綠色建筑理化試驗室排風(fēng)柜排風(fēng)口氣流組織數(shù)值模擬研究

潘欣鈺，邢云梁 ，羅雅蕾，陳征宇，鄧 輝（.中船第九設(shè)計研究院工程有限公司， 上海 00090；.深圳市建筑工務(wù)署， 廣東 深圳 5000）

隨著科研、檢測相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，理化試驗室建造的數(shù)量越來越多。作為該類試驗室安全重要保障的排風(fēng)柜及其排風(fēng)性能也受到了諸多研究者的關(guān)注。程勇等[1-2]對熱源體排風(fēng)柜內(nèi)氣流分布影響的數(shù)值進(jìn)行了研究以及對試驗室排風(fēng)柜面風(fēng)速要求與實測作了分析。馬雨軒等[3]對試驗室排風(fēng)柜性能的影響因素進(jìn)行了研究。王澤劍等[4]對排風(fēng)柜全性能實驗臺氣流組織進(jìn)行了模擬研究。張占蓮[5]對試驗室氣流組織形式對污染物分布影響作了研究。

目前的研究大多聚焦于排風(fēng)柜的排風(fēng)性能，而對于室內(nèi)末端風(fēng)口的送風(fēng)與排風(fēng)對于排風(fēng)柜排風(fēng)口區(qū)域的氣流組織均勻性較少關(guān)注。本研究采用計算流體力學(xué)模擬方法對某實際工程的理化試驗室典型房間進(jìn)行了模擬，并對排風(fēng)柜排風(fēng)口區(qū)域的風(fēng)速分布進(jìn)行了定量分析。在此基礎(chǔ)上通過改變室內(nèi)新風(fēng)口的位置，進(jìn)而對原型工況進(jìn)行了優(yōu)化，減少室內(nèi)氣流對排風(fēng)的擾動，并總結(jié)相關(guān)布置經(jīng)驗供同類工程參考。

1 典型理化試驗室房間概述

本課題根據(jù)某科學(xué)技術(shù)中心施工圖紙，選擇 14 層的前處理室作為典型房間。該房間面積較大，有 6 臺排風(fēng)柜，排風(fēng)管上設(shè)置有文丘里閥，設(shè)置有 3 個風(fēng)機(jī)盤管，并配有 4 個新風(fēng)口。另外，還有 2 個體積較大的實驗桌，對氣流組織將會有較大影響，在建模時也應(yīng)考慮。

利用 CAD 三維建模軟件對重要構(gòu)件和設(shè)備進(jìn)行建模。首先對房間空間進(jìn)行建模，設(shè)置長為 20.0 m、寬為 6.0 m、高為 3.5 m。室內(nèi)試驗室用桌按照 800 mm 高建模。新風(fēng)口和風(fēng)機(jī)盤管的送風(fēng)口為散流器形式，采用長 0.60 m×寬0.60 m× 高 0.05 m 長方體在軟件中進(jìn)行等效模擬?？紤]到散流器送風(fēng)的貼附效應(yīng)，該種風(fēng)口簡化在工程應(yīng)用精度上是可以接受的。回風(fēng)口的有效面積系數(shù)取 0.8，按照施工圖中的面積按比例縮小建模。排風(fēng)柜根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 6412—1999《排風(fēng)柜》等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品樣本進(jìn)行建模。標(biāo)準(zhǔn)排風(fēng)柜有 3 種規(guī)格，分別寬 1 200 mm、1 500 mm、1 800 mm。根據(jù)施工圖，本次建模選擇 1 800 mm 寬規(guī)格的排風(fēng)柜。該設(shè)備高 2 350 mm、厚 875 mm，排風(fēng)口底部距離地面 830 mm。

2 理化試驗室模擬數(shù)學(xué)模型

模擬采用計算流體力學(xué)模擬軟件，通過有限體積法數(shù)值求解計算域內(nèi)的各類物理參數(shù)。本文涉及的計算參數(shù)主要包括風(fēng)速、溫度、壓力等。因此涉及 3 類控制方程，分別是連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。其中，質(zhì)量守恒方程如式（1）所示。

3 數(shù)值模擬邊界條件

在對研究對象進(jìn)行三維建模之后，還需對所有空氣流經(jīng)的空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用網(wǎng)格劃分軟件，首先規(guī)定整體空間內(nèi)的網(wǎng)格邊長為 200 mm，然后分別將新風(fēng)送風(fēng)口、排風(fēng)柜排風(fēng)口、風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)口和回風(fēng)口單獨(dú)命名，同時還需將天花板和地板區(qū)分出來。根據(jù)以上網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置，在軟件中選擇劃分三維網(wǎng)格，并拉伸邊界層網(wǎng)格，共生成 500 萬個左右的網(wǎng)格。模型網(wǎng)格劃分如圖 1 所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分情況

由于理化試驗室的氣流組織模擬涉及流體的溫度，且雷諾數(shù)較高，因此在計算模型中應(yīng)打開能量方程以及湍流雙方程標(biāo)準(zhǔn)模型。流體材質(zhì)則選擇計算流體力學(xué)軟件庫中的空氣即可。然后將整個計算域中的流體材質(zhì)選擇為空氣。另需注意的是，為了等效室內(nèi)的發(fā)熱量，在計算域中設(shè)置一個體熱源，體積發(fā)熱指標(biāo)為 51 W/m3。

模擬邊界條件主要有速度入口、自由出流、壁面條件等。其中風(fēng)機(jī)盤管的型號為 FCU600，取其中檔風(fēng)量為 765 m3/h，送風(fēng)溫度為 18 ℃，排風(fēng)柜上的排風(fēng)口拉開的高度為300 mm，排風(fēng)口寬度為 1 600 mm，面風(fēng)速為 0.5 m/s，排風(fēng)量為 864 m3/h。新風(fēng)送風(fēng)口的送風(fēng)量取值與排風(fēng)量相同，風(fēng)口出風(fēng)高度為 50 mm，換算相對的出風(fēng)速度為 3 m/s，送風(fēng)溫度同樣為 18 ℃。整個房間內(nèi)的送風(fēng)量為風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)量加新風(fēng)送風(fēng)量，根據(jù)其風(fēng)量加和結(jié)果，考慮風(fēng)機(jī)盤管的送風(fēng)量與回風(fēng)量相等，則風(fēng)機(jī)盤管的 3 個回風(fēng)口占到總排風(fēng)量的 31%，而排風(fēng)柜的 6 個排風(fēng)口占到總排風(fēng)量的 69%。根據(jù)上述各類幾何元素分別對應(yīng)的邊界條件及相關(guān)溫度、流量參數(shù)，模擬邊界條件設(shè)置如表 1 所示。

表1 計算流體力學(xué)模擬邊界條件設(shè)置

經(jīng)上述設(shè)置后，對整個計算域進(jìn)行初始化，并設(shè)置迭代步數(shù)為 10 000 步，同時監(jiān)控排風(fēng)柜排風(fēng)口上的質(zhì)量流量，通過殘差曲線及質(zhì)量流量的穩(wěn)定來判斷計算迭代是否已經(jīng)達(dá)到收斂。

4 原型模擬結(jié)果與分析

經(jīng)迭代收斂后，通過 CFD 后處理軟件可以獲得計算域內(nèi)相應(yīng)的速度云圖，各種邊界條件上的風(fēng)速統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。排風(fēng)柜排風(fēng)口的編號如圖 2 所示。

圖2 原型方案排風(fēng)柜排風(fēng)口編號

通過軟件所帶的標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計分析功能，可獲得各個排風(fēng)柜排風(fēng)口上的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值。該功能是統(tǒng)計風(fēng)口上每個網(wǎng)格的風(fēng)速，然后求出其平均值，再將每個網(wǎng)格上的風(fēng)速減去平均值，該差經(jīng)平方后再除以網(wǎng)格數(shù)量，最后求出其方差。該數(shù)值可以刻畫排風(fēng)口上的氣流組織均勻程度，各排風(fēng)口的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差如表 2 所示。

表2 原型方案排風(fēng)口排風(fēng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差

由表 2 可知，排風(fēng)口 2 和排風(fēng)口 6 的風(fēng)速不均勻度較高，說明其排風(fēng)較不均勻，有部分網(wǎng)格的風(fēng)速超過 0.5 m/s。根據(jù)計算結(jié)果，原型方案中離地 1.5 m 高處的風(fēng)速有部分 ≥0.5 m/s，風(fēng)速超標(biāo)的區(qū)域主要是在新風(fēng)風(fēng)口附近的區(qū)域，其原因為 2 個新風(fēng)口的貼附射流相遇后，合流下沉將會產(chǎn)生較大的風(fēng)速。新風(fēng)口送風(fēng)口送出的氣流在相遇后合流下沉，造成了較高的風(fēng)速，同時這也不利于排風(fēng)柜排風(fēng)口區(qū)域的均勻氣流組織。特別是排風(fēng)口 2 和排風(fēng)口 6 的不均勻度較高，主要是新風(fēng)口的位置不夠均勻造成，如新風(fēng)口 1 和新風(fēng)口 2比較靠近排風(fēng)口 5，而新風(fēng)口 3 和新風(fēng)口 4 比較靠近排風(fēng)口2。下面將通過改變新風(fēng)口的位置，使得新風(fēng)送風(fēng)的流線更為均勻地分布在排風(fēng)口的附近，從而進(jìn)一步降低排風(fēng)口的排風(fēng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值。

5 優(yōu)化工況模擬與分析

5.1 優(yōu)化方案一分析

根據(jù)上述模擬結(jié)果，新風(fēng)口的布置位置將會影響排風(fēng)柜排風(fēng)口的氣流組織均勻性，因此將原來的新風(fēng)口 1 和新風(fēng)口3 移動至東側(cè)與新風(fēng)口 2 和新風(fēng)口 4 平齊。

新風(fēng)口在東、西兩側(cè)平均布置，預(yù)期可以降低排風(fēng)口的氣流不均勻度。同樣對該新方案進(jìn)行幾何建模，并劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入計算流體力學(xué)模擬軟件中進(jìn)行迭代計算。排風(fēng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差具體數(shù)值分布如表 3 所示。

表3 優(yōu)化方案一排風(fēng)口排風(fēng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差

根據(jù)表 3 的統(tǒng)計數(shù)值，排風(fēng)口 4 的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.180，明顯比其他排風(fēng)口高。其他風(fēng)口較之原型方案都有所降低或者基本相同，6 個風(fēng)口的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差平均值為0.117，相對于原型方案的 0.132 降低了 11.4%，從總體上來說排風(fēng)不均勻度有所下降。

綜合上述情況，優(yōu)化方案一對于原型方案來說其排風(fēng)的均勻度有所上升，同時風(fēng)速也控制得較好，但是排風(fēng)口4 產(chǎn)生了較高的風(fēng)速，其主要原因是排風(fēng)口 4 上部的 2 個新風(fēng)口距離較近，將造成氣流相遇后合流下沉，在下部區(qū)域產(chǎn)生一個風(fēng)速較高的區(qū)域。因此，該排風(fēng)口受到了下沉氣流的擾動，使得其排風(fēng)速度產(chǎn)生較大的不均勻度。在優(yōu)化方案一的計算分析基礎(chǔ)上，將相對的 2 個新風(fēng)口錯開，使得彼此的氣流不會直接相遇，同時將新風(fēng)口盡量不要偏置在排風(fēng)口的一側(cè)，使得送風(fēng)能夠較為均勻地被排出。

5.2 優(yōu)化方案二分析

根據(jù)優(yōu)化方案一模擬結(jié)果，新風(fēng)口的布置位置將會影響排風(fēng)柜排風(fēng)口的氣流組織均勻性。因此，將原來的新風(fēng)口1、新風(fēng)口 2 以及新風(fēng)口 3、新風(fēng)口 4 在長度方向上錯開，并盡量不要偏置在排風(fēng)口的一側(cè)。

同樣地，對優(yōu)化方案二進(jìn)行幾何建模、網(wǎng)格劃分以及迭代計算等處理后，優(yōu)化方案二排風(fēng)口排風(fēng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差如表 4所示。

表4 優(yōu)化方案二排風(fēng)口排風(fēng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差

根據(jù)表 4 的統(tǒng)計數(shù)值，排風(fēng)口 4 的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差下降到了0.120，不再明顯比其他排風(fēng)口高。其他風(fēng)口較之優(yōu)化方案一都有所降低或者基本相同，6 個風(fēng)口的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差平均值為 0.105，相對于原型方案的 0.132 降低了 20.4%，相較于優(yōu)化方案一的 0.117 降低了 10.3%，從總體和局部風(fēng)口上來說排風(fēng)不均勻度都有所下降。另外，經(jīng)統(tǒng)計，離地 1.5 m 高處的平面風(fēng)速基本都在 0.5 m/s 以下。同時，在優(yōu)化方案一中 2 個新風(fēng)口送出氣流對沖的情況也基本消失。

6 結(jié) 語

本研究通過對原型方案、優(yōu)化方案一以及優(yōu)化方案二的模擬計算分析，對于理化試驗室排風(fēng)柜排風(fēng)均勻性有如下結(jié)論。

（1）排風(fēng)柜的排風(fēng)量雖然有文丘里閥控制，但排風(fēng)口附近區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速分布也存在著不均勻的現(xiàn)象。

（2）室內(nèi)送風(fēng)口的布置方案將會對排風(fēng)口排風(fēng)風(fēng)速造成擾動，進(jìn)而加劇排風(fēng)口氣流組織的不均勻度。

（3）原型方案采用單側(cè)新風(fēng)口的布置，排風(fēng)柜排風(fēng)口的排風(fēng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差平均值達(dá) 0.132。如優(yōu)化方案一將新風(fēng)口在雙側(cè)布置，則排風(fēng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差平均值將降至 0.117。在新風(fēng)口雙側(cè)布置的前提下，優(yōu)化方案二再將新風(fēng)口位置錯開，能進(jìn)一步降低排風(fēng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差平均值至 0.105，較之原型方案和優(yōu)化方案一分別降低 20.4% 和 10.3%。

（4）對于一個試驗室房間，末端風(fēng)口可沿著面寬方向雙側(cè)布置，盡量避免單側(cè)布置，進(jìn)而造成空調(diào)送風(fēng)對排風(fēng)柜排風(fēng)口附近的氣流組織造成擾動。

（5）在靠近排風(fēng)柜的上方區(qū)域，考慮到貼附射流的影響，在布置末端風(fēng)口時，應(yīng)設(shè)法避免 2 個風(fēng)口的服務(wù)半徑存在重疊的情況。如限于房間尺寸，無法做到時，也應(yīng)盡量將風(fēng)口錯開布置，否則兩股貼附射流相遇下沉后將會對排風(fēng)柜排風(fēng)口的氣流組織均勻性造成較大的影響。