送風方式對設備局部降溫效果的數值模擬研究
——貼壁射流送風

黃龍龍 強天偉 張 卓 裴雨露

（西安工程大學 西安 710048）

0 引言

貼附射流在暖通空調工程領域中的應用日益增多[1]，近年來，西安建筑科技大學李安桂教授團隊對此類通風方式進行了詳細的研究，貼附射流原理如圖1所示。在參數一定的條件下，相對于完整射流，貼附射流可輸送到壁面處的風速度更快、空氣溫度更低，利于設備散熱。貼附射流可以視為完整射流的一半，可以按照出口的流速不變，風口寬度加倍來計算[2-4]。

圖1 貼壁射流和完整射流分析圖Fig.1 Analysis diagram of wall jet and complete jet

因此，針對某種高溫設備進行局部通風降溫，本文對設備進行貼壁送風時，氣流僅對設備上表面降溫，同時增加送風口，對兩側面進行送風。已知設備各個表面的散熱量，根據需要到達工作地點的氣流寬度公式，可以求得風口截面積，中間送風口選用條縫風口貼壁射流吹覆設備上表面，左右兩邊的風口選擇可調節角度的百葉風口各吹向左右兩個側面；風管距離設備的水平距離設置500mm，如圖2所示。

圖2 設備貼附送風示意圖Fig.2 Schematic diagram of air supply attached to equipment

本文利用CFD（Computational Fluid Dynamics）數值模擬方法，分析貼壁射流送風角度以及切向送風角度等因素對設備降溫效果的影響。為以后更多學者對貼附射流送風研究提供參考。

1 數值計算模型建立及參數設置

1.1 物理模型建立

根據廠房設備的布置情況進行建模，設備尺寸如表1所示[5]。

表1 房間及設備尺寸大小Table 1 Room and equipment size

對于本文來說，需要對北墻和東墻的送風口、不同運行設備表面、窗戶、門處進行相應的網格加密。機房內部網格0.1m，局部加密網格0.05m，共計生成了2053380 個網格，網格劃分情況如圖3所示。

圖3 設備局部網格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of local meshing of equipment

1.2 數學模型建立

認為機房氣流流態為湍流流動。目前工程應用中的數值模擬方法主要有：直接數值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）和基于雷諾平均N-S方程組（RANS）的模型。筆者選用適用于模擬室內氣流流動的RANS 中的K-?模型對機房室內氣流組織進行模擬，數學模型控制方程包括：連續性方程、動量方程、能量方程、湍動能方程、耗散率方程，其通式為：

式中：ρ為空氣密度；t為時間；V為速度矢量；φ為速度在x、y、z 方向的分量，當φ=1 時，方程變為連續性方程； ΓΦ為各應變量的有效擴散系數；SΦ為廣義源項。

1.3 邊界條件定義

送風口設為速度入口邊界條件，速度設為3m/s，溫度設為26.5℃；湍流動能k=0.18 和湍流耗散率E=0.42[7]；本文設備在運行時，所有門窗均開啟，這里將門窗設置為自由出流邊界條件；房間圍護結構采用溫度熱邊界，運行設備的外表面設置為定熱流量的壁面熱邊界條件，不運行設備的外表面設置為固定壁邊界。邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件Table 2 Boundary conditions

1.4 求解器參數設置

FLUENT 求解器各求解參數設置如表3所示。

表3 求解器參數設置表Table 3 Solver parameter setting table

2 貼壁射流送風角度對設備降溫效果的影響

對于貼壁射流來說，送風射流的角度會影響貼壁射流對壁面的降溫效果。本文需要分別送風角度進行模擬，貼壁射流送風角度A 選擇0°、5°、10°三個角度進行模擬計算。貼壁射流送風角度示意圖如圖3所示。送風速度選為5m/s、風口距離設備的水平距離為500mm，只改變送風角度，計算結果如圖所示。

圖4 貼壁射流送風角度示意圖Fig.4 Schematic diagram of air supply angle of wall-mounted jet

在空壓機的表面處取A、B、C、D 四個點，分別距離送風口水平距離500mm、1000mm、1500mm、2000mm，如圖5（a）所示。用FLUENT后處理分別提取出不同送風角度下，各個測點空氣流速，如圖6所示。

圖5 貼壁射流不同送風角度速度分布圖Fig.5 Velocity distribution diagram of wall jet at different air supply angles

圖6 不同送風角度下的各測點空氣流速Fig.6 Air velocity at each measuring point under different air supply angles

從圖中可以看到，隨著貼壁射流送風角度的增加，壁面處空氣速度衰減的更快。送風角度為0°的時候，各個測點的空氣速度最大。

圖7 貼壁射流不同送風角度溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution diagram of wall jet at different air supply angles

用FLUENT 后處理分別提取出不同送風角度下，各個測點溫度，如圖8所示。

圖8 不同送風角度下的各測點溫度值Fig.8 The temperature value of each measuring point under different air supply angles

可以看到，送風角度為0°的時候，各個測點溫度相對來說較低，通風降溫效果好。送風角度為10°的時候，測點溫度高，通風降溫效果差。主要是因為貼壁射流角度小的時候，速度衰減慢，壁面處的空氣速度較大，可以較快的帶走設備散發的熱量。

3 切向射流送風角度對設備降溫效果的影響

切向射流角度是指設備對應的左右兩側送風口的角度，因為左右兩側呈對稱，這里僅需討論一側的送風角度[7]。對于側面送風口來說，有兩個角度需要確定，分別是向下的吹風角度，和吹向設備側面的切向角度。

3.1 向下射流送風角度

分別選取切向角度B 為5°、15°、30°三個角度，進行模擬計算，送風角度示意圖如9所示。送風速度選為5m/s、風口距離設備的水平距離為500mm，左側送風口距離貼壁送風口距離0.1m，改變送風角度，計算結果如圖所示。

圖9 向下射流送風角度示意圖Fig.9 Schematic diagram of downward jet air supply angle

根據圖10 可以看出，隨著向下射流送風角度的不斷增加，送風射流輻射空壓機側面的區域越大，但是角度增大到30°的時候，送風氣流會與地面發生碰撞，改變氣流的流動方向，在室內形成渦流，無法從室內的窗戶、門排出。圖11 表明，隨著向下送風角度的增加，送風射流末端覆蓋的區域發生了變化，在一定角度范圍內，送風角度增加，氣流輻射區域越廣。但是角度過大，氣流會與地面發生碰撞，方向偏移，綜上兩側送風口向下的送風角度選擇15°為宜。

圖10 向下射流不同送風角度速度矢量圖Fig.10 Vector diagram of downward jet velocity at different air supply angles

圖11 向下射流不同送風角度溫度分布圖Fig.11 Temperature distribution diagram of downward jet at different air supply angles

3.2 切向射流送風角度

送風口間距不是氣流組織的主要影響因素[8]。只要在能夠滿足夏季空壓機房基本熱環境的范圍內即可。要求不高的精度下，送風口間距范圍也比較大。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，這里選取了三個風口間距0.1m、0.2m、0.3m 進行模擬，發現改變送風口間距對于空壓機表面周圍的溫度影響不大，所以這里選用空壓機左右兩側送風口距離中間送風口的間距為0.1m 作為計算標準。分別選取切向角度C 為5°、10°、15°三個角度，進行模擬計算，送風角度示意圖如圖12所示。送風速度、風口距離保持不變，改變送風角度。計算結果如圖所示。

圖12 切向射流送風角度示意圖Fig.12 Schematic diagram of the air supply angle of the tangential jet

從圖13 中可以看到，隨著切向送風角度的不斷增加，兩側送風口到達設備側表面的位置越提前（見圖13 A 點），直到切向角度為15°的時候，送風射流剛好到達空壓機兩個側面交接處，此時部分氣流盤旋在空壓機側表面（見圖13（c）），這部分的氣流無法排出室外。隨著角度的增加，送風射流末端覆蓋的區域發生了變化（見圖13），角度較小的時候，送風氣流到達側表面較晚，角度過大的時候，送風氣流會吹向設備的另一個面。綜上所述，兩側的切向送風角度選擇10°為宜。

圖13 切向射流不同送風角度速度矢量圖Fig.13 Vector diagrams of tangential jet velocity at different air supply angles

4 總結

采用貼附送風的通風方式，把氣流直接送到各個設備表面，進行通風降溫。分析不同的貼壁射流送風角度以及切向送風角度對設備降溫效果的影響。結果表明：

（1）隨著貼壁射流送風角度的增加，壁面處空氣速度衰減的更快。送風角度為0°的時候，各個測點的空氣速度最大。

（2）隨著向下射流送風角度的不斷增加，送風射流輻射空壓機側面的區域越大；隨著向下送風角度的增加，在一定角度范圍內，送風角度增加，氣流輻射區域越廣。但角度過大，氣流會與地面發生碰撞，方向偏移，兩側送風口向下的送風角度選擇15°為宜。

（3）隨著切向送風角度的不斷增加，兩側送風口到達設備側表面的位置越提前；角度較小時，送風氣流到達側表面較晚，角度過大送風氣流則會吹向設備的另一個面。綜上所述，兩側的切向送風角度選擇10°為宜。