改良型側送風的數值計算研究

魏東，周濤

（1.東南大學能源與環境學院，江蘇 南京 210096；2.核熱工安全與標準化團隊，江蘇 南京 210096）

0 引言

隨著我國國民生活品質的不斷提高，人們對室內環境及空氣品質的要求越來越高。包括核電站在內的電站的控制室也有健康和安全要求。人們大多數時間在室內，因此如何在節約能源同時讓室內環境達到健康、舒適。同時，在包括小型反應堆內的系統設備的腔室內更好的傳熱也是一個前沿課題，充分利用注入的能量同時減少對環境的污染等要求顯得越發重要。在對側送風的研究中，張興惠等人對角送風的研究集中于送風口設置于室內中部，回風口設置于頂部進行研究，還有劉存等人對側送風送風口設置最佳高度的研究，以及陳浩南等人對架空地板對潔凈室氣流組織影響的模擬研究，于曉明不同氣流組織對室內環境的影響，但將回風口設置于送風口對墻底部的研究較少。這一改良型式的優缺點研究不足，需要進一步研究，這也為這一型式的改進及對室內環境的影響提供了參考。

1 研究對象

1.1 改良型側送風原理

其工作原理如圖1所示。

圖1 改良型側送風工作原理

從圖1中看到，改良型側送風將送風口置于工作區中或者房間2/3處，回風口設置于房間底部且正對送風口。

1.2 幾何模型

根據圖1，改良型側送風原理。建立的幾何模型如圖2所示。

從圖2中看到，幾何模型尺寸如下高3.2m，長4m，寬2.4m。室內有一臺電腦，學生為坐姿。

1.3 設計參數

根據圖2，幾何模型的邊界條件和初始條件設計參數由下表所示。

幾何模型的邊界條件和初始條件設計參數

2 計算模型

2.1 假設條件

根據圖2，幾何模型對其進行簡化和假設：

圖2 幾何模型

①室內氣流為不可壓縮常物性牛頓流體、紊流、忽略質量力；

②污染物粒子質量不計，并對氣流流動無影響；

③室內空氣為低速流動；

④實驗房間室內的通風系統所形成的流場是三維紊流，所以在數值模擬軟件Airpack中采用紊流模型計算。

2.2 連續性方程

式中：ρ—空氣密度，kg/m3；u—空氣沿x軸的流速，m/s；v—空氣沿y軸的流速，m/s；ω—空氣沿z軸的流速，m/s。

2.3 動量方程

式中：ρ—空氣密度，kg/m3；u—空氣沿x軸的流速，m/s；v—空氣沿y軸的流速，m/s；ω—空氣沿z軸的流速，m/s；τ—空氣所受粘性力，N/m2；F—流體所受外力，N。

2.4 能量方程

式中：ρ—空氣密度，kg/m3；T—空氣溫度，℃；k—常數。

2.5 控制方程

式中：φ—通用變量；Γφ—廣義擴散項；Sφ—廣義源項。

3 計算結果及分析

3.1 速度場計算結果

根據公式(1)～(6)，得到圖3速度場。其中(a)為改良型側送風速度場分布；(b)為側送風速度場分布。

從圖3可以看到，(a)圖中則在工作區具有較適宜的風速，而(b)中工作區風速非常小。(a)的速度場主要集中于工作區域，且非工作區域風速很低，(b)則主要集中于非工作區域即房間頂部。基于以上分析，改良后在不給人吹風感的同時，可快速帶走熱量且較常規側送風而言風速集中于工作區域，減少冷量的浪費。

圖3 速度場

3.2 溫度場計算結果

根據公式(1)～(6)，得到圖4溫度場如下。其中(a)為改良型側送風溫度場場分布；(b)為側送風溫度場分布。

圖4 溫度場

從圖4可以看到，(a)溫度基本穩定在25℃，即使熱源也都在26℃以下，非工作區域也都維持在25.7℃。(b)的溫度場溫度基本維持在27℃，熱源處溫度較高30℃。通過以上對比，改良后的側送風溫度場相對更加均衡，且溫度普遍低于側送風，工作區溫度也穩定在25℃左右。

3.3 空氣齡計算結果

根據公式(1)～(6)，得到圖5空氣齡分布所示。其中(a)為改良型側空氣齡場分布；(b)為側送風空氣齡場分布。

從圖5可以看到，兩者的空氣齡在室內的分布圖中(a)工作區的空氣齡在80s左右，而相對的(b)工作區的空氣齡基本在117s左右。(a)中空氣齡相對(b)中低了46.25%，可以得到改良型側送風在工作區的空氣齡要遠低于側送風的空氣齡，改良后可更快帶走房間內的污染物，讓工作區始終保持更好的空氣品質。

圖5 空氣齡分布

4 結論

通過對改良型側送風及側送風研究進行計算，得到改良型側送風速度場，溫度場，空氣齡的變化規律。

①改良型側送風在較低流速時仍能在工作區具有一定風速，且速度較測送風速度分布更均勻。改良型側送風下較側送風其工作區速度提升了70%及以上，在保證了沒有明顯的吹風感同時可快速帶走熱量。

②改良型側送風溫度場主要集中于工作區域且溫度相較于側送風下降了2.5℃，同冷量和更低的送風風速下具有更好的節能效果和熱舒適性。

③同時在空氣品質上，改良型側送風具有更好的空氣齡分布，其分布較傳統氣流組織要低得多，且對于污染源排氣迅速。改良后空氣齡相對下降了12%，配合工作區更高的風速能快速除去污染物及改善污染源對室內空氣品質的影響，因此具有更好的室內空氣品質。