紹興某印染廠染色廠房冬季自然通風(fēng)數(shù)值模擬分析

鄭現(xiàn)昱 狄育慧 郝振東

（1.西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710048；2.西安工程大學(xué)柯橋紡織產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院 紹興 312030）

0 引言

印染廠印染過程中各工序都不同程度地使用蒸汽、燃?xì)?，其染色廠房中密集排布的高溫?zé)嵩慈旧珯C(jī)，更容易導(dǎo)致溫度分布不均和空氣流通不暢。南方印染廠在冬季一般停用機(jī)械通風(fēng)，采用自然通風(fēng)[1]。自然通風(fēng)是利用室內(nèi)外溫差造成的熱壓或風(fēng)力作用造成的風(fēng)壓來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)換氣，作為一種經(jīng)濟(jì)節(jié)能的通風(fēng)方式被廣泛應(yīng)用在各類建筑中。

萬鑫等探究了具有內(nèi)熱源的工業(yè)廠房自然通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口離地高度等建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)自然通風(fēng)的影響[2,3]。折倩娜等研究了不同熱源條件下通風(fēng)口面積對(duì)自然通風(fēng)的影響[4]。Wang 等研究了對(duì)流和輻射作用對(duì)工業(yè)廠房熱壓通風(fēng)的影響[5]。趙福云等認(rèn)為科學(xué)合理的通風(fēng)口位置不僅使廠房獲得良好的通風(fēng)效果，同時(shí)還能保障工作人員健康，降低企業(yè)生產(chǎn)成本[6,7]。目前對(duì)具有內(nèi)部熱源工業(yè)廠房的研究大多是在夏季通風(fēng)方面，對(duì)于冬季通風(fēng)研究較少。

本文以浙江省紹興市某印染廠染色廠房為研究對(duì)象，利用Fluent 軟件研究該廠房冬季采用自然通風(fēng)在不同通風(fēng)口位置、不同熱源強(qiáng)度條件下的溫度與氣流分布情況。

1 物理模型及模擬方法

1.1 物理模型及控制方程

以紹興市某印染廠染色廠房為研究對(duì)象（見圖1），廠房占地面積12160m2，空間尺寸為160m×76m×7.7m（長(zhǎng)×寬×高）。該廠房通風(fēng)系統(tǒng)的幾何參數(shù)如表1所示。

圖1 染色廠房三維物理模型Fig.1 3D physical model of dyeing workshop

表1 染色廠房通風(fēng)系統(tǒng)的幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of the ventilation system of the dyeing workshop

廠房沿x 方向分為兩個(gè)區(qū)域，東側(cè)為白胚存放A 區(qū)，西側(cè)為染色工作B 區(qū)。將染色工作B 區(qū)的染色機(jī)簡(jiǎn)化為矩形形狀[8]，其中染色1 區(qū)（見圖2）和染色2 區(qū)的染色機(jī)尺寸為11m×3m×2.5m（長(zhǎng)×寬×高），染色3 區(qū)的染色機(jī)尺寸為10m×3m×2m（長(zhǎng)×寬×高），染色4 區(qū)的染色機(jī)尺寸為6m×3m×3m（長(zhǎng)×寬×高）。進(jìn)風(fēng)窗底部距地面高度為1m。

圖2 染色區(qū)域劃分Fig.2 Division of dyeing area

自然通風(fēng)情況下廠房?jī)?nèi)不可壓縮空氣流動(dòng)和傳熱問題滿足流體力學(xué)控制方程[9,10]組：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；τ為時(shí)間，s；xi和xj為速度u分量的方向；ui和uj為速度u在不同方向上的分量，m/s；p為平均壓力，Pa；τij為應(yīng)力張量，Pa；g為自由落體加速度，m/s2；Fi為浮升力，Pa/m；h為流體比焓，J/kg；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；kt為湍流脈動(dòng)動(dòng)能，W/(m·K)；T為流體的熱力學(xué)溫度，K；Sh為用戶自定義的體積熱源項(xiàng)，W/m3。

1.2 數(shù)值模擬方法

本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算模型采用Realizablek-ε湍流模型[4]，由于溫差引起的浮升力的影響，選用Boussinesq假設(shè)[11]；近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法；考慮到熱源對(duì)周圍空氣有存在輻射作用，因此選用Rosseland輻射模型[12]。選擇SIMPLEC 算法進(jìn)行求解，方程的離散選用二階迎風(fēng)格式。計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格在進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口及染色機(jī)熱源處進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為230 萬。

1.3 邊界條件

冬季工況下實(shí)測(cè)室外環(huán)境溫度為7.4℃，氣壓為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；廠房南北兩側(cè)門窗均開啟，為自然通風(fēng)的進(jìn)風(fēng)口，設(shè)置為速度入口邊界條件，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速取測(cè)試平均值（門風(fēng)速1.53m/s、窗風(fēng)速2.2m/s）；屋頂排風(fēng)口的邊界條件設(shè)置為壓力出口；染色機(jī)熱源設(shè)為定壁溫邊界條件，取現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量平均值45.8℃。

1.4 模型驗(yàn)證

選擇該廠房生產(chǎn)工作者操作和經(jīng)常停留地點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)位置，其中立姿作業(yè)高度為1.5m。廠房?jī)?nèi)部測(cè)量點(diǎn)如圖3所示。

圖3 高度1.5m 處染色工作B 區(qū)測(cè)量點(diǎn)布置Fig.3 Layout of measurement points in dyeing work area B at a height of 1.5m

在通風(fēng)口位置不變的情況下，對(duì)染色廠房?jī)?nèi)部進(jìn)行數(shù)值模擬，并將各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的模擬空氣溫度值與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證及誤差分析。由圖4可知，模擬溫度變化規(guī)律基本與實(shí)際測(cè)量值一致，最小相對(duì)誤差為0.55%，最大相對(duì)誤差7.21%，平均誤差為4.95%，誤差處于可接受范圍內(nèi)，因此本文模擬方法是比較可靠的。

圖4 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.4 Comparison of simulated and measured values

2 模擬結(jié)果分析

在通風(fēng)口面積不變的前提下通過控制變量法改變廠內(nèi)熱源強(qiáng)度及進(jìn)出風(fēng)口高度差，研究不同工況下高度1.5m 處截面上各點(diǎn)的溫度和氣流分布。根據(jù)染色布料種類不同以及工藝不同，依次設(shè)定熱源強(qiáng)度為40℃，60℃，80℃；由于受到廠房結(jié)構(gòu)限制通過改變北墻進(jìn)風(fēng)窗高度位置來改變進(jìn)出風(fēng)口中心高度差，進(jìn)出風(fēng)口中心高度差依次為2m，4m，6m。

2.1 進(jìn)出風(fēng)口中心高度差為2m 不同熱源強(qiáng)度下的模擬結(jié)果

冬季工況下實(shí)測(cè)室外溫度為7.4℃，當(dāng)北墻進(jìn)出風(fēng)口中心高度差為2m，熱源強(qiáng)度從40℃到80℃時(shí)，高度1.5m 截面上的溫度云圖、速度云圖如圖5所示。可以看出高溫區(qū)（溫升大于3℃）主要集中在染色1 區(qū)和染色2 區(qū)之間的走廊，染色3 區(qū)和染色4 區(qū)之間的走廊以及染色機(jī)周圍。

圖5 進(jìn)出風(fēng)口中心高度差為2m 時(shí)的模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results when the center height difference between inlet and outlet is 2m

從速度云圖中看出，染色1 區(qū)中間位置空氣流速低于0.3m/s。當(dāng)熱源強(qiáng)度為40℃時(shí)，染色1 區(qū)和染色2 區(qū)之間走廊的中心區(qū)域的氣流速度低于0.4m/s，空氣流通性較差，出現(xiàn)流通死區(qū)，走廊大部分區(qū)域溫度在16.2～20.7℃之間，隨著熱源強(qiáng)度的提高，空氣流通得到一定改善，但熱源強(qiáng)度為80℃時(shí)，走廊大部分區(qū)域溫度高于32.5℃，中心區(qū)域溫度更是超過36℃，較大的溫度梯度，給工作人員帶來極大的影響。由于受到染色4 區(qū)染色機(jī)設(shè)備的阻擋，染色3 區(qū)和染色4 區(qū)之間走廊的空氣流速較低，大部分區(qū)域的空氣流速低于0.4m/s，局部空氣流速低于0.1m/s，導(dǎo)致該區(qū)域溫度較高。分布密集的染色機(jī)容易阻礙空氣的流動(dòng)，熱源產(chǎn)生的大量熱量不能及時(shí)被帶走，當(dāng)熱源強(qiáng)度為80℃時(shí)，染色機(jī)之間形成了43℃以上的局部高溫區(qū)。染色工作B 區(qū)東西兩側(cè)走廊溫度分布比較合理，高溫區(qū)域主要分布在染色機(jī)周圍。

2.2 進(jìn)出風(fēng)口中心高度差為4m 不同熱源強(qiáng)度下的模擬結(jié)果

當(dāng)北墻進(jìn)出風(fēng)口中心高度差為4m，熱源強(qiáng)度從40℃到80℃時(shí)，高度1.5m 截面上的溫度云圖、速度云圖如圖6所示。此工況下高溫區(qū)與進(jìn)出風(fēng)口高度差2m 工況下高溫區(qū)分布規(guī)律基本相同。北墻進(jìn)風(fēng)窗高度的降低，使附近區(qū)域溫度有所降低，當(dāng)熱源強(qiáng)度為80℃時(shí)，染色1 區(qū)溫度超過43℃的高溫區(qū)臨近進(jìn)風(fēng)窗的周圍出現(xiàn)溫度低于39.5℃以及局部空氣流速小于0.4m/s 的區(qū)域；染色1 區(qū)和染色2區(qū)之間走廊中心區(qū)域溫度高于37.5℃的面積較大。染色機(jī)之間狹窄的空間導(dǎo)致的高溫區(qū)依舊存在。從速度云圖中看出，隨著熱源強(qiáng)度的減小，染色1 區(qū)和染色2 區(qū)之間走廊空氣流速低于0.4m/s的區(qū)域面積逐步增大，染色B 區(qū)東西兩側(cè)走廊和染色4 區(qū)周圍空氣流通性也逐漸降低。

圖6 進(jìn)出風(fēng)口中心高度差為4m 時(shí)的模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results when the center height difference between inlet and outlet is 4m

2.3 進(jìn)出風(fēng)口中心高度差為6m 不同熱源強(qiáng)度下的模擬結(jié)果

當(dāng)北墻進(jìn)出風(fēng)口中心高度差為6m，熱源強(qiáng)度從40℃到80℃時(shí)，高度1.5m 截面上的溫度云圖、速度云圖如圖7所示。該工況下高溫區(qū)域與前兩種工況下分布規(guī)律基本相似。北墻進(jìn)風(fēng)窗中心距地面高度為1.7m（底部距地面高度為1m），染色1 區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)窗口處空氣流速高于1.2m/s，局部溫度小于16℃，遠(yuǎn)離窗口的染色機(jī)周圍出現(xiàn)大面積空氣流速小于0.4m/s 的區(qū)域。染色1 區(qū)和染色2 區(qū)之間走廊中心區(qū)域空氣流通性能相對(duì)較差，三種熱源強(qiáng)度模擬結(jié)果中，都出現(xiàn)了局部氣流速度低于0.1m/s 的區(qū)域，熱源強(qiáng)度40℃時(shí)最為明顯，當(dāng)熱源強(qiáng)度為80℃時(shí)，臨近染色機(jī)的區(qū)域溫度超過39.5℃。當(dāng)熱源強(qiáng)度為80℃時(shí)，染色工作B 區(qū)西側(cè)走廊靠近染色3 區(qū)的周圍局部空氣流速低于

圖7 進(jìn)出風(fēng)口中心高度差為6m 時(shí)的模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results when the center height difference between inlet and outlet is 6m

0.3m/s。

2.4 不同進(jìn)出風(fēng)口中心高度差的模擬結(jié)果對(duì)比

將冬季工況下不同進(jìn)出風(fēng)口中心高度差模擬結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：相同熱源強(qiáng)度條件下，北墻進(jìn)風(fēng)窗中心高度降低，染色1 區(qū)染色機(jī)周圍空氣流速低于0.3m/s 的區(qū)域面積擴(kuò)大；室外風(fēng)由進(jìn)風(fēng)窗進(jìn)入染色1 區(qū)，經(jīng)過靠近窗口的染色機(jī)時(shí)能更好的帶走熱源產(chǎn)生的熱量，然后在染色1 區(qū)和染色2 區(qū)之間走廊中心區(qū)域匯聚，并與多股氣流相互干擾，通過速度云圖看出，走廊中心區(qū)域空氣流通性隨進(jìn)出風(fēng)口中心高度差增大（進(jìn)風(fēng)口中心高度降低）而降低，該區(qū)域溫度也隨之增加，表2 給出了染色1 區(qū)和染色2 區(qū)之間走廊區(qū)域平均溫度模擬值，說明同一熱源強(qiáng)度條件下，進(jìn)出風(fēng)口中心高度差的提升，導(dǎo)致走廊溫度梯度增大，染色廠房工作環(huán)境更加糟糕。進(jìn)風(fēng)口中心高度降低時(shí)，染色工作B 區(qū)西側(cè)走廊溫度隨之增高，局部空氣流速逐步降低，但東側(cè)走廊的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)并未發(fā)生明顯變化。染色3區(qū)和染色4 區(qū)及其中間走廊區(qū)域由于遠(yuǎn)離北墻進(jìn)風(fēng)窗以及染色1 區(qū)和染色2 區(qū)染色機(jī)設(shè)備的阻礙，進(jìn)出風(fēng)口高度差的改變對(duì)該區(qū)域影響較小。

表2 染色1 區(qū)和染色2 區(qū)之間走廊區(qū)域平均溫度模擬值Table 2 Simulation values of average temperature in the corridor between dyeing zone 1 and dyeing zone 2

3 結(jié)論

（1）冬季工況下采用自然通風(fēng)，熱源強(qiáng)度為60℃和80℃時(shí)大片區(qū)域溫度高于28℃，不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范[13]要求。

（2）增加進(jìn)出風(fēng)口中心高度差能夠一定程度上改善染色1 區(qū)局部區(qū)域空氣流動(dòng)和溫度，但擾亂了染色1 區(qū)和染色2 區(qū)之間走廊中心區(qū)域的空氣流動(dòng)，導(dǎo)致該區(qū)域熱量無法及時(shí)被帶走，在冬季北墻應(yīng)盡量少開窗。

（3）除染色4 區(qū)以外的其他三個(gè)染色區(qū)的染色機(jī)由于分布比較密集周圍空間狹窄，小范圍空氣流速過低，容易出現(xiàn)熱量堆積，形成局部高溫區(qū)。

（4）當(dāng)熱源強(qiáng)度為60℃和80℃時(shí)，可以考慮在染色工作B 區(qū)采用局部送風(fēng)，特別是染色1 區(qū)和染色2 區(qū)之間走廊區(qū)域，從而降低工作區(qū)溫度。