某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)廠房通風(fēng)降溫的數(shù)值模擬分析

韓敏 沈恒根

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)廠房內(nèi)一般放置有待測柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、測功機(jī)等設(shè)備。試驗(yàn)過程中，這些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量熱量，同時(shí)會(huì)有部分有害物散發(fā)到廠房空間內(nèi)[1-2]。故在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)廠房內(nèi)設(shè)置合理的通風(fēng)降溫系統(tǒng)顯得尤為重要，以用于帶走被試發(fā)動(dòng)機(jī)及試驗(yàn)廠房內(nèi)其它設(shè)備產(chǎn)生的熱量及有害氣體，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)提供穩(wěn)定，合適的溫濕度及空氣清潔度條件，保證設(shè)備安全運(yùn)行，同時(shí)，亦保證工作區(qū)工作人員的健康安全。然而由于廠房內(nèi)設(shè)備散熱量大，在夏季工況下，采用全新風(fēng)的全面通風(fēng)方式有時(shí)無法達(dá)到預(yù)期的降溫效果，采用傳統(tǒng)制冷空調(diào)應(yīng)用于工業(yè)廠房則能耗大，運(yùn)行費(fèi)用較高，對環(huán)境也會(huì)造成一定污染[3]。而蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫技術(shù)利用水蒸發(fā)吸熱，具有環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]。

本文設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)的全新風(fēng)、室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻、室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻+熱污染區(qū)環(huán)境蒸發(fā)冷卻三種技術(shù)方案，并通過模擬計(jì)算預(yù)測三種技術(shù)方案通風(fēng)降溫的效果。

1 建立計(jì)算模型

1.1 物理模型

本文研究對象為某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)廠房，廠房大小為長（Y 軸）×寬（X 軸）×高（Z 軸）=40 m×15.4 m×15 m。廠房內(nèi)對稱布置兩個(gè)大小相同的試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)大小為長（Y 軸）×寬（X 軸）×高（Z 軸）=10.8 m×3.5 m×0.35 m。試驗(yàn)臺(tái)上布置有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及測功機(jī)，其中柴油發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為1320 kW。

由于廠房內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)布置左右對稱，故取廠房左側(cè)建立物理模型，Y=20 m 截面為對稱界面，廠房物理模型如圖1 所示。在不影響模擬結(jié)果的情況下，為便于模擬計(jì)算及分析，對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)廠房通風(fēng)模擬計(jì)算做出如下假設(shè)：

1）廠房內(nèi)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)及測功機(jī)為主要散熱設(shè)備，其余設(shè)備的散熱量比較小可忽略不計(jì)，柴油機(jī)及測功機(jī)的散熱量見表1。

2）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及測功機(jī)簡化為長方體，散熱形式等效成除底面，其余五面均勻向廠房內(nèi)散熱。

3）廠房內(nèi)空氣的流動(dòng)過程則是不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

4）廠房內(nèi)設(shè)備熱輻射較小，可忽略不計(jì)。

5）廠房內(nèi)設(shè)備散熱量大，不考慮散濕量。

圖1 試驗(yàn)廠房物理模型

表1 廠房空間設(shè)備散熱量

1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件選取

本文試驗(yàn)廠房內(nèi)的流體流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)應(yīng)遵循基本的物理定律有：連續(xù)性方程，動(dòng)量守恒方程，能量守恒方程以及組分守恒方程。

本文計(jì)算模型選用Realizable k-ε 湍流模型和組分輸運(yùn)模型，求解方法選用壓強(qiáng)和速度耦合算法中的SIMPLE 算法，離散格式選用二階迎風(fēng)格式。

各邊界條件設(shè)置情況：將散熱設(shè)備表面設(shè)定為熱流密度邊界條件，將其余的壁面及地面設(shè)定為絕熱壁面。由于本文中數(shù)值計(jì)算模型以Y=20 m 豎直截面對稱，故將此截面設(shè)定為對稱邊界條件。送風(fēng)口設(shè)置為速度入口邊界條件。排風(fēng)口設(shè)置為壓力出口邊界條件。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 全新風(fēng)通風(fēng)方式

采用機(jī)械進(jìn)風(fēng)機(jī)械排風(fēng)的全新風(fēng)全面通風(fēng)方式即工況一，通風(fēng)量計(jì)算公式為[5]：

式中：Lr為消除余熱所需通風(fēng)量，m3/h；Q 為余熱量，kW；c 為空氣的比熱容，其值為1.01 kJ/(kg·℃)；ρj為進(jìn)入的空氣密度，kg/m3；Δt 為送排風(fēng)溫差，℃。

廠房內(nèi)人員工作區(qū)溫度控制要求為≤34 ℃柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境溫度控制要求為≤55 ℃。工況一送排風(fēng)溫差取8，送風(fēng)口設(shè)于南側(cè)內(nèi)墻，共12 個(gè)，每個(gè)送風(fēng)口尺寸為800 mm×800 mm，風(fēng)口中心距離地面2.4 m，各送風(fēng)口間中心距為3 m。排風(fēng)口設(shè)于北側(cè)內(nèi)墻，共12 個(gè)，每個(gè)排風(fēng)口尺寸為DN1000 mm，風(fēng)口中心距離地面13 m，各排風(fēng)口間中心距為3 m。

2.2 室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻通風(fēng)方式

采用室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻的通風(fēng)方式即工況二，室外新風(fēng)先經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備進(jìn)行等焓降溫處理，新風(fēng)被處理至相對濕度90%時(shí)的溫濕度狀態(tài)由風(fēng)機(jī)送入廠房內(nèi)。通風(fēng)量按式（1）計(jì)算，送排風(fēng)溫差取11.5 ℃，送排風(fēng)口大小及布置方式同工況一。

2.3 室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻+熱污染區(qū)環(huán)境蒸發(fā)冷卻通風(fēng)方式

采用室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻+熱污染區(qū)環(huán)境蒸發(fā)冷卻的通風(fēng)方式即工況三，進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)仍采用直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組對室外新風(fēng)進(jìn)行等焓降溫處理至空氣相對濕度為90%后再送入室內(nèi)，而在發(fā)熱設(shè)備背風(fēng)側(cè)上方布置直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備，利用室內(nèi)風(fēng)循環(huán)進(jìn)入機(jī)組，將廠房內(nèi)部分顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，從而達(dá)到降溫效果。進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量的計(jì)算公式為：

式中：QP為室內(nèi)蒸發(fā)冷卻設(shè)備負(fù)擔(dān)排熱量，kW。

本案例選用4 臺(tái)直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備，尺寸為長×寬×高=1.250 m×1.250 m×1.310 m，負(fù)擔(dān)顯熱量約60 kW，布置于設(shè)備后側(cè)上方位置。設(shè)備四個(gè)側(cè)面進(jìn)風(fēng)，底面出風(fēng)，進(jìn)風(fēng)口尺寸為寬×高=1.000 m×1.000 m，出風(fēng)口尺寸為長×寬=800 m×800 m。廠房送排風(fēng)口大小及布置方式同工況一。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 三種工況水平截面溫度控制對比分析

三種工況下Z=1.5 m 處水平截面（人員呼吸高度）的溫度分布圖見圖2。圖2（a）顯示，工況一Z=1.5 m 處水平截面上人員工作區(qū)溫度絕大部分超過標(biāo)準(zhǔn)要求的34 ℃的限值，大部分區(qū)域溫度在36 ℃左右。當(dāng)人長期處在≥35 ℃的高溫環(huán)境中，會(huì)產(chǎn)生體溫升高、水鹽代謝紊亂、行為能力下降等問題[6]，所以工況一時(shí)人員工作區(qū)熱環(huán)境非常不利于人員工作。設(shè)備所在區(qū)南北兩側(cè)溫度差異明顯，設(shè)備南側(cè)即迎風(fēng)面一側(cè)較背風(fēng)面溫度更低，且設(shè)備背風(fēng)側(cè)局部地區(qū)超過55 ℃限值，不利于設(shè)備的安全運(yùn)行。圖2（b）表明，工況二廠房Z=1.5 m 截面大部分位置溫度已低于34 ℃，但廠房南側(cè)人員工作區(qū)仍有部分空間溫度高于34 ℃，在36 ℃以下，雖然與原始工況相比已下降2 ℃左右，但仍未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的溫度，還需做出改進(jìn)。圖2（c）顯示，工況三時(shí)該截面人員工作區(qū)位置的溫度已全部控制至34 ℃以下，部分位置溫度可低于32 ℃，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 三種工況Z=1.5 m 處水平截面的溫度分布圖

圖3 三種工況水平截面的平均溫度隨高度變化圖

三種工況水平截面平均溫度隨高度變化見圖3。其中人員工作區(qū)主要位于高度2 ℃以下位置，廠房內(nèi)設(shè)備所在區(qū)域主要位于高度4 m 以下位置。如圖可知，工況一時(shí)高度4 m 以下的各水平截面的平均溫度均低于39 ℃，滿足設(shè)備運(yùn)行所需環(huán)境平均溫度，但人員工作區(qū)各截面的平均溫度在36～38 ℃之間，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。工況二時(shí)高度4 m 以下各水平截面平均溫度低于36 ℃，與工況一對應(yīng)截面平均溫度相比，降幅在2～4 ℃，且人員工作區(qū)各截面平均溫度在33 ℃左右，滿足人員工作區(qū)平均溫度要求。工況三時(shí)高度4 m 以下各水平截面平均溫度低于35 ℃，與工況一對應(yīng)截面平均溫度相比，降幅在3～5 ℃，且人員工作區(qū)各截面平均溫度在32 ℃左右，由此可見，工況三的降溫效果更加顯著。

3.2 三種工況豎直截面溫度控制對比分析

三種工況下Y=9.5 處豎直截面的溫度分布圖如圖4 所示。從圖4（a）可以看出，送風(fēng)氣流邊界與周邊的空氣不斷在動(dòng)量及質(zhì)量上進(jìn)行交換，射流流量不斷增大，射流溫度不斷增加。然而因氣流風(fēng)速的自然衰減以及受發(fā)動(dòng)機(jī)表面的阻擋，致使發(fā)動(dòng)機(jī)頂部及后側(cè)部分區(qū)域只有較少溫度相對較低的氣流經(jīng)過，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)頂部及后側(cè)溫度較高。由圖4（b）可知，工況二時(shí)人員工作區(qū)位置大部分溫度已低于34 ℃，但送風(fēng)氣流下部有部分區(qū)域超過34 ℃，在34～36 ℃之間。發(fā)動(dòng)機(jī)后側(cè)區(qū)域高溫情況消失，由于送風(fēng)氣流溫度降低，送風(fēng)氣流下沉，送風(fēng)風(fēng)速減小。風(fēng)速自然衰減及發(fā)動(dòng)機(jī)前側(cè)阻擋，到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)頂部的低溫氣流較少而無法帶走大量熱量，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)上方區(qū)域出現(xiàn)局部高溫，超出限定的55 ℃，不滿足發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行的環(huán)境溫度要求。圖4（c）顯示，室內(nèi)直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備利用室內(nèi)風(fēng)循環(huán)進(jìn)入，將顯熱量變?yōu)闈摕崃浚覂?nèi)高溫空氣進(jìn)入蒸發(fā)冷卻設(shè)備，經(jīng)等焓降溫處理后再以一定角度由出風(fēng)口送出，直達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)頂部，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)上部環(huán)境溫度低于限定值，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的環(huán)境溫度要求。

圖4 三種工況Y=9.5 m 處豎直截面溫度分布圖

圖5 三種工況Y=13 m 處豎直截面溫度分布圖

圖5 為三種工況Y=13 m 處豎直截面的溫度分布圖。從圖5（a）可以發(fā)現(xiàn)，測功機(jī)后側(cè)作為背風(fēng)側(cè)溫度過高，部分區(qū)域的溫度超過設(shè)備運(yùn)行所需的環(huán)境溫度55 ℃，將不利于設(shè)備的良好運(yùn)行。原因在于近熱源的表面的附近的空氣層受熱膨脹，射流受其影響開始變得彎曲，偏離原來的射流軸線而向上運(yùn)動(dòng)，并且由于受機(jī)阻擋及射流速度的自然衰減，流過測功機(jī)頂部的氣流速度逐漸降低，測功機(jī)后側(cè)形成死區(qū)，不能進(jìn)行充分換熱，導(dǎo)致測功機(jī)后側(cè)溫度偏高。圖5（b）表明，工況二時(shí)測功機(jī)后側(cè)超溫區(qū)域已有所緩解，只有測功機(jī)后側(cè)上方區(qū)域溫度還相對較高。圖5（c）顯示，室內(nèi)直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備送風(fēng)直達(dá)測功機(jī)后部區(qū)域，完全改善了測功機(jī)后側(cè)超溫現(xiàn)象，為發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行提供了環(huán)境溫度保障。

3.3 三種工況通風(fēng)量對比分析

圖6 為三同工況通風(fēng)量與工作區(qū)平均溫度對比圖，由圖可知，工況一通風(fēng)量為139546 m3/h，工作區(qū)平均溫度為37.17 ℃，工況二通風(fēng)量為96202 m3/h，工作區(qū)平均溫度為33.22 ℃，工況三通風(fēng)量為80134 m3/h，工作區(qū)平均溫度為32.25 ℃。說明采用全新風(fēng)的通風(fēng)方式通風(fēng)量大，降溫效果有限，夏季炎熱工況時(shí)，不能滿足廠房內(nèi)人員工作區(qū)溫度要求，采用蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫的方式可有效降低人員工作區(qū)平均溫度，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，取得良好的通風(fēng)降溫效果，同時(shí)可減少送排風(fēng)量，尤其采用第三種工況形式，人員工作區(qū)平均溫度及送風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量均可在第二種工況基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低。

圖6 三同工況通風(fēng)量與工作區(qū)平均溫度對比圖

4 結(jié)論

本文針對某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)廠房試驗(yàn)過程產(chǎn)生大量余熱問題，設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)的全新風(fēng)、室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻、室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻+熱污染區(qū)環(huán)境蒸發(fā)冷卻三種技術(shù)方案，運(yùn)用CFD 數(shù)值模擬研究了三種通風(fēng)降溫方案對廠房空間溫度分布的影響，結(jié)果表明：

1）全新風(fēng)通風(fēng)方式下，系統(tǒng)通風(fēng)量大，能耗較高，且降溫效果有限，人員工作區(qū)平均溫度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的34 ℃，部分空間環(huán)境溫度超過所設(shè)計(jì)的55 ℃的溫度上限。

2）與全新風(fēng)通風(fēng)方式相比，采用室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻通風(fēng)方式通風(fēng)量減少31%，高度4 m 以下各水平截面平均溫度降幅在2～4 ℃，人員工作區(qū)平均溫度為33.22 ℃，可以解決大部分人員工作區(qū)環(huán)境溫度問題，但設(shè)備周圍存在局部高溫現(xiàn)象。

3）與全新風(fēng)通風(fēng)方式相比，采用室外新風(fēng)蒸發(fā)冷卻+熱污染區(qū)環(huán)境蒸發(fā)冷卻復(fù)合通風(fēng)方式，通風(fēng)量下降43%，高度4 m 以下各水平截面平均溫度降幅在3～5 ℃，人員工作區(qū)平均溫度為32.25 ℃，可以完全滿足人員工作環(huán)境溫度要求，且設(shè)備周圍未出現(xiàn)局部高溫現(xiàn)象。