某結構抗火實驗室通風改造的數值模擬研究

項琳琳 劉東 萬永麗

某結構抗火實驗室通風改造的數值模擬研究

項琳琳 劉東 萬永麗

同濟大學機械與能源工程學院

本文通過實測和CFD數值模擬的方法，研究了上海市某高校結構抗火實驗室室內污染情況，實測對模擬結果進行了驗證。結合實驗室實際空間條件的限值，提出7組不同的機械通風方案，并在數值模擬的基礎上對各組方案的污染物控制效果進行比較，優選出最終方案，以改善實驗室人員的工作環境。

結構抗火實驗室實驗室環境機械通風實測數值模擬

本文的研究對象是上海市某高校土木專業的結構抗火實驗室。在進行耐火實驗時，由于構件是后加載到爐膛上方的，爐頂不能進行有效的密封，同時試驗時爐內應該滿足規定的正壓條件。因此，煙氣通過爐頂上的縫隙向實驗室擴散的現象明顯，有必要進行合理的通風，把煙氣排至室外，降低室內污染物濃度，改善實驗室人員的工作環境。此實驗室主要靠北面和南面大門形成自然通風，而這遠遠達不到排出煙氣所需的風量，不能有效地排除煙氣外逸帶來的污染，因此有必要采用機械通風。

1物理數學模型及邊界條件

1.1物理模型

根據該結構抗火實驗室的實際建筑模型與室內設備分布，建立圖1所示物理模型。該實驗室尺寸為：長40m，寬12m，高6m，平屋頂。實驗室內有建筑構件抗火試驗用燃燒爐，爐膛尺寸為4.5m（長）×3m（寬）× 2m（高）。試驗構件寬250mm，可沿爐子長度方向或寬度方向放置，本次模擬采用同時放置三根試驗構件的情況，煙氣從構件兩邊的縫隙逸出。

圖1實驗室物理模型圖

1.2數學模型

在數學模型上，本文采用普渡大學陳清焰教授在1998年提出的零方程模型（Zero Equation model）[1]，所謂零方程模型，是指不需要微分方程而是用代數關系式把湍流粘性系數與時均值聯系起來的模型[2]，零方程模型相對二方程k-ε湍流模型處理室內問題更容易收斂并節約計算資源[3，4]，采用有限體積法作為離散方法，為了簡化問題做如下假設：

1）室內氣體為低速流動，按不可壓縮流體計算；

2）滿足Bossinesq假設，認為流體密度的變化僅對浮升力產生影響；

3）流動為穩態流動；

4）室內空氣為輻射透明介質；

5）不考慮門窗及漏風的影響。

1.3網格劃分

按照實際尺寸建立三維模型，采用Airpak軟件進行網格劃分，矩形網格，試驗爐和風機進行局部加密，網格總數共約36萬。

1.4邊界條件

結構抗火試驗爐采用的燃料為液化天然氣，熱值為96300～104500kJ/m3，流量為107m3/h，排煙溫度大約為1100℃。根據以上條件可計算出試驗爐產生的煙氣量V=3774～4053m3/h。經實測，爐子的機械排煙量為3551m3/h，小于產生的煙氣量，爐內呈正壓[5]。因此可估算出爐子外逸的煙氣量大約為502m3/h。煙氣從爐頂縫隙逸出，煙氣外逸速度基本穩定，為1m/s[6]。在下文的改造方案中，機械通風系統邊界條件也設為速度入口和速度出口，其中排風機為速度出口，送風機為速度入口，具體風速大小將根據風機的風量和風口面積計算得到。

2實測及模型驗證

外逸煙氣的組成是實際燃燒過程決定的，主要成分為CO2，O2，N2，H2O，CO及其他組分。在以液化天然氣為燃料、非預混燃燒、無其他可燃物的情況下，煙氣各組分的具體含量可參見表1[7]。

表1外逸煙氣的組成

為了對實驗室的污染物分布有具體的了解，本研究對實驗現場進行了測試。由于正常的空氣組成分中，N2和O2的體積分數約為78%和21%，與煙氣中這兩種氣體體積分數較接近；而空氣中CO2僅占0.03%，這與煙氣中的CO2體積分數相差較大。因此，本文選擇CO2作為測試氣體，以檢驗實際煙氣的外逸量。

由于實驗過程中人員的活動范圍主要集中在試驗爐正下方的監控工作臺和爐頂平臺，因此把測點布置在以下三組位置：

1）試驗爐四周：測點1-1至測點1-4；

2）試驗爐爐頂平臺上距離爐壁1.5m、高1.5m人員呼吸區：測點2-1至測點2-4；

3）風機2下面距離爐壁3m處的監控工作臺作為環境測點3-1，把距離爐子8m處作為環境測點3-2。

測點分布具體位置詳見圖2。

圖2 CO2濃度實測測點布置圖

采用德圖二氧化碳測試儀testo 535測試CO2體積分數，該儀器測量范圍為0ppm～9999ppm，精度為±50ppmCO2（±2%測量值），分辨率為1ppm。測試及模擬結果見表2。

表2 CO2體積分數實測及模擬結果

注：表中的模擬是在刪去排風機和送風機的情況下進行的，即模擬現狀無機械通風。

由表2可見，CO2體積分數的模擬結果與實測數據相差小于15%，基本吻合，說明模型及邊界條件的設置與實際情況相符。因此，模擬結果可以用作分析污染物分布的依據。

3幾種改造方案的數值模擬

由于實驗室空間較大，且白天實驗室北門處于常開狀態，并考慮到能耗問題，不宜采用全面通風，因此下文主要研究局部通風。又因為實驗室上部距地面4m處有吊車，試驗爐上方無足夠空間來安裝局部排風罩，因此考慮采用橫向氣流來控制煙氣外逸，把局部風罩和風機安裝在試驗爐的兩側。

本文研究了兩類采用橫向氣流控制外逸煙氣的模型，分別為：

1）單風機模型。在試驗爐一側設置排風罩，通過排風機排出，排風罩寬度為試驗爐的長度4.5m，排風罩下沿與試驗爐爐蓋齊平，高度為2m，排風管高度為1m。風機放置位置見圖3。

圖3實驗室單風機模型示意圖

2）雙風機模型。在試驗爐兩側分別設置排風機和送風機，排風機把煙氣直接排出室外，送風機從室內巻吸空氣進行循環；兩風罩的寬度也為4.5m，排風罩和送風罩下沿與試驗爐爐蓋齊平，排風罩高度為2m，送風罩高度為1m，排風管和送風管高度均為1m。風機放置位置見圖4。雙風機模型中兩個風機的風量應不同，由于對煙氣排出起主要作用的是排風機，送風機只是控制煙氣逸出的方向，如果送風機風量過大容易使煙氣四散，對工作環境反而不利，因此排風機的風量應大于送風機的風量。

圖4實驗室雙風機模型示意圖

兩類模型共完成了7組方案，詳見表3。

表3模擬方案匯總表

4模擬結果及分析

方案1：排風量7000m3/h。模擬結果如圖5。

圖5方案1 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

方案2：排風量10000m3/h。模擬結果如圖6。

圖6方案2 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

由圖5～6可見，當僅設置單側排風機時，污染物的濃度隨著風量增大而減小，但是單側風機控制污染物的能力還是不太理想，試驗爐四周污染物外溢較為嚴重，因此以下主要考慮采用雙風機模型。

方案3：排風量7000m3/h，送風量3600m3/h。模擬結果如圖7。

圖7方案3 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

方案4：排風量7000m3/h，送風量5000m3/h。模擬結果如圖8。

圖8方案4 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

由圖7、8可見，在相同排風量（7000m3/h）情況下，送風量越大，爐子上方CO2濃度越低，但當送風量為5000m3/h時，爐子下方排風罩所在的一側CO2濃度升高，因此送風量不宜過大。

方案5：排風量8600m3/h，送風量3600m3/h。模擬結果如圖9。

圖9方案5 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

方案6：排風量10000m3/h，送風量3600m3/h。模擬結果如圖10。

圖10方案6 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

由圖7～10可知，在相同送風量（3600m3/h）情況下，排風機風量越高，污染物控制效果越好。

方案7：排風量10000m3/h，送風量2000m3/h。模擬結果如圖11。

圖11方案7 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

由圖10～11可知，當排風量為10000m3/h時，送風量3600m3/h比2000m3/h污染物控制效果明顯要好，這也驗證了上述結論。

表4對模型二5組方案的CO2濃度模擬結果作了匯總。

表4 CO2體積分數模擬結果

通過對各個測點進行分析，在實驗室人員活動區的測點分別是2-2、2-3、2-4、3-1、3-2，對比CO2濃度測試值，可以得到各控制方案污染物控制效果優劣，見圖12。

圖12模型二各方案CO2濃度模擬結果比較

表4和圖12顯示，方案6的各個測點的CO2濃度值均在1000ppm以下，污染物控制相比以上幾組效果最好，因此，最終采用該方案，即排風量10000m3/h，送風量3600m3/h。

5結論

1）在某高校土木結構抗火實驗室內，試驗爐在實驗時產生的大量煙氣難以通過現有的自然通風達到室內空氣的質量要求，所以需要采用機械通風。

2）由于實驗室空間較大，建議采用局部通風；受試驗爐上方吊車的空間限制，不具備上排風的條件，因此考慮采用橫向氣流來控制煙氣外逸，在試驗爐兩側設置局部風罩和風機。

3）通過7組通風方案的模擬和比較，建議采用雙風機模型，在排風量10000m3/h、送風量3600m3/h的情況下，污染物控制效果最佳。

[1]Jelena S,Chen QY.Validation of zero equation turbulence model for complex indoor airflow simulation[J].ASHRAE Trans,1999, 105(1):414-427

[2]陶文銓.數值傳熱學(2版)[M].西安:西安交通大學出版社,2001

[3]趙彬,李先庭,彥啟森.用零方程湍流模型模擬通風空調室內的空氣流動[J].清華大學學報(自然科學版),2001,41(10):109-113

[4]陳曉春,朱穎心,王元.零方程模型用于空調通風房間氣流組織數值模擬的研究[J].暖通空調,2006,36(8):19-24

[5]劉東,莊江婷,丁燕.結構抗火試驗室通風狀況的數值模擬及分析[J].暖通空調,2008,38(7):136-140

[6]丁燕,劉東,莊江婷,等.結構抗火試驗爐爐內燃燒過程的數值模擬[J].能源技術,2008,29(1):8-11

Num e ric a l Sim ula tion a nd Ana lys is of Ve ntila tion Sys te m in a Fire Sa fe ty of Engine e ring Struc ture Te s ting La bora tory

XIANG Lin-lin,LIU Dong,WAN Yong-li
School of Mechanical Engineering,Tongji University

Through tests and numerical simulation,this paper studies air pollution condition of a fire safety of engineering structure testing laboratory in a university of Shanghai,and the reliability of simulation result is verified by tests.Combined with actual condition of the laboratory space limits,it proposes 7 different mechanical ventilation schemes.After the comparison and analysis of the effect of air pollution control of each scheme on the basis of numerical simulation,optimal one is suggested to improve the working condition of the lab.

fire safety of engineering structure testing lab,lab environment,mechanical ventilation,test,numerical simulation

1003-0344（2014）05-067-4

2013-9-8

項琳琳（1989～），女，碩士研究生；上海市楊浦區四平路1239號同濟大學濟陽樓408室（200092）；E-mail:xllxll0115@126.com