基于CFD的局部通風降溫設備參數影響研究

張 卓 強天偉 裴雨露 劉家雷

基于CFD的局部通風降溫設備參數影響研究

張 卓 強天偉 裴雨露 劉家雷

（西安工程大學 西安 710048）

針對寶雞某發電廠空壓機房夏季高溫機組停機保護問題以及現有通風降溫措施的不合理性，提出一種適用于該空壓機廠房的新型局部降溫通風設備。通過夏季對現場進行多次連續測試，并建立整個廠房的物理模型，以實際測得的數據為驗證依據，得出模型可靠性。利用CFD軟件模擬不同送風角度、送風速度、送風口到設備表面的距離對空壓機降溫效果的影響，通過對比分析，得出最佳設計方案。研究和結論，可以為今后局部通風降溫技術和CFD理論模擬在廠房中的應用研究提供參考。

空壓機房；局部通風；氣流組織；數值模擬

0 引言

陜西寶雞某火力發電廠在夏季運行時空壓機廠房常由于通風不足導致室內溫度急劇升高，觸發了進口空壓機的保溫裝置，造成停機，從而對火力發電廠的運行造成不便，影響正常生產。對于具有高大空間的工業廠房來說，其內熱源較多，輻射溫度較高，空間較大等影響氣流組織的因素較多也較為復雜，會影響廠房內的溫度分布梯度以及不均勻度，也會造成冷量浪費[1]。根據GB 50019-2015《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》指出當熱環境達不到所需標準時候，在需要長期進行操作的工作環境中應該設置局部通風。工作地點如果比較固定或是分散時候應該考慮單體局部送風，工作地點集中考慮使用系統局部送風[2]。

CFD（Computational Fluid Dynamics）是一種利用計算手段對計算流體的傳動和傳熱問題進行分析，為我們提供一個簡單高效研究流場的方法。國內外對于研究室內流場或者熱舒適度一般采用數值模擬的方法[3]。西安建筑科技大學對頂部的工位送風進行了模擬研究，不考慮人員舒適度的情況下，對工位送風的送風口尺寸、送風速度、送風角度對室內溫度場和流場的影響進行了模擬驗證，得出了最合適的送風參數，具有較好的經濟性[4]。Juna Abanto等學者利用數值模擬研究了空調房間的舒適度。主要研究了送風口的參數以及送風的形式對于室內的氣流組織的影響，同時也分析了邊界條件對于室內氣流組織和舒適度的影響[5]，為今后研究不同送風角度、參數對于室內氣流影響提供了參考依據。美國、日本這些發達國家數值模擬技術很成熟，利用CFD模擬高大空間的氣流組織并進行相應措施的通風降溫已經應用到實際工程中[6-8]。

本文以CFD數值模擬為主要方法，對工廠內的空壓機進行局部送風設計。主要分析不同送風角度、送風口到空壓機的距離、送風口間距以及送風速度對空壓機局部降溫的影響。

1 數值模擬方法

1.1 模型建立

本文依據空壓機廠房實際情況進行建模，具體尺寸如表1所示。利用GAMBIT軟件建立廠房模型并進行網格劃分。

表1 空壓機房及各設備尺寸大小

圖1 廠房設備平面布置圖

1.2 控制方程

（1）

1.3 湍流模型及邊界條件

本文初始將兩臺蒸發冷氣機的送風口設置為速度入口，入口溫度為26.5℃，入口速度為3、4、5m/s。廠房中的空壓機在運行時候，所有的門窗均是開啟狀態，這里將門窗設置為自由出流邊界條件。對于圍護結構，采用溫度熱邊界，分別為北墻34℃、南墻33℃、東墻37℃、西墻36℃，屋面44℃，地面設置為絕熱面。運行的設備按熱流量計算，不運行的設備設置為絕熱壁面。

2 模擬結果分析

DEC1連接的風管有12個送風口，每臺空壓機對應三個送風口，中間的風口吹覆空壓機的上表面，左右兩邊的風口各吹向空壓機左右兩個側面；中間送風口的長度與空壓機的長度一致，選用條縫風口，兩側的送風口選用百葉風口。由于冷干機散熱較小，所以DEC2連接的風管，僅需四個送風口，每個送風口各自吹覆冷干機的上表面。本次模擬只對DEC1上風口所覆蓋的設備進行模擬。

2.1 送風口高度對空壓機降溫的影響

為了了解最佳送風高度對空壓機降溫的影響，這里選取了三種不同送風口距離空壓機設備表面的距離（）0.7m、1.2m、1.8m。在模擬過程中需要保證其它因變量如送風角度、送風速度、送風口間距、風口形式一致，只改變送風距離，來模擬空壓機的表面溫度和流場。

圖2 不同送風口高度時空壓機表面溫度分布云圖

圖3 不同送風高度空壓機表面流場圖

根據圖2可以看出，空壓機的平均溫度隨著送風高度的增加先降低再增加，且變化幅度比較小。同時，送風高度增加時，空壓機表面的溫度均勻性更好，送風高度較低時，氣流沒有經過充分的的衰減，會造成部分區域溫度比較低，溫度均勻性一般。

從圖3可以看到，送風高度低的時候，左右兩側送風會比較早的到達空壓機側面，不能很好的吹覆到整個空壓機側面，同時造成部分氣流渦流；送風高度較高時，中間的風口送風會比較晚的到達空壓機上表面，吹覆區域相對來說小，通風降溫效果大大降低。

綜上，送風高度為1.2m時，空壓機表面的溫度較低，送風相對較為均勻，所以設計方案的送風口高度選擇距離空壓機表面1.2m處。

2.2 送風口間距對空壓機降溫的影響

對于多股非等溫氣流來說，如果多個送風口平行布置且位置較接近時，射流在經過一定的范圍內會匯合成為一股射流，射程增加，但是匯聚之后的射流其斷面范圍整體小于未匯合之前的射流斷面。所以送風口的布置間距大小，同樣影響對空壓機的降溫。在滿足空調區域基本參數的要求下，送風口間距的適當縮小更有利于氣流特性的分布[10]。保證送風速度、送風量、送風角度以及送風高度一致，改變空壓機上方左側風口到中間風口的距離，進行模擬計算，送風間距（a）分別設為0.1m、0.2m、0.3m，計算結果如圖4、5所示。

圖4 不同送風口間距時空壓機表面溫度分布云圖

圖5 不同送風口間距送風流場圖

從圖4可以看出，空壓機的平均溫度隨著送風間距的增加先降低再增加，整體幅度改變不大。同時從圖中可以看出，不同的送風間距，因為形成的氣流特性不同，造成空壓機表面的溫度均勻性也不同。造成這種現象的原因是隨著送風間距的增加，送風氣流的射程增大，速度衰減較快，氣流速度小，所覆蓋空壓機表面的面積減小，空壓機表面的溫度均勻性更好。

從流場圖可以看到，送風間距不同，送風氣流到達空壓機表面的末端速度各不相同。送風間距越小，空壓機截面處平均溫度越大，區域內的溫度均勻性相對較差；隨著送風間距的增加，送風射流到達空壓機側面的位置推后，形成的射流覆蓋面積減小，不過空壓機表面的速度均勻性有所提高，主要是因為送風氣流衰減速度較快，到達空壓機表面時動能相對較小。

綜上，送風間距不是夏季廠房內氣流組織的主要影響因素。送風間距只要在能夠滿足夏季空壓機房基本熱環境的范圍內即可。在這里選用送風間距較小的0.1m作為設計方案。

2.3 送風速度對空壓機降溫的影響

送風速度是影響氣流組織分布的一個重要因素。送風氣流速度過小，由于射流衰減，射程不能達到要求，也無法滿足降溫的目的；送風氣流速度過大，需要輸送更多的風量，增加系統的容量，造成能源浪費，也有可能會與空壓機表面發生碰撞，改變氣流路線，形成向上氣流，無法達到對空壓機降溫。根據蒸發冷卻設備的額定送風量，室內布置送風口的數量以及條縫風口選用的相關規范，風速選取在5m/s以下。所以為了解送風速度對空壓機降溫的影響，這里選取了三種不同的送風速度（）3m/s、4m/s、5m/s，進行模擬計算。

圖6 不同送風速度時空壓機表面溫度分布云圖

圖7 不同送風速度空壓機y=1.2m截面速度矢量圖

由圖6可以看出在一定速度范圍內，其它送風參數不變，送風溫度增加，空壓機的平均溫度降低。同時，送風速度較小的時候，空壓機表面的溫度分布較為均勻，因為送風氣流速度小，末端的動能小，不易擾動周圍的氣流，使得空壓機周圍的溫度均勻性較好。

從速度分布來分析，隨著送風速度的增加，空壓機周圍的平均速度也增加，但是整體的增幅卻有所減小，也說明送風速度對于空壓機的通風降溫是有一定限制的。速度過大的時候，氣流會跟空壓機發生碰撞，涌向上部非降溫區，造成冷量的浪費。所以設計方案的送風速度為5m/s。

2.4 送風角度對空壓機降溫的影響

合理的送風角度，可以使送風氣流末端輻射更多的區域。為了了解送風角度對空壓機降溫的影響，需要分別對左右兩側送風角度和中間送風角度進行模擬，左右兩側呈對稱，這里僅需討論一側的送風角度，分別選取切向角度為5°、10°、15°、20°四個角度，中間送風角度與軸夾角B為40°、45°、50°三個角度進行模擬計算。

2.4.1兩側送風口不同切向角度下的計算結果

圖8 不同切向送風角度空壓機側表面溫度分布云圖

從圖8可以看到，側表面的平均溫度隨著切向送風角度的增加，先降低再增加，由于隨著角度的增加，送風射流末端覆蓋的區域再變化，角度較小，送風氣流到達側表面慢，角度過大，送風氣流則吹向空壓機設備的另一個面。從圖中也可以看出送風氣流的覆蓋區域隨著角度的增加，面積先增大再減小。

圖9 不同切向送風角度流場圖

隨著切向送風角度的不斷增加，空壓機側表面的空氣平均流速先增加，再減小，送風角度為10°的時候，平均流速最大，送風氣流末端輻射空壓機側表面面積更廣。當切向送風速度為15°的時候，送風氣流方向偏移，綜上，設計方案中，左右兩側的送風切向速度選為10°。

2.4.2 中間送風口不同角度下的計算結果

圖10 不同送風角度空壓機上表面溫度分布云圖

由圖10可得隨著送風角度的增加，空壓機上表面的平均溫度也在增長，綜上分析，設計方案中間送風口角度選擇40°。

3 總結

采用局部送風方式，把氣流直接送到各個空壓機設備周圍，進行通風降溫。分析不同的送風高度、送風口間距、送風速度以及送風角度對空壓機降溫的影響。送風高度升高，送風氣流可以輻射面積更大，氣流和溫度較為均勻。送風高度小，利于節能；送風口間距整體對空壓機降溫的影響不大，只要在合理的范圍內均可；送風速度大會造成一定的冷量浪費，增大負荷。送風速度小，達不到廠房的基本要求；送風角度大，兩側的氣流會相互交叉、干擾，中間的送風覆蓋空壓機上表面的面積減小。送風角度小的時候，同樣送風氣流覆蓋面減小；選擇合適的送風參數可以更高效、節能的對空壓機廠房進行降溫。

[1] 范存養.大空間建筑空調設計及工程實錄[M].北京:中國建筑工業出版社,2001.

[2] GB 50019-2015,工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2016.

[3] 張軍甫.辦公建筑室內空氣品質測試與氣流組織分析[D].西安:西安建筑科技大學,2011.

[4] 方楠.高溫工業廠房中工位空調作用下的工位區流場特性研究[D].西安:西安建筑科技大學,2015.

[5] JUNA A, DANIEL B, MARCELO R. Airflow modeling in a computer room[J]. Building & Environmnet, 2004,39(12):1393-1402.

[6] J W Jones, N P Weatherill. A Flexible Approach to Evaluation within a Computational Engineering Environment[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 1998,28(8):1183-1197.

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[10] 任艷莉.高大空間氣流組織的數值模擬與實驗研究[D].天津:天津大學,2012.

Research on the Influence of Local Ventilation and Cooling Equipment Parameters Based on CFD

Zhang Zhuo Qiang Tianwei Pei Yulu Liu Jialei

( Xi'an University of Technology, Xi'an, 710048 )

Aiming at the problem of the shutdown protection of high temperature units in summer in an air compressor room of a power plant in Baoji and the irrationality of the existing ventilation and cooling measures, a new local cooling and ventilation device suitable for the air compressor plant is proposed.In the summer, the site was tested continuously for many times, and the physical model of the entire plant was established. Based on the actual measured data, the model reliability was obtained.Using CFD software to simulate the effect of different air supply angles, air supply speeds, and the distance between the air supply port and the surface of the equipment on the cooling effect of the air compressor, and through comparative analysis, the best design plan was obtained.The research and conclusion of this paper can provide a reference for the future application research of local ventilation cooling technology and CFD theoretical simulation in factory buildings.

air compressor room; local ventilation; air distribution; numerical simulation

1671-6612（2021）03-382-07

TK05

A

張 卓（1997.02-），男，碩士，E-mail：13484516130@163.com

強天偉（1970.04-），男，博士，教授，E-mail：254599797@qq.com

2020-12-10