynamics）是一種利用計(jì)算手段對(duì)計(jì)算流體的傳動(dòng)和傳熱問題進(jìn)行分析，為我們提供一個(gè)簡(jiǎn)單高效研究流場(chǎng)的方法。國(guó)內(nèi)外對(duì)于研究室內(nèi)流場(chǎng)或者熱舒適度一般采用數(shù)值模擬的方法[3]。西安建筑科技大學(xué)對(duì)頂部的工位送風(fēng)進(jìn)行了模擬研究，不考慮人員舒適度的情況下，對(duì)工位送風(fēng)的送風(fēng)口尺寸、送風(fēng)速度、送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，得出了最合適的送風(fēng)參數(shù)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性[4]。Juna Abanto等學(xué)者利用數(shù)值模擬研究了空調(diào)房間的舒適度。主要研究了送風(fēng)口的參數(shù)以及送風(fēng)的形式對(duì)于室內(nèi)的氣流組織的影響，同時(shí)也分析了邊界條件對(duì)于室內(nèi)氣流組織和舒適度的影響[5]，為今后研究不同送風(fēng)角度、參數(shù)對(duì)于室內(nèi)氣流影響提供了參考依據(jù)。美國(guó)、日本這些發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)值模擬技術(shù)很成熟，利用CFD模擬高大空間的氣流組織并進(jìn)行相應(yīng)措施的通風(fēng)降溫已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際工程中[6-8]。

本文以CFD數(shù)值模擬為主要方法，對(duì)工廠內(nèi)的空壓機(jī)進(jìn)行局部送風(fēng)設(shè)計(jì)。主要分析不同送風(fēng)角度、送風(fēng)口到空壓機(jī)的距離、送風(fēng)口間距以及送風(fēng)速度對(duì)空壓機(jī)局部降溫的影響。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 模型建立

本文依據(jù)空壓機(jī)廠房實(shí)際情況進(jìn)行建模，具體尺寸如表1所示。利用GAMBIT軟件建立廠房模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

表1 空壓機(jī)房及各設(shè)備尺寸大小

圖1 廠房設(shè)備平面布置圖

1.2 控制方程

（1）

1.3 湍流模型及邊界條件

本文初始將兩臺(tái)蒸發(fā)冷氣機(jī)的送風(fēng)口設(shè)置為速度入口，入口溫度為26.5℃，入口速度為3、4、5m/s。廠房中的空壓機(jī)在運(yùn)行時(shí)候，所有的門窗均是開啟狀態(tài)，這里將門窗設(shè)置為自由出流邊界條件。對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采用溫度熱邊界，分別為北墻34℃、南墻33℃、東墻37℃、西墻36℃，屋面44℃，地面設(shè)置為絕熱面。運(yùn)行的設(shè)備按熱流量計(jì)算，不運(yùn)行的設(shè)備設(shè)置為絕熱壁面。

2 模擬結(jié)果分析

DEC1連接的風(fēng)管有12個(gè)送風(fēng)口，每臺(tái)空壓機(jī)對(duì)應(yīng)三個(gè)送風(fēng)口，中間的風(fēng)口吹覆空壓機(jī)的上表面，左右兩邊的風(fēng)口各吹向空壓機(jī)左右兩個(gè)側(cè)面；中間送風(fēng)口的長(zhǎng)度與空壓機(jī)的長(zhǎng)度一致，選用條縫風(fēng)口，兩側(cè)的送風(fēng)口選用百葉風(fēng)口。由于冷干機(jī)散熱較小，所以DEC2連接的風(fēng)管，僅需四個(gè)送風(fēng)口，每個(gè)送風(fēng)口各自吹覆冷干機(jī)的上表面。本次模擬只對(duì)DEC1上風(fēng)口所覆蓋的設(shè)備進(jìn)行模擬。

2.1 送風(fēng)口高度對(duì)空壓機(jī)降溫的影響

為了了解最佳送風(fēng)高度對(duì)空壓機(jī)降溫的影響，這里選取了三種不同送風(fēng)口距離空壓機(jī)設(shè)備表面的距離（）0.7m、1.2m、1.8m。在模擬過程中需要保證其它因變量如送風(fēng)角度、送風(fēng)速度、送風(fēng)口間距、風(fēng)口形式一致，只改變送風(fēng)距離，來模擬空壓機(jī)的表面溫度和流場(chǎng)。

圖2 不同送風(fēng)口高度時(shí)空壓機(jī)表面溫度分布云圖

圖3 不同送風(fēng)高度空壓機(jī)表面流場(chǎng)圖

根據(jù)圖2可以看出，空壓機(jī)的平均溫度隨著送風(fēng)高度的增加先降低再增加，且變化幅度比較小。同時(shí)，送風(fēng)高度增加時(shí)，空壓機(jī)表面的溫度均勻性更好，送風(fēng)高度較低時(shí)，氣流沒有經(jīng)過充分的的衰減，會(huì)造成部分區(qū)域溫度比較低，溫度均勻性一般。

從圖3可以看到，送風(fēng)高度低的時(shí)候，左右兩側(cè)送風(fēng)會(huì)比較早的到達(dá)空壓機(jī)側(cè)面，不能很好的吹覆到整個(gè)空壓機(jī)側(cè)面，同時(shí)造成部分氣流渦流；送風(fēng)高度較高時(shí)，中間的風(fēng)口送風(fēng)會(huì)比較晚的到達(dá)空壓機(jī)上表面，吹覆區(qū)域相對(duì)來說小，通風(fēng)降溫效果大大降低。

綜上，送風(fēng)高度為1.2m時(shí)，空壓機(jī)表面的溫度較低，送風(fēng)相對(duì)較為均勻，所以設(shè)計(jì)方案的送風(fēng)口高度選擇距離空壓機(jī)表面1.2m處。

2.2 送風(fēng)口間距對(duì)空壓機(jī)降溫的影響

對(duì)于多股非等溫氣流來說，如果多個(gè)送風(fēng)口平行布置且位置較接近時(shí)，射流在經(jīng)過一定的范圍內(nèi)會(huì)匯合成為一股射流，射程增加，但是匯聚之后的射流其斷面范圍整體小于未匯合之前的射流斷面。所以送風(fēng)口的布置間距大小，同樣影響對(duì)空壓機(jī)的降溫。在滿足空調(diào)區(qū)域基本參數(shù)的要求下，送風(fēng)口間距的適當(dāng)縮小更有利于氣流特性的分布[10]。保證送風(fēng)速度、送風(fēng)量、送風(fēng)角度以及送風(fēng)高度一致，改變空壓機(jī)上方左側(cè)風(fēng)口到中間風(fēng)口的距離，進(jìn)行模擬計(jì)算，送風(fēng)間距（a）分別設(shè)為0.1m、0.2m、0.3m，計(jì)算結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 不同送風(fēng)口間距時(shí)空壓機(jī)表面溫度分布云圖

圖5 不同送風(fēng)口間距送風(fēng)流場(chǎng)圖

從圖4可以看出，空壓機(jī)的平均溫度隨著送風(fēng)間距的增加先降低再增加，整體幅度改變不大。同時(shí)從圖中可以看出，不同的送風(fēng)間距，因?yàn)樾纬傻臍饬魈匦圆煌?，造成空壓機(jī)表面的溫度均勻性也不同。造成這種現(xiàn)象的原因是隨著送風(fēng)間距的增加，送風(fēng)氣流的射程增大，速度衰減較快，氣流速度小，所覆蓋空壓機(jī)表面的面積減小，空壓機(jī)表面的溫度均勻性更好。

從流場(chǎng)圖可以看到，送風(fēng)間距不同，送風(fēng)氣流到達(dá)空壓機(jī)表面的末端速度各不相同。送風(fēng)間距越小，空壓機(jī)截面處平均溫度越大，區(qū)域內(nèi)的溫度均勻性相對(duì)較差；隨著送風(fēng)間距的增加，送風(fēng)射流到達(dá)空壓機(jī)側(cè)面的位置推后，形成的射流覆蓋面積減小，不過空壓機(jī)表面的速度均勻性有所提高，主要是因?yàn)樗惋L(fēng)氣流衰減速度較快，到達(dá)空壓機(jī)表面時(shí)動(dòng)能相對(duì)較小。

綜上，送風(fēng)間距不是夏季廠房?jī)?nèi)氣流組織的主要影響因素。送風(fēng)間距只要在能夠滿足夏季空壓機(jī)房基本熱環(huán)境的范圍內(nèi)即可。在這里選用送風(fēng)間距較小的0.1m作為設(shè)計(jì)方案。

2.3 送風(fēng)速度對(duì)空壓機(jī)降溫的影響

送風(fēng)速度是影響氣流組織分布的一個(gè)重要因素。送風(fēng)氣流速度過小，由于射流衰減，射程不能達(dá)到要求，也無法滿足降溫的目的；送風(fēng)氣流速度過大，需要輸送更多的風(fēng)量，增加系統(tǒng)的容量，造成能源浪費(fèi)，也有可能會(huì)與空壓機(jī)表面發(fā)生碰撞，改變氣流路線，形成向上氣流，無法達(dá)到對(duì)空壓機(jī)降溫。根據(jù)蒸發(fā)冷卻設(shè)備的額定送風(fēng)量，室內(nèi)布置送風(fēng)口的數(shù)量以及條縫風(fēng)口選用的相關(guān)規(guī)范，風(fēng)速選取在5m/s以下。所以為了解送風(fēng)速度對(duì)空壓機(jī)降溫的影響，這里選取了三種不同的送風(fēng)速度（）3m/s、4m/s、5m/s，進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖6 不同送風(fēng)速度時(shí)空壓機(jī)表面溫度分布云圖

圖7 不同送風(fēng)速度空壓機(jī)y=1.2m截面速度矢量圖

由圖6可以看出在一定速度范圍內(nèi)，其它送風(fēng)參數(shù)不變，送風(fēng)溫度增加，空壓機(jī)的平均溫度降低。同時(shí)，送風(fēng)速度較小的時(shí)候，空壓機(jī)表面的溫度分布較為均勻，因?yàn)樗惋L(fēng)氣流速度小，末端的動(dòng)能小，不易擾動(dòng)周圍的氣流，使得空壓機(jī)周圍的溫度均勻性較好。

從速度分布來分析，隨著送風(fēng)速度的增加，空壓機(jī)周圍的平均速度也增加，但是整體的增幅卻有所減小，也說明送風(fēng)速度對(duì)于空壓機(jī)的通風(fēng)降溫是有一定限制的。速度過大的時(shí)候，氣流會(huì)跟空壓機(jī)發(fā)生碰撞，涌向上部非降溫區(qū)，造成冷量的浪費(fèi)。所以設(shè)計(jì)方案的送風(fēng)速度為5m/s。

2.4 送風(fēng)角度對(duì)空壓機(jī)降溫的影響

合理的送風(fēng)角度，可以使送風(fēng)氣流末端輻射更多的區(qū)域。為了了解送風(fēng)角度對(duì)空壓機(jī)降溫的影響，需要分別對(duì)左右兩側(cè)送風(fēng)角度和中間送風(fēng)角度進(jìn)行模擬，左右兩側(cè)呈對(duì)稱，這里僅需討論一側(cè)的送風(fēng)角度，分別選取切向角度為5°、10°、15°、20°四個(gè)角度，中間送風(fēng)角度與軸夾角B為40°、45°、50°三個(gè)角度進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.4.1兩側(cè)送風(fēng)口不同切向角度下的計(jì)算結(jié)果

圖8 不同切向送風(fēng)角度空壓機(jī)側(cè)表面溫度分布云圖

從圖8可以看到，側(cè)表面的平均溫度隨著切向送風(fēng)角度的增加，先降低再增加，由于隨著角度的增加，送風(fēng)射流末端覆蓋的區(qū)域再變化，角度較小，送風(fēng)氣流到達(dá)側(cè)表面慢，角度過大，送風(fēng)氣流則吹向空壓機(jī)設(shè)備的另一個(gè)面。從圖中也可以看出送風(fēng)氣流的覆蓋區(qū)域隨著角度的增加，面積先增大再減小。

圖9 不同切向送風(fēng)角度流場(chǎng)圖

隨著切向送風(fēng)角度的不斷增加，空壓機(jī)側(cè)表面的空氣平均流速先增加，再減小，送風(fēng)角度為10°的時(shí)候，平均流速最大，送風(fēng)氣流末端輻射空壓機(jī)側(cè)表面面積更廣。當(dāng)切向送風(fēng)速度為15°的時(shí)候，送風(fēng)氣流方向偏移，綜上，設(shè)計(jì)方案中，左右兩側(cè)的送風(fēng)切向速度選為10°。

2.4.2 中間送風(fēng)口不同角度下的計(jì)算結(jié)果

圖10 不同送風(fēng)角度空壓機(jī)上表面溫度分布云圖

由圖10可得隨著送風(fēng)角度的增加，空壓機(jī)上表面的平均溫度也在增長(zhǎng)，綜上分析，設(shè)計(jì)方案中間送風(fēng)口角度選擇40°。

3 總結(jié)

采用局部送風(fēng)方式，把氣流直接送到各個(gè)空壓機(jī)設(shè)備周圍，進(jìn)行通風(fēng)降溫。分析不同的送風(fēng)高度、送風(fēng)口間距、送風(fēng)速度以及送風(fēng)角度對(duì)空壓機(jī)降溫的影響。送風(fēng)高度升高，送風(fēng)氣流可以輻射面積更大，氣流和溫度較為均勻。送風(fēng)高度小，利于節(jié)能；送風(fēng)口間距整體對(duì)空壓機(jī)降溫的影響不大，只要在合理的范圍內(nèi)均可；送風(fēng)速度大會(huì)造成一定的冷量浪費(fèi)，增大負(fù)荷。送風(fēng)速度小，達(dá)不到廠房的基本要求；送風(fēng)角度大，兩側(cè)的氣流會(huì)相互交叉、干擾，中間的送風(fēng)覆蓋空壓機(jī)上表面的面積減小。送風(fēng)角度小的時(shí)候，同樣送風(fēng)氣流覆蓋面減小；選擇合適的送風(fēng)參數(shù)可以更高效、節(jié)能的對(duì)空壓機(jī)廠房進(jìn)行降溫。

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Research on the Influence of Local Ventilation and Cooling Equipment Parameters Based on CFD

Zhang Zhuo Qiang Tianwei Pei Yulu Liu Jialei

( Xi'an University of Technology, Xi'an, 710048 )

Aiming at the problem of the shutdown protection of high temperature units in summer in an air compressor room of a power plant in Baoji and the irrationality of the existing ventilation and cooling measures, a new local cooling and ventilation device suitable for the air compressor plant is proposed.In the summer, the site was tested continuously for many times, and the physical model of the entire plant was established. Based on the actual measured data, the model reliability was obtained.Using CFD software to simulate the effect of different air supply angles, air supply speeds, and the distance between the air supply port and the surface of the equipment on the cooling effect of the air compressor, and through comparative analysis, the best design plan was obtained.The research and conclusion of this paper can provide a reference for the future application research of local ventilation cooling technology and CFD theoretical simulation in factory buildings.

air compressor room; local ventilation; air distribution; numerical simulation

1671-6612（2021）03-382-07

TK05

A

張 卓（1997.02-），男，碩士，E-mail：13484516130@163.com

強(qiáng)天偉（1970.04-），男，博士，教授，E-mail：254599797@qq.com

2020-12-10