新式射流風(fēng)機(jī)在大空間列車檢修庫的通風(fēng)模擬★

董海廣，胡 睿，趙光輝

(1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,北京 102600；2.北京建筑大學(xué),北京 100044)

0 引言

隨著近年來我國高速鐵路以及地鐵的快速發(fā)展，為高鐵和地鐵提供后勤保障維修服務(wù)的動車所和地鐵車輛段也同時大量涌現(xiàn)，在動車所和地鐵車輛段中的核心功能建筑便是檢修庫。由于城市土地資源緊張，燈光、機(jī)車空調(diào)等內(nèi)部發(fā)熱源和外部太陽輻射，在夏季工作期間車庫內(nèi)最高溫度可達(dá)38 ℃以上，庫內(nèi)明顯悶熱[1]。除了較高的室內(nèi)溫度外，庫內(nèi)由于機(jī)車底盤有機(jī)物揮發(fā)和檢修作業(yè)，庫內(nèi)還會產(chǎn)生一定量的污染性氣體。因此，如何保證車庫內(nèi)的良好通風(fēng)，為室內(nèi)輸送新鮮空氣，降低室內(nèi)溫度的同時提高其空氣品質(zhì)，為工作人員營造一個健康、舒適的工作生產(chǎn)環(huán)境，具有重要的意義。

車庫大空間的空氣環(huán)境以及通風(fēng)研究大多采用數(shù)值模擬方法，李炎鋒等[2]采用大渦數(shù)值模擬研究了地下車庫送風(fēng)口與射流風(fēng)機(jī)風(fēng)速、換氣次數(shù)等因素對車庫通風(fēng)效果的影響；張依[3]用數(shù)值模擬對某大型物流車庫的復(fù)合通風(fēng)進(jìn)行設(shè)計研究；李雪薇等[4]用數(shù)值模擬對復(fù)式地下車庫風(fēng)口布置與通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析；孟德雨等[5]用數(shù)值模擬研究地下車庫氡遷移的規(guī)律；李云浩等[6]用數(shù)值模擬研究車庫內(nèi)氫氣擴(kuò)散和分布狀態(tài)；殷明昊等[7]用數(shù)值模擬研究車位分布、風(fēng)口數(shù)量和位置對車庫內(nèi)污染物的影響規(guī)律。

無風(fēng)管誘導(dǎo)通風(fēng)在車庫類大空間尚屬于較新的通風(fēng)方式。對于誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)的使用，國內(nèi)列車檢修庫目前還處于嘗試階段。李斯文等[8]用數(shù)值模擬方法對地下大空間采用無風(fēng)管誘導(dǎo)通風(fēng)時的氣流組織進(jìn)行模擬分析，通過改變送排風(fēng)口的相對位置、噴嘴的射流角度、送排風(fēng)機(jī)壓差，總結(jié)了無風(fēng)管誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)的運行規(guī)律，認(rèn)為無風(fēng)管誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)適合大空間通風(fēng)。曾雯[9]對蓋下車輛段采用4種通風(fēng)方案進(jìn)行對比分析，認(rèn)為誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)外加壁式送排風(fēng)機(jī)的通風(fēng)方式對車輛段的熱環(huán)境改善效果較好。文獻(xiàn)[10-11]對不同通風(fēng)模式進(jìn)行研究，認(rèn)為誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)能有效改善環(huán)境質(zhì)量。本研究以某檢修庫為研究對象，將一種新式射流風(fēng)機(jī)應(yīng)用于該檢修庫進(jìn)行通風(fēng)，用數(shù)值模擬研究其合適的安裝射流俯角，為解決超大空間列車檢修庫的通風(fēng)難題提供了一種新的技術(shù)通風(fēng)方法。

1 研究對象概況及模型建立

1.1 研究對象概況

本研究對象為某運用庫，長282 m，寬95.6 m，共17股道，內(nèi)部分3個區(qū)域，臨修庫1條股道，月檢庫2條股道，停車列檢庫14條股道，屋面檐口高約13 m。進(jìn)出端每個股道位置有兩扇寬×高2.1 m×5.5 m的折疊外門，檢修庫主體結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)。

1.2 模型建立

考慮到檢修庫屋面為鋼網(wǎng)架，上部管線較多，將檢修庫內(nèi)部高度設(shè)定為11 m凈高，在排列相同的多股道中取對稱的4股道空間來進(jìn)行研究，建立長282 m、寬18.4 m，高11 m的檢修庫模型(見圖1)，其中內(nèi)部4條股道均停放長118 m、寬2.8 m、車廂高3.7 m的列車2對，車廂底距地面1.2 m，每股道的進(jìn)出端4.2 m×5.5 m外門為進(jìn)風(fēng)口，入口風(fēng)速為0.5 m/s，在檢修庫模型4條股道中的1股和2股，3股和4股道間通道內(nèi)設(shè)8臺射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，間距35 m，距進(jìn)出端分別為20 m，55 m，90 m，125 m，160 m，195 m，230 m，265 m，風(fēng)機(jī)中心距地面高度6 m，風(fēng)機(jī)風(fēng)口采用矩形風(fēng)口，寬0.9 m，高0.2 m，出口風(fēng)速16 m，風(fēng)量10 370 m3/h，風(fēng)壓250 Pa，每股道另外一端外墻設(shè)置2臺壁式軸流風(fēng)機(jī)，排風(fēng)量20 800 m3/h。射流風(fēng)機(jī)模型見圖2。

1.3 模擬工況設(shè)置

根據(jù)以上模型，模型采用四面體網(wǎng)格(Tet/Hybrid網(wǎng)格)，并對射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)周圍空間進(jìn)行局部加密處理，采用Fluent軟件，選擇基于壓力的分離求解器，將能量方程、k-ε方程作為基本方程，對誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口法線與水平面夾角(射流俯角)分別為10°,15°,20°的三種工況(工況1～工況3)進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)流動的模擬計算。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 模擬結(jié)果

在模型中取距離地面高度為1 m,1.5 m的水平面為觀察面A1,A2，通過射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)中心的豎直縱向剖面和通過無射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的通道的豎直縱向剖面分別為觀察面B1和B2，如圖3所示。根據(jù)模擬結(jié)果得到三種工況下A1,A2,B1,B2四個觀察面的速度分布圖，如圖4～圖6所示。

2.2 模擬結(jié)果分析

射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)俯角分別為10°,15°,20°時的三種工況下A1,A2,B1,B2平面上的平均風(fēng)速如表1所示。

表1 各觀察面上平均風(fēng)速 m/s

通過圖4～圖6，表1可以看出，采用射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)可以實現(xiàn)檢修庫內(nèi)空氣的良好流通，庫內(nèi)氣流組織為從進(jìn)風(fēng)端到出風(fēng)端的不均勻單向流，室外新風(fēng)可以源源不斷地輸送進(jìn)庫內(nèi)各通道，射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)安裝高度以下區(qū)域由于射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的推射誘導(dǎo)作用，空氣流通較好，下部人員活動區(qū)有良好的空氣流通，人員活動區(qū)平均風(fēng)速在0.5 m～2.0 m范圍，可以改善人體的熱舒適感。工況1俯角較小，射流主要沿水平方向，射流尾部受下一階射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)影響而向上浮，射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)間距的中部位置出現(xiàn)循環(huán)渦流，形成空氣循環(huán)的盲區(qū)，空氣流動速度較小。工況3俯角較大，可以看出射流空氣到達(dá)地面位置的反彈流動，空氣射流傳遞不到下一階射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)下方位置的空氣流速較小，人員活動區(qū)風(fēng)速在射流到達(dá)地面附近區(qū)域的平均風(fēng)速較高，射流末端平均風(fēng)速較小，雖然平均速度較大，但人員活動區(qū)風(fēng)速分布不均勻，局部風(fēng)速偏高，會有激起地面灰塵的情況。工況2俯角介于工況1和工況3之間，各階射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)可以形成很好的射流傳遞，空氣動量傳導(dǎo)效果好，射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)安裝高度以下無循環(huán)盲區(qū)，人員活動區(qū)空氣流速分布均勻，且速度大小合適，為效果最優(yōu)工況。

從B2觀察面的速度云圖可以看出，未設(shè)置射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的通道內(nèi)也形成了分階段的空氣循環(huán)流動，這是由于列車底部為架空區(qū)域，射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的射流到達(dá)地面后，在自身動能作用下，由列車底部穿入相鄰?fù)ǖ溃缓笥梢浑A誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)在高處形成的負(fù)壓吸引下，形成從下至上的逐級流動，該通道人員活動區(qū)風(fēng)速較小，平均風(fēng)速在0.25 m/s～0.8 m/s,射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的俯角越大，相鄰?fù)ǖ纼?nèi)的風(fēng)速越高，對相鄰?fù)ǖ赖目諝饬鲃釉接欣?，只是對射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)所在通道的空氣動能傳遞造成一定的損失。

3 結(jié)論

本文用Fluent數(shù)值模擬對該流場誘導(dǎo)射流風(fēng)機(jī)的三種應(yīng)用工況下的通風(fēng)效果進(jìn)行了對比分析，得出如下結(jié)論：

1)采用射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的技術(shù)方法可以實現(xiàn)檢修庫內(nèi)空氣的良好流通，可以促使庫內(nèi)空氣形成從進(jìn)風(fēng)端到出風(fēng)端的單向流動，室外新風(fēng)可以源源不斷地輸送進(jìn)庫內(nèi)各通道，保證庫內(nèi)中下部區(qū)域的新風(fēng)換氣，下部人員活動區(qū)有良好的空氣流通，人員活動區(qū)平均風(fēng)速在0.5 m～2.0 m范圍，可以改善人體的熱舒適感。

2)在本工程案例中，射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口俯角取15°合適，當(dāng)然如果射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的安裝高度和設(shè)置間距與本案例不同，需另行模擬計算。

3)未設(shè)置射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的通道，在相鄰?fù)ǖ纼?nèi)射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的作用下，也可形成分階段的空氣循環(huán)流動，空氣循環(huán)流動速度略低一些，可見在工程應(yīng)用中如投資受限，射流誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)可間隔一個通道設(shè)置。