有壓差空間之間墻洞的氣流分析

曲志君

0 引言

在很多工業和民用建筑中，為防止氣體從污染區流向潔凈區，或者為防止火災情況下火勢向逃生通道蔓延，會用到加壓送風等方法使相鄰空間形成壓力差［1］，從而實現空氣單向流動。為保證相鄰兩空間固定的壓力差，在建筑設計時常設置壓差閥調節兩室壓力。但有時兩室之間需在隔墻處開孔洞以用于物品傳送。此情況下，如何保證兩室壓差，并避免墻洞處高風速氣流對低壓室引起的不利影響，成為暖通設計的重要問題。

1 實際案例

天津某食品加工廠內有生鮮區和食品加工區兩種存儲加工區域。因工藝要求，需將食品從生鮮區傳送至熟食加工區，兩區之間隔墻有5個400mm×250mm的矩形傳送孔，傳送孔中心距為1.4 m，孔洞距地面1.2 m。因兩區潔凈等級不同，要求熟食加工間與生鮮儲藏間保持5 Pa～10 Pa的壓差(熟食區為高潔凈等級側)，并要求給出低壓側風速小于0.5 m/s的區域。現兩區的正壓狀態通過潔凈送風量控制。熟食加工間尺寸為10 m×8 m×6 m，生鮮儲存間尺寸為10 m×25 m×6 m(L×W×H)。隔墻長度10 m，高度6 m，厚度240mm。加工區域示意圖見圖1。

圖1 加工區域示意圖

圖2 傳送孔周圍網格

2 墻洞處氣流理論分析

2.1 墻洞阻力分析

墻洞處有氣流通過，存在阻力損失，其中包括從高壓空間進入墻洞的局部阻力損失Δpjj，氣流通過墻洞的沿程阻力損失Δpm，從墻洞流出進入低壓側的局部阻力損失Δpjc。

局部阻力計算公式［2］為:

其中，ζ為局部阻力系數;ρ為空氣密度，kg/m3;v為ζ與之對應的斷面流速，m/s。

沿程阻力計算公式［2］為:

其中，λ為摩擦阻力系數;Rs為風道的水利半徑，m;l為風道長度，m;v為風道內空氣平均流速，m/s。

2.2 墻洞射流分析

墻洞中的氣體射流入低壓空間后，射流氣體與低壓空間的空氣相互作用，不斷摻混室內空氣，使射流速度不斷下降。并受到室內空氣粘滯性作用，射流氣體的動能逐漸損失，最終速度降低為零。

等溫自由射流計算公式［4］為:

射流橫斷面直徑計算公式［4］為:

其中，x為射流的射程，m;vx為射程x處射流軸心速度，m/s;v0為射流出口速度，m/s;a為噴口的紊流系數;d0為射流出口直徑或當量直徑，m;dx為射程x處射流直徑，m。

2.3 空間壓差與墻洞之間的關系

因為通過墻洞氣流的能量均是由壓差引起的，在流動的過程中存在動能與勢能的轉化，符合伯諾里方程，所以氣流通過墻洞的阻力損失和氣流動能之和等于壓差的值。

空氣從高壓空間進入墻洞，為從大空間進入小空間。而空氣從墻洞進入低壓空間，為從小空間進入大空間。從書籍［2］查表可得從高壓空間進入墻洞的局部阻力系數ζj為0.5;從低壓空間進入墻洞的局部阻力系數ζc為0。將值代入式(5)可得:

3 數學模型

3.1 數值計算控制方程及網格劃分

數值計算模型的通用控制方程［5］為:

本文模擬采用商業軟件FLUENT，采用κ—ε兩方程模型。計算中假設兩側空氣溫度一致，因此沒有能量交換，所以在計算時關閉能量項。

因為傳送孔相對兩房間對稱(見圖2)，為簡化數值計算，只對房間的一半劃分體網格。傳送孔處采用邊界層網格，孔周圍網格最密，向周圍逐漸變粗。

3.2 邊界條件的設置

熟食加工區除隔墻以外墻壁設為壓力入口邊界，入口壓力為5 Pa;生鮮儲藏間除隔墻以外墻壁設為壓力出口邊界，出口壓力為0 Pa。兩房間中間垂直面設置為對稱面。其他壁面設為絕熱。

4 墻洞氣流的理論計算與數值計算

4.1 理論計算

由于工程上的風道內氣流一般為紊流，因此在計算時，首先假設傳送孔內空氣為紊流，從而可得出摩擦阻力系數λ=0.715。

根據兩空間壓差和傳送孔的尺寸，由式(6)可得出傳送孔平均風速 v=2.2 m/s。

因低壓側為生鮮儲藏區，如果長時間有氣流吹過生鮮食品，容易使食品失水變質。因此需計算出儲物間風速低，適于放置生鮮食品的區域。

現計算空洞氣流速軸心風速為0.5 m/s處的位置，由式(3)可得x=6.06 m。由式(4)可得vx=0.5 m/s時射流斷面直徑dx=4.42 m。傳送孔間距為1.4 m，因此此時射流之間已經相互交叉。同樣由式(3)和式(4)可以計算出射流交叉位置x=1.606 m。

4.2 數值計算

用數值計算得到熟食加工區和生鮮儲藏區的壓力場和速度場。由數值計算結果可以看出，由于傳送孔兩側存在壓差，空氣從高壓側射流入低壓側。

圖3 數值模擬射流軸心速度

圖3給出了射流軸心速度隨射程的變化關系。空氣進入低壓側后，隨著射程的增大，射流軸心速度迅速衰減。但當到達一定速度后(0.5 m/s)，速度衰減很慢。

圖4 數值模擬速度云圖

圖4給出了傳送孔處水平和豎直方向的速度云圖。從圖4a)看出空氣從傳送孔射出后，各傳送孔處射流雖然有交叉，但交叉區域風速較低，最高風速也只有0.6 m/s左右。最后，五個傳送孔中氣體匯合，形成一股大的低速氣流。從圖4b)看出在豎直方向射流幾乎沒有受到地面的影響，因此在理論計算中視為自由射流是合適的。

4.3 理論與數值計算結果的比較

數值計算得出傳送孔平均風速2.147 m/s。理論值與數值計算值相近，誤差僅為2.5%。

數值計算得到墻洞射流軸心風速為0.5 m/s，所達到的位置為距離隔墻4.9 m處。距離隔墻6 m處風速為0.45 m/s。從圖3可以看到，風速達到0.6 m/s后，墻洞射流軸心風速隨距離的變化很緩慢，在此情況下理論計算得出準確值是有困難的，因此數值解與理論解存在略微的偏差。由射流理論可以得出，在射流斷面直徑處，氣流速度遠小于射流軸心速度，這在數值模擬中得到肯定。因此暖通設計中可以用射流斷面直徑的方法估算低壓側的氣流速度。

5 工程實例的設計

5.1 熟食加工區和生鮮儲藏區壓差的實現

從前面4.1的分析中已經得到傳送孔內的風速，且已知傳送孔的尺寸(400mm×250mm)與個數(5個)，便可以得到從熟食加工區進入生鮮儲藏區的風量。

從熟食加工區進入生鮮儲藏區的風量為:

因此只要保證兩區域的風量差，便可以保證兩區域的壓力差為5 Pa。

5.2 生鮮儲藏區低風速區域計算

從4.1已經計算出vx=0.5 m/s時射流斷面直徑為4.42 m。因此可以估算生鮮區低風速區域為最外側傳送孔中心2.21 m以外的區域為低于0.5 m/s的低速區域。

6 結語

由理論與數值計算的比較，理論值與數值計算值接近，因此式(5)的推導是準確的，可以用于工程計算，以及用于判斷兩壓差房間隔墻墻洞內的軸心風速和洞孔尺寸的設計。

為保證食品質量，防止食品長期處于風速下而風化，低壓空間側的食品應遠離墻洞軸線的高風速區域。在工程應用中，為判斷低風速區域的范圍，可先計算出符合工程要求的射流軸心風速的位置，后計算此位置處的斷面直徑。此斷面直徑外區域為符合工程要求的低風速的區域。

［1］ GB 50016-2006，建筑設計防火規范［S］.

［2］ 薛殿華.空氣調節［M］.北京:清華大學出版社，1991:239-250.

［3］ 蔡增基，龍天渝.流體力學泵與風機［M］.北京:中國建筑工業出版社，1999.

［4］ 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1993:1886-1964.

［5］ S.V.Patankar.傳熱與流體流動的數值計算［M］.北京:科學出版社，1984:84-86.