不同通風(fēng)條件下氣流組織模擬及熱舒適性研究

陳 洋 鐘海平 高 紅 張 政

（中建三局集團(tuán)有限公司西北分公司，陜西 西安710065）

隨著鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)的廣泛應(yīng)用建筑，鋼結(jié)構(gòu)橋體因施工時(shí)間短以及施工影響相對(duì)較小等優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到市政項(xiàng)目的青睞，但是鋼結(jié)構(gòu)橋梁箱室內(nèi)有限空間進(jìn)行焊接作業(yè)具有安全隱患隱蔽性，存在中毒、窒息事故安全風(fēng)險(xiǎn)，以及職業(yè)健康問(wèn)題也備受關(guān)注。宋思雨[1]基于ISM解釋結(jié)構(gòu)模型分析了工貿(mào)行業(yè)有限空間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)因素；徐陳又詩(shī)[2]通過(guò)Fluent 數(shù)值模擬軟件對(duì)塵實(shí)驗(yàn)室的不同截面條件下塵濃度分布情況進(jìn)行了研究；楊春麗[3-4]利用CFD 數(shù)值模擬研究了外界風(fēng)速、外界風(fēng)向以及有限空間類型對(duì)單開(kāi)口有限空間內(nèi)氣流組織流場(chǎng)的影響；張壹泓[5-6]借助表面肌電（s EMG）技術(shù)和EEG 有限空間條件下腦疲勞特性以及頸部側(cè)屈姿勢(shì)下肌肉的受力情況進(jìn)行了研究。

綜上所述，有限空間作業(yè)研究涉及有限空間作業(yè)事故風(fēng)險(xiǎn)因素分析、職業(yè)健康以及氣體流動(dòng)等研究，但缺乏鋼結(jié)構(gòu)箱室內(nèi)有限空間作業(yè)過(guò)程中機(jī)械通風(fēng)對(duì)氣流組織影響的研究。本文以中建三局建材北路項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)懸索橋?yàn)檠芯繉?duì)象，借助CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)箱室內(nèi)有限空間作業(yè)中PMV、PPD、空氣齡等參數(shù)研究，為鋼結(jié)構(gòu)橋梁箱室內(nèi)焊接作業(yè)機(jī)械通風(fēng)布置提供工程參考，保障作業(yè)人員安全。

1 模型建立

1.1 Airpak 軟件介紹

本文運(yùn)用Airpak 氣流流動(dòng)數(shù)值模擬軟件，該模擬軟件是一個(gè)專業(yè)的人工環(huán)境系統(tǒng)分析軟件，可以精準(zhǔn)地模擬通風(fēng)系統(tǒng)中的空氣流動(dòng)、空氣質(zhì)量、傳熱、污染物濃度和工作環(huán)境舒適性。Airpak 軟件常應(yīng)用于建筑、石油、暖通空調(diào)等領(lǐng)域，本文采用Fluent Airpak3.0 進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.2 物理模型建立

以建材北路鋼結(jié)構(gòu)橋梁某節(jié)箱室為研究對(duì)象。鋼箱梁箱室長(zhǎng)×寬×高為6m×5m×4m，鋼箱梁厚度為16mm；鋼結(jié)構(gòu)箱室之間存在橫隔板將箱室分為三個(gè)部分，箱室內(nèi)孔洞長(zhǎng)×寬為2250m×2900m，且橫隔板厚度為16mm。鋼箱梁箱室焊工以半蹲姿勢(shì)進(jìn)行焊接作業(yè)，作業(yè)人員身高以及產(chǎn)生熱量分別為1.73m 和75W。軸流式通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為5.2m3/s 和1.7m3/s；鋼箱梁箱室內(nèi)部結(jié)構(gòu)物理模型，如圖1 所示。

圖1 鋼箱梁物理模型

1.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

Airpak 數(shù)值模擬軟件不僅自動(dòng)生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，用戶可以對(duì)模型局部進(jìn)行細(xì)化，并且具有網(wǎng)格檢測(cè)能力[7]。Airpak 軟件可以從網(wǎng)格的長(zhǎng)度與長(zhǎng)度比、失真率、體積等參數(shù)對(duì)網(wǎng)格劃分質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。Face alignment 和Quality 均大于0.15，并且二者數(shù)值越靠近1。初始大氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，初始邊界條件為Y 軸重力加速度為-9.81m/s2，初始外界條件為28℃，外界空氣濕度為50%。

1.4 工況

為分析研究通風(fēng)方式以及通風(fēng)量等參數(shù)對(duì)有限空間內(nèi)速度場(chǎng)、PMV 及PPD 等參數(shù)的影響，針對(duì)通風(fēng)方式設(shè)置了三種情況，如表1 所示。上進(jìn)下出通風(fēng)方式與上進(jìn)上出通風(fēng)方式較為相似，但上進(jìn)下出采用導(dǎo)風(fēng)管將箱室內(nèi)風(fēng)流抽出；下進(jìn)上出將新鮮空氣風(fēng)流通過(guò)導(dǎo)風(fēng)管導(dǎo)入箱室內(nèi)。

表1 不同通風(fēng)方式工況設(shè)置

2 模擬結(jié)果與分析

因成年人人體靜坐高度為1.1m，選取箱室內(nèi)高度為1.1m處作為研究截面，分析不同通風(fēng)方式下平均速度、平均空氣齡以及PMV 和PPD 等指標(biāo)分布切片。

2.1 不同通風(fēng)方式對(duì)速度場(chǎng)的影響

為研究不同通風(fēng)方式對(duì)速度場(chǎng)的影響，截取工況5、工況6和工況11 箱室內(nèi)高度為1.1m 處速度矢量圖，如圖2 所示。

圖2 不同通風(fēng)方式下，高度為1.1m 處速度矢量圖

通過(guò)分析不同通風(fēng)方式下，速度矢量圖可以了解空氣流動(dòng)速率的方向和分布。由圖2 可知，三種通風(fēng)方式下速度矢量圖有明顯的不同，因鋼箱梁受到橫隔板的阻礙影響以及氣流粘性力作用，雖然不同通風(fēng)方式下箱室內(nèi)形成不同位置渦流現(xiàn)象，但均會(huì)在在作業(yè)人員周圍形成明顯的氣流渦流現(xiàn)象。上出下進(jìn)通風(fēng)方式在通風(fēng)機(jī)以及橫隔板作用下，產(chǎn)生射流且氣流組織呈現(xiàn)“Y”形。

2.2 不同通風(fēng)方式對(duì)PPD 以及PMV 的影響

為分析不同通風(fēng)方式對(duì)作業(yè)人員熱舒適性的影響，選取了工況1、工況8 和工況10 箱室內(nèi)高度為1.1m 處PPD 以及PMV切片數(shù)值，如圖3 所示。

由圖3 可知，上進(jìn)下出通風(fēng)方式相較于其他兩種通風(fēng)方式在PPD 和PMV 指標(biāo)中最優(yōu)，從不同工況條件的PPD 分布圖中可以看出，上進(jìn)下出通風(fēng)方式下藍(lán)色區(qū)域最大，整個(gè)截面平均PPD 最小，作業(yè)人員周圍PPD 指標(biāo)值在42%-52%，箱室內(nèi)人體感受為熱；而上出下進(jìn)通風(fēng)方式下藍(lán)色區(qū)域最少，并且分布最不均勻，PPD 值在92%-99%。上進(jìn)上出通風(fēng)方式的熱舒適性指標(biāo)居于兩者之間，在進(jìn)風(fēng)側(cè)箱室內(nèi)PPD 值為30%-64%。

圖3 不同通風(fēng)條件下，PPD 切片數(shù)值

2.3 不同通風(fēng)方式對(duì)空氣齡的影響

選取工況2、工況7 和工況9，截取高度為1.1m 處，不同通風(fēng)方式下，箱室內(nèi)空氣齡分布圖，如圖4 所示。

由圖4 可知，三種不同通風(fēng)方式對(duì)氣流組織的空氣齡具有不同程度影響。上進(jìn)下出通風(fēng)方式的空氣齡切片顏色相對(duì)其他類型通風(fēng)方式顏色最淺。箱室內(nèi)因橫隔板的阻礙作用下，形成氣流渦流現(xiàn)象，因渦流中心區(qū)域空氣流動(dòng)性差，從而導(dǎo)致箱室內(nèi)出現(xiàn)局部空氣齡相對(duì)高于周邊區(qū)域。通過(guò)對(duì)鋼箱梁箱室內(nèi)空氣齡分布進(jìn)行分析，可以間接研究空氣氣流流通以及CO 濃度聚集點(diǎn)。

3 結(jié)論

3.1 通過(guò)對(duì)不同通風(fēng)方式進(jìn)行分析，上進(jìn)下出方式優(yōu)于其他類型通風(fēng)方式，且人體舒適度最高；上進(jìn)下出通風(fēng)方式PMV指標(biāo)值在1～1.5；而上出下進(jìn)通風(fēng)方式下PMV 值在2.5～3.0。

3.2 不同通風(fēng)方式下在箱室內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用以及空氣粘性力作用下，在不同位置形成渦流現(xiàn)象，上出下進(jìn)通風(fēng)方式形成渦流現(xiàn)象的個(gè)數(shù)相對(duì)于其他兩種最多。

圖4 不同通風(fēng)方式下，高度為1.1m 處空氣齡分布圖

3.3 進(jìn)風(fēng)量與排風(fēng)量之間的風(fēng)量差對(duì)箱室內(nèi)整體PMV、PPD 以及空氣齡等指標(biāo)具有一定的影響，空氣齡由淺到深依次是工況1>工況2>工況3；氣體流動(dòng)從大到小依次為工況3>工況1>工況2。