基于COMSOL的精鍛廠(chǎng)房夏季室內(nèi)溫度仿真

陳 輝，張佳琦，李國(guó)軍，范 磊，李漢錕

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110167）

0 引言

隨著我們國(guó)家步入“十四·五”，生態(tài)文明建設(shè)更加受到了人們的關(guān)注。由于社會(huì)的發(fā)展我國(guó)碳排放也隨之增多。2015年到2020年的能源消費(fèi)總量呈逐年上升的趨勢(shì)；2015年至2019年的能源變化率分別為0.9%、1.3%、2.9%、3.34%和4.74%，其變化率同樣逐年增長(zhǎng)，而2020年由于疫情的影響其增長(zhǎng)率為2.47%比上年的增長(zhǎng)率4.74%有所下降，但總體上仍然呈上升的趨勢(shì)[1-7]?？梢灶A(yù)見(jiàn)未來(lái)我國(guó)對(duì)能源的需求量依舊會(huì)逐年上升。因此降低能源消耗、碳中和已經(jīng)成為企業(yè)發(fā)展不可回避的一個(gè)問(wèn)題。如何既滿(mǎn)足生產(chǎn)實(shí)際需要，又可以利用已有的資源降低能源的損耗，成為了當(dāng)今討論的熱門(mén)話(huà)題。熱泵、換熱器、熱回收器等將低品位能轉(zhuǎn)換成高品位能的余熱回收裝置已經(jīng)成為當(dāng)今降低能源損耗的主要方法之一。

何華明設(shè)計(jì)了一種新回風(fēng)換氣機(jī)，其采用的芯體為親水高分子纖維，并使水蒸發(fā)冷卻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高效熱回收[8]。Amiraslanpour Mojtaba等采用基于拉格朗日的粒子輸運(yùn)方法，采用浮力效應(yīng)的非boussinesq模型，研究了層流通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素對(duì)手術(shù)室污染物去除和熱舒適條件的影響[9]。Ruiye Li等提出了一種新的非均勻徑向通風(fēng)管道設(shè)計(jì)方法，可提供軸向溫度分布均勻的SVDS優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，且大大降低了計(jì)算成本[10]。

上述研究中對(duì)工廠(chǎng)內(nèi)的自然通風(fēng)仿真和對(duì)工廠(chǎng)內(nèi)特定位置的不同情況下的溫度變化鮮有研究。中一精鍛在建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中采用通風(fēng)排煙天窗來(lái)消除鍛造時(shí)所產(chǎn)生的室內(nèi)余熱，進(jìn)風(fēng)采取自然進(jìn)風(fēng)的方式。為保障工廠(chǎng)內(nèi)的通風(fēng)方式可以消除鍛造時(shí)所產(chǎn)生的室內(nèi)余熱，現(xiàn)對(duì)不同進(jìn)風(fēng)條件、不同室外溫度下工廠(chǎng)內(nèi)的溫度進(jìn)行仿真，確定消除室內(nèi)余熱的風(fēng)速條件的臨界值，確定機(jī)械通風(fēng)的換氣次數(shù)，為后續(xù)機(jī)械通風(fēng)的構(gòu)建打下基礎(chǔ)。

1 精鍛廠(chǎng)房自然通風(fēng)狀況

根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)，夏季平均溫度為27.5℃，平均風(fēng)速為2.9m/s，當(dāng)?shù)氐闹饕L(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)。根據(jù)2020年7月16日實(shí)測(cè)室外溫度為35℃風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，精鍛廠(chǎng)房的長(zhǎng)為180m、寬為60m、高為14.1m。生產(chǎn)的產(chǎn)品為汽車(chē)連桿，使用的材料為36MnVS6的棒料，其工藝流程為先通過(guò)剪切機(jī)把棒料剪裁為2kg的毛坯料，中頻爐給毛坯料加熱到1240℃，通過(guò)滾子鏈把加熱好的工件傳送至輥鍛機(jī)經(jīng)過(guò)輥鍛、模鍛和終鍛，切邊處理后空冷至室溫，最后進(jìn)行噴丸強(qiáng)化和熒光探傷等處理后成型入庫(kù)?，F(xiàn)室內(nèi)主要熱源為10個(gè)350kW的中頻爐。以廠(chǎng)房的西北角為坐標(biāo)原點(diǎn)，10個(gè)中頻爐中點(diǎn)在XY平面的坐標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 中頻爐XY平面坐標(biāo)Tab.1 Intermediate frequency furnace XY plane coordinates

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，中頻爐爐頂溫度為105℃，側(cè)墻溫度為95℃，爐內(nèi)溫度為1200℃，工作區(qū)三維幾何建模見(jiàn)圖1。

圖1 工作區(qū)幾何建模圖Fig.1 Geometric modeling diagram of workspace

式中：L—通風(fēng)量（m3/h）；n—換氣次數(shù)；Vf—廠(chǎng)房體積（m3）。

精鍛廠(chǎng)房的具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 工廠(chǎng)參數(shù)表Tab.2 Factory parameter table

2 精鍛廠(chǎng)房自然通風(fēng)仿真

2.1 CFD模塊概述

CFD的全稱(chēng)是Comoutational Fluid Dynamics計(jì)算流體力學(xué)，在COMSOL中的流體流動(dòng)接口包括單相流、管道流、多相流等。根據(jù)雷諾數(shù)Re的不同，可以選擇層流和湍流。

當(dāng)雷諾數(shù)小于2000時(shí)選擇層流物理場(chǎng)進(jìn)行仿真，當(dāng)雷諾數(shù)大于2000時(shí)選擇湍流模型進(jìn)行仿真。湍流可由模型種類(lèi)分為L(zhǎng)-VEL、k-ε、k-ω、SST，他們的計(jì)算代價(jià)依次遞增。研究分為瞬態(tài)研究和穩(wěn)態(tài)研究，可以對(duì)流體的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真。圖2是COMSOL的仿真流程。

圖2 COMSOL仿真流程圖Fig.2 COMSOL simulation flow chart

2.2 COMSOL仿真方程

湍流方程：

式中：ρ—密度；u—流速場(chǎng)；K—湍流動(dòng)能；F—影響流體的體積力；μ—?jiǎng)恿φ扯?；ε—湍流耗散率?/p>

固體和流體傳熱方程：

式中：ρ—密度；u—流速場(chǎng)；△T—溫度梯度；Cp—比熱容；q—熱傳導(dǎo)速率；Q—空間分布的熱源；k—熱傳導(dǎo)系數(shù)。

2.3 設(shè)置物理場(chǎng)邊界的相關(guān)參數(shù)

式中：Re—雷諾數(shù)；ρ—流體密度；v—流體流速；d—特征長(zhǎng)度；μ—粘性系數(shù)。通過(guò)計(jì)算該仿真模型的雷諾數(shù)大于2000所以選擇k-ε模型[11-12]。

式中：l—湍流長(zhǎng)度；L—水利半徑。

式中：a、b—矩形管道邊長(zhǎng)。

式中：I—湍流強(qiáng)度；Re—雷諾數(shù)。

工廠(chǎng)屋頂傳熱系數(shù)為0.048，表面輻射率為0.95。通過(guò)以上數(shù)據(jù)對(duì)工廠(chǎng)室內(nèi)自然通風(fēng)進(jìn)行仿真。該仿真為非等溫流流動(dòng)中的湍流k-ε模型和傳熱輻射中的表面對(duì)表面輻射傳熱模型的多物理場(chǎng)仿真模型。

2.4 通過(guò)COMSOL對(duì)工作區(qū)的溫度場(chǎng)仿真

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)可知在夏季時(shí)當(dāng)?shù)氐钠骄L(fēng)速為2.9m/s，但室外環(huán)境參數(shù)不是一成不變的，因此對(duì)多種風(fēng)速條件下的室內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真。

2.4.1 仿真前對(duì)環(huán)境參數(shù)的設(shè)置

室內(nèi)進(jìn)風(fēng)口總面積為96.92m2。該仿真中涉及的材料分別為工廠(chǎng)內(nèi)部空氣，中頻爐爐體材料為Q235。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量室外溫度為35℃。室內(nèi)空氣的材料屬性見(jiàn)表3。

表3 空氣屬性參數(shù)表Tab.3 Air attribute parameter table

2.4.2 仿真前對(duì)輸出的截面設(shè)置

以廠(chǎng)房的西北角為坐標(biāo)原點(diǎn)，本研究輸出的截面為鍛造區(qū)YZ平面截面，其x軸坐標(biāo)為15m，該截面所在位置是鍛造區(qū)的過(guò)道，是工人們的主要操作區(qū)，具體仿真截面見(jiàn)圖3。

圖3 仿真二維截面位置圖Fig.3 Location diagram of simulated two-dimensional sectio

3 仿真過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 設(shè)置環(huán)境溫度為35℃時(shí)的仿真

根據(jù)實(shí)測(cè)室內(nèi)溫度為36.3℃，實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為（15，120，1），風(fēng)速為2.9m/s，仿真結(jié)果為35.8℃誤差為1.3%，說(shuō)明該仿真具有實(shí)際意義。在進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為2.9m/s時(shí)，由公式（1）可得其每小時(shí)的室內(nèi)換氣次數(shù)約為6次。通過(guò)圖4（a）可以得出，在風(fēng)速為2.9m/s時(shí)室內(nèi)平均溫度為35.55℃，由中頻爐引起的升溫為0.55℃，頂部最高溫度為36℃，內(nèi)部溫度相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)圖4（b）可以得出，在風(fēng)速為2.0m/s時(shí)室內(nèi)平均溫度為35.6℃，由中頻爐引起的升溫為0.6℃，頂部最高溫度為36.7℃，內(nèi)部溫度相比風(fēng)速為2.9m/s時(shí)逐漸升高。通過(guò)圖4（c）可以得出，在進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為1.5m/s時(shí)，通風(fēng)量為523368m3/h，由公式（1）可得其每小時(shí)的室內(nèi)換氣次數(shù)約為3次，室內(nèi)平均溫度為35.7℃，由中頻爐引起的升溫為0.7℃，頂部最高溫度為37℃，內(nèi)部溫度在中頻爐附近有明顯的升高，在自然通風(fēng)條件下其內(nèi)部溫度不如風(fēng)速為2.9m/s時(shí)穩(wěn)定。在進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為1m/s時(shí)，通風(fēng)量為348912m3/h，由公式（1）可得其每小時(shí)的室內(nèi)換氣次數(shù)約為2次，通過(guò)圖4（d）可以得出，在風(fēng)速為1m/s時(shí)室內(nèi)平均溫度為35.9℃，由中頻爐引起的升溫為0.9℃，頂部最高溫度為37.5℃，在自然通風(fēng)條件下已經(jīng)逐漸的不能消除室內(nèi)余熱，中頻爐對(duì)室內(nèi)升溫的影響范圍也有所擴(kuò)大。

圖4 不同風(fēng)速下工作區(qū)的溫度分布梯度圖Fig.4 Temperature distribution gradient diagram of working area under different wind speeds

3.2 設(shè)置環(huán)境溫度為26℃時(shí)的仿真

通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度26℃時(shí)進(jìn)風(fēng)口不同風(fēng)速條件下的溫度仿真，來(lái)確定機(jī)械通風(fēng)的換氣次數(shù)，通過(guò)COMSOL軟件對(duì)室外溫度為26℃時(shí)室內(nèi)換氣次數(shù)分別為3次和4次兩種情況進(jìn)行仿真。兩種通風(fēng)情況室內(nèi)整體的溫度平均值分別為27℃和26.9℃溫度相差0.1℃，夏季室內(nèi)舒適溫度范圍是24.8℃-28.3℃，所以均在人體舒適的溫度范圍內(nèi)且無(wú)明顯體感差別，對(duì)坐標(biāo)為（15，120，1）溫度進(jìn)行對(duì)比，其溫度分別為28.1℃和27.9℃，也在人體舒適的溫度范圍，其主要區(qū)別為換氣次數(shù)為3次時(shí)室內(nèi)27℃的溫度范圍比換氣4次的溫度范圍更多，但均在人體舒適范圍內(nèi)，具體如圖5所示。

圖5 室外溫度為26℃時(shí)不同換氣次數(shù)下工作區(qū)的溫度分布梯度圖Fig.5 Temperature distribution gradient diagram of working area under different ventilation times when the outdoor temperature is 26℃

3.3 仿真結(jié)果分析討論

室外溫度為35℃時(shí)，坐標(biāo)（15，120，1）點(diǎn)在進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為1.0m/s時(shí)的溫度為36.4℃，在進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為1.5m/s時(shí)的溫度為36.2℃，在進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為2.0m/s時(shí)的溫度為36℃，經(jīng)《GB-T4200-2008高溫作業(yè)分級(jí)》規(guī)定，在室內(nèi)大于36℃時(shí)允許連續(xù)接觸熱時(shí)間不超過(guò)30min，且每工作30min應(yīng)休息15min。為創(chuàng)造舒適的生產(chǎn)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，需要構(gòu)建通風(fēng)系統(tǒng)。室外溫度為26℃時(shí)室內(nèi)最高溫度為30℃，且范圍較小，主體溫度較為舒適，不用使用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文分析了精鍛車(chē)間的不同自然條件下的自然通風(fēng)。通過(guò)COMSOL對(duì)該廠(chǎng)房室外溫度為35℃時(shí)的內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，得到了該廠(chǎng)房進(jìn)風(fēng)口不同風(fēng)速下的內(nèi)部溫度梯度分布，反應(yīng)出了不同進(jìn)風(fēng)速度對(duì)室內(nèi)溫度的影響。通過(guò)對(duì)室外溫度為26℃時(shí)室內(nèi)溫度場(chǎng)仿真，為構(gòu)建出一套在自然通風(fēng)條件不能消除廠(chǎng)房?jī)?nèi)部余熱時(shí)使用的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)提供理論前提，通過(guò)機(jī)械通風(fēng)降低室內(nèi)溫度使工人在室外溫度過(guò)高時(shí)有一個(gè)使人體舒適的工作溫度。通過(guò)研究得出以下結(jié)論：

通過(guò)COMSOL對(duì)室外溫度為35℃進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速為2.9m/s、2.0m/s、1.5m/s、1.0m/s的情況下室內(nèi)自然通風(fēng)情況的仿真，得出在不同進(jìn)風(fēng)速度下的室內(nèi)溫度梯度圖，清晰的反應(yīng)出了中頻爐對(duì)室內(nèi)溫度的影響，為該廠(chǎng)房構(gòu)建機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)保證工人夏天工作時(shí)的舒適性，來(lái)保證生產(chǎn)效率提供理論基礎(chǔ)。

以COMSOL仿真得出的在不同進(jìn)風(fēng)速度下的室內(nèi)溫度梯度圖為參考依據(jù)，得出了在自然通風(fēng)不能滿(mǎn)足室內(nèi)通風(fēng)需求的情況下使用的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的換氣次數(shù)為3次，換氣量為473931m3/h。