CFD模擬及有限元分析在大型氣候?qū)嶒?yàn)室動態(tài)負(fù)荷計(jì)算中的應(yīng)用

中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司 申 劍 傅建勛 劉銀萍

0 引言

負(fù)荷計(jì)算是暖通設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，常規(guī)建筑的冷熱負(fù)荷計(jì)算都是基于穩(wěn)態(tài)進(jìn)行的，而對于氣候?qū)嶒?yàn)室類項(xiàng)目則不適用。氣候?qū)嶒?yàn)室的工藝要求，在指定時間里室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值，這個過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)無法達(dá)到穩(wěn)態(tài)，所以瞬時負(fù)荷的計(jì)算無法采用常規(guī)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法。

關(guān)于非穩(wěn)態(tài)負(fù)荷計(jì)算，秦躍平研究了優(yōu)化的有限體積法計(jì)算方法[1]；劉向偉對多孔介質(zhì)內(nèi)的熱濕耦合傳遞進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)模擬[2]；陳艷華采用試算法進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算[3]；李向前[4]、周娟[5]探討了非穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算的發(fā)展過程和新的計(jì)算方法。但上述文獻(xiàn)大都基于室外溫度、太陽輻照度等變化進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)負(fù)荷計(jì)算，或分析非穩(wěn)態(tài)計(jì)算中各種參數(shù)的影響因素等，都是從外部條件變化分析對負(fù)荷變化的影響和計(jì)算方法，未對整體工程進(jìn)行分析，缺乏實(shí)際工程的應(yīng)用和定量研究，且不適用于氣候?qū)嶒?yàn)室類建筑。本文以某工程為例，進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算研究，并將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于工程中。該工程經(jīng)過1 a運(yùn)行，滿足使用要求。

1 工程概況

該氣候?qū)嶒?yàn)室為房中房，實(shí)驗(yàn)艙尺寸為61.0 m×79.2 m×22.8 m(長×寬×高)，墻體和吊頂采用200 mm厚聚氨酯保溫材料，密度為30 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/(m·K)，比熱容為1.38 kJ/(kg·K)；大門保溫材料為400 mm厚巖棉，密度為80 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.05 W/(m·K)，比熱容為1.22 kJ/(kg·K)。因工程承載的要求，土建確定地坪采用300 mm厚混凝土+300 mm厚泡沫玻璃+300 mm厚混凝土的結(jié)構(gòu)形式，混凝土密度為2 500 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.74 W/(m·K)，比熱容為0.92 kJ/(kg·K)；泡沫玻璃密度為120 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.04 W/(m·K)，比熱容為0.80 kJ/(kg·K)?？照{(diào)系統(tǒng)采用上送風(fēng)、側(cè)下回風(fēng)的氣流組織，在上部均勻布置噴口，在距地0.2 m處布置2個回風(fēng)口，見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)室剖面圖

2 室內(nèi)空氣溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度模擬

根據(jù)工藝要求，低溫工況要求空態(tài)24 h，室溫由30 ℃降至工作溫度-55 ℃，并維持該工作溫度72 h；高溫工況要求空態(tài)8 h，室溫由10 ℃升至工作溫度74 ℃，并維持12 h。

課題研究是針對冷熱負(fù)荷分別進(jìn)行的，因受篇幅限制，本文僅對冷負(fù)荷進(jìn)行分析。研究思路為：1) 采用Fluent軟件進(jìn)行CFD模擬，得到室內(nèi)溫度場的變化情況；2) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對墻體、吊頂、大門及地板采用ANSYS軟件通過有限元分析方法進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)溫度場分析；3) 根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)每個時刻的熱流密度計(jì)算各時刻的瞬時冷熱負(fù)荷。

該工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定傳熱過程和室內(nèi)空氣溫度不穩(wěn)定變化過程是耦合的，模擬計(jì)算同時考慮了這2個因素。

為便于計(jì)算，將弧形吊頂簡化為折線形，所建模型見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)室模型

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣流動為低速、不可壓縮流體流動，屬于自然對流、強(qiáng)迫對流并存的定常流動混合湍流流動。數(shù)值模擬根據(jù)實(shí)際物理邊界進(jìn)行了合理簡化。

1) 固定壁面邊界條件，即固定壁面主要是室內(nèi)的墻壁、天花板、地板等，固定壁面的速度分量為零，溫度邊界條件按照第三類邊界條件給出。

2) 入流和出流邊界條件，即入流邊界條件給出的是入口處的速度、溫度及湍流動能和湍流動能耗散率等參數(shù)，出流邊界條件按照出口單向流動考慮。

3) 考慮各圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面之間的輻射換熱。

4) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)密閉，不考慮空氣滲漏。

5) 初始條件，給出計(jì)算的初始值。

6) 大門外表面對流換熱系數(shù)取23 W/(m2·℃)，墻體、吊頂外表面對流換熱系數(shù)取8.7 W/(m2·℃)。

以低溫工況為例。室外條件按夏季設(shè)置，分3個階段送風(fēng)：第1階段送風(fēng)溫度為5 ℃，2 h后進(jìn)入第2階段；第2階段送風(fēng)溫度為-32 ℃，送風(fēng)2 h后進(jìn)入第3階段；第3階段送風(fēng)溫度為-70 ℃?？偹惋L(fēng)時間為24 h。

第1階段送風(fēng)溫度設(shè)定為5 ℃，是考慮到在降溫至冰點(diǎn)前將空氣中的水分除去，避免在送冷風(fēng)時出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象而影響工作效率或損壞制冷設(shè)備。

為了得到較好的室內(nèi)溫度場、速度場，分別按200 000、250 000、300 000 m3/h循環(huán)風(fēng)量進(jìn)行模擬，再選取較合理的風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)模擬結(jié)果，送風(fēng)量為200 000 m3/h時，工作區(qū)溫度無法在規(guī)定時間內(nèi)達(dá)到-55 ℃；送風(fēng)量分別為250 000、300 000 m3/h時，室內(nèi)溫度分別達(dá)到-55 ℃和-56 ℃。以300 000 m3/h風(fēng)量為例進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖3。

圖3 溫度場分時截圖(豎向、風(fēng)口處)

在室內(nèi)工作區(qū)選定2個有代表性的空間點(diǎn)位進(jìn)行溫度跟蹤，其溫度變化情況見圖4。

圖4 工作區(qū)2個選定點(diǎn)溫度隨時間變化曲線

送風(fēng)口下方和實(shí)驗(yàn)室中心地帶溫度隨高度的變化模擬結(jié)果見圖5。

圖5 送風(fēng)階段末期(24 h)實(shí)驗(yàn)室中心附近測點(diǎn)溫度隨高度變化曲線

從圖4可以看出，在各送風(fēng)階段前期室內(nèi)空氣溫度迅速降低，約30 min后溫降變緩，然后逐漸趨近送風(fēng)溫度，在各送風(fēng)階段末期室內(nèi)空氣溫度場基本均勻一致。

把模擬的室內(nèi)溫度作為輸入條件，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度模擬。墻體(包括吊頂)、大門、地板各內(nèi)表面溫度變化情況見圖6。

圖6 墻體(吊頂)、大門、地板內(nèi)表面溫度隨時間變化曲線

從模擬結(jié)果可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度在5.5 h內(nèi)變化較大，之后趨緩。各送風(fēng)階段末期圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度見表1。

表1 各送風(fēng)階段末圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度 ℃

3 非穩(wěn)態(tài)負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的變化情況，依據(jù)有限元軟件進(jìn)行熱流密度的計(jì)算，結(jié)果見圖7。

圖7 墻體(吊頂)、大門、地板熱流密度隨時間變化曲線

在室內(nèi)大通風(fēng)量的情況下，內(nèi)表面對流換熱系數(shù)較大，對流熱阻很小，所以在改變系統(tǒng)送風(fēng)溫度后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度會快速變化，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱阻大，導(dǎo)致其內(nèi)部溫度變化較慢，所以各圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流密度先增大，5.5 h達(dá)到峰值，然后下降，直至趨于穩(wěn)定。墻體(吊頂)、大門的主要材料是熱容很小的聚氨酯保溫材料或巖棉，所以熱流密度不大，且達(dá)到峰值后迅速下降而后平穩(wěn)；地板是熱容較大的鋼筋混凝土，熱流密度非常大，達(dá)到峰值后下降平緩，在計(jì)算時段末期還處于熱流密度下降階段。各送風(fēng)階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流密度典型時刻數(shù)值統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 各送風(fēng)階段典型時刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流密度 W/m2

以上模擬主要是針對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，在計(jì)算實(shí)驗(yàn)室空調(diào)負(fù)荷時，還需要考慮室內(nèi)空氣的負(fù)荷。在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，空氣密度會增大，體積會變小，為了維持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)壓力平衡，需要向室內(nèi)補(bǔ)充新風(fēng)。所以空氣負(fù)荷包含室內(nèi)原有空氣的冷負(fù)荷和補(bǔ)充的新風(fēng)負(fù)荷。

該實(shí)驗(yàn)室采用轉(zhuǎn)輪除濕，所以按照表冷器不承擔(dān)潛熱負(fù)荷進(jìn)行分析，根據(jù)式(1)可以計(jì)算出各階段的空氣負(fù)荷：

(1)

式中q為空氣負(fù)荷，kW；m為空氣質(zhì)量，kg；Δh為空氣比焓差，kJ/kg；Δt為降溫時間,s。

第1階段結(jié)束時，空氣干球溫度為10.5 ℃，含濕量d=0.01 g/kg，第1階段的空氣比焓差為24.8 kJ/kg；第2階段結(jié)束時，空氣干球溫度為-18 ℃，含濕量不變，第2階段的空氣比焓差為28.8 kJ/kg；第3階段結(jié)束時，空氣干球溫度為-57 ℃，含濕量不變，第3階段的空氣比焓差為39.4 kJ/kg。

經(jīng)計(jì)算，各階段最大瞬時動態(tài)負(fù)荷見表3。

表3 各送風(fēng)階段所需的最大負(fù)荷 kW

熱負(fù)荷的計(jì)算與冷負(fù)荷的計(jì)算不完全一樣，但計(jì)算路徑一致，本文不對熱負(fù)荷計(jì)算進(jìn)行贅述。需要注意的是，加熱工況下室內(nèi)空氣因溫度升高、密度減小，實(shí)驗(yàn)過程中一直處于向外排風(fēng)(泄壓)狀態(tài)，故空氣負(fù)荷略有減小。

4 結(jié)語

從本文計(jì)算結(jié)果可以看出，氣候?qū)嶒?yàn)室地板負(fù)荷很大，最大負(fù)荷占總負(fù)荷的86%，所以地板對負(fù)荷的影響最大，對其需重點(diǎn)考慮。另一個值得注意的問題是，空氣因?yàn)闇囟茸兓鹈芏茸兓瑥亩鴮?dǎo)致體積變化，在制冷工況時，需要考慮因補(bǔ)充空氣所增加的冷負(fù)荷，同時要考慮空氣體積變化對圍護(hù)結(jié)構(gòu)帶來的壓力變化，應(yīng)采取相應(yīng)的壓力平衡措施。

該氣候?qū)嶒?yàn)室在實(shí)施階段根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行冷熱源選擇，項(xiàng)目經(jīng)過1 a的運(yùn)行，滿足使用要求。說明本文的計(jì)算方法可行且相對準(zhǔn)確，可供類似項(xiàng)目參考。