基于COMSOL的精鍛廠房夏季室內溫度仿真

陳 輝，張佳琦，李國軍，范 磊，李漢錕

（1.沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.沈陽城市建設學院，遼寧 沈陽 110167）

0 引言

隨著我們國家步入“十四·五”，生態文明建設更加受到了人們的關注。由于社會的發展我國碳排放也隨之增多。2015年到2020年的能源消費總量呈逐年上升的趨勢；2015年至2019年的能源變化率分別為0.9%、1.3%、2.9%、3.34%和4.74%，其變化率同樣逐年增長，而2020年由于疫情的影響其增長率為2.47%比上年的增長率4.74%有所下降，但總體上仍然呈上升的趨勢[1-7]。可以預見未來我國對能源的需求量依舊會逐年上升。因此降低能源消耗、碳中和已經成為企業發展不可回避的一個問題。如何既滿足生產實際需要，又可以利用已有的資源降低能源的損耗，成為了當今討論的熱門話題。熱泵、換熱器、熱回收器等將低品位能轉換成高品位能的余熱回收裝置已經成為當今降低能源損耗的主要方法之一。

何華明設計了一種新回風換氣機，其采用的芯體為親水高分子纖維，并使水蒸發冷卻技術，可實現高效熱回收[8]。Amiraslanpour Mojtaba等采用基于拉格朗日的粒子輸運方法，采用浮力效應的非boussinesq模型，研究了層流通風系統設計因素對手術室污染物去除和熱舒適條件的影響[9]。Ruiye Li等提出了一種新的非均勻徑向通風管道設計方法，可提供軸向溫度分布均勻的SVDS優化設計方案，且大大降低了計算成本[10]。

上述研究中對工廠內的自然通風仿真和對工廠內特定位置的不同情況下的溫度變化鮮有研究。中一精鍛在建筑設計當中采用通風排煙天窗來消除鍛造時所產生的室內余熱，進風采取自然進風的方式。為保障工廠內的通風方式可以消除鍛造時所產生的室內余熱，現對不同進風條件、不同室外溫度下工廠內的溫度進行仿真，確定消除室內余熱的風速條件的臨界值，確定機械通風的換氣次數，為后續機械通風的構建打下基礎。

1 精鍛廠房自然通風狀況

根據當地的氣象參數，夏季平均溫度為27.5℃，平均風速為2.9m/s，當地的主要風向為南風。根據2020年7月16日實測室外溫度為35℃風向為南風，精鍛廠房的長為180m、寬為60m、高為14.1m。生產的產品為汽車連桿，使用的材料為36MnVS6的棒料，其工藝流程為先通過剪切機把棒料剪裁為2kg的毛坯料，中頻爐給毛坯料加熱到1240℃，通過滾子鏈把加熱好的工件傳送至輥鍛機經過輥鍛、模鍛和終鍛，切邊處理后空冷至室溫，最后進行噴丸強化和熒光探傷等處理后成型入庫。現室內主要熱源為10個350kW的中頻爐。以廠房的西北角為坐標原點，10個中頻爐中點在XY平面的坐標見表1。

表1 中頻爐XY平面坐標Tab.1 Intermediate frequency furnace XY plane coordinates

經過現場實際測量，中頻爐爐頂溫度為105℃，側墻溫度為95℃，爐內溫度為1200℃，工作區三維幾何建模見圖1。

圖1 工作區幾何建模圖Fig.1 Geometric modeling diagram of workspace

式中：L—通風量（m3/h）；n—換氣次數；Vf—廠房體積（m3）。

精鍛廠房的具體參數見表2。

表2 工廠參數表Tab.2 Factory parameter table

2 精鍛廠房自然通風仿真

2.1 CFD模塊概述

CFD的全稱是Comoutational Fluid Dynamics計算流體力學，在COMSOL中的流體流動接口包括單相流、管道流、多相流等。根據雷諾數Re的不同，可以選擇層流和湍流。

當雷諾數小于2000時選擇層流物理場進行仿真，當雷諾數大于2000時選擇湍流模型進行仿真。湍流可由模型種類分為L-VEL、k-ε、k-ω、SST，他們的計算代價依次遞增。研究分為瞬態研究和穩態研究，可以對流體的速度場、溫度場進行仿真。圖2是COMSOL的仿真流程。

圖2 COMSOL仿真流程圖Fig.2 COMSOL simulation flow chart

2.2 COMSOL仿真方程

湍流方程：

式中：ρ—密度；u—流速場；K—湍流動能；F—影響流體的體積力；μ—動力粘度；ε—湍流耗散率。

固體和流體傳熱方程：

式中：ρ—密度；u—流速場；△T—溫度梯度；Cp—比熱容；q—熱傳導速率；Q—空間分布的熱源；k—熱傳導系數。

2.3 設置物理場邊界的相關參數

式中：Re—雷諾數；ρ—流體密度；v—流體流速；d—特征長度；μ—粘性系數。通過計算該仿真模型的雷諾數大于2000所以選擇k-ε模型[11-12]。

式中：l—湍流長度；L—水利半徑。

式中：a、b—矩形管道邊長。

式中：I—湍流強度；Re—雷諾數。

工廠屋頂傳熱系數為0.048，表面輻射率為0.95。通過以上數據對工廠室內自然通風進行仿真。該仿真為非等溫流流動中的湍流k-ε模型和傳熱輻射中的表面對表面輻射傳熱模型的多物理場仿真模型。

2.4 通過COMSOL對工作區的溫度場仿真

根據當地氣象參數可知在夏季時當地的平均風速為2.9m/s，但室外環境參數不是一成不變的，因此對多種風速條件下的室內溫度場進行仿真。

2.4.1 仿真前對環境參數的設置

室內進風口總面積為96.92m2。該仿真中涉及的材料分別為工廠內部空氣，中頻爐爐體材料為Q235。根據現場實際測量室外溫度為35℃。室內空氣的材料屬性見表3。

表3 空氣屬性參數表Tab.3 Air attribute parameter table

2.4.2 仿真前對輸出的截面設置

以廠房的西北角為坐標原點，本研究輸出的截面為鍛造區YZ平面截面，其x軸坐標為15m，該截面所在位置是鍛造區的過道，是工人們的主要操作區，具體仿真截面見圖3。

圖3 仿真二維截面位置圖Fig.3 Location diagram of simulated two-dimensional sectio

3 仿真過程及結果分析

3.1 設置環境溫度為35℃時的仿真

根據實測室內溫度為36.3℃，實測點坐標為（15，120，1），風速為2.9m/s，仿真結果為35.8℃誤差為1.3%，說明該仿真具有實際意義。在進風口風速為2.9m/s時，由公式（1）可得其每小時的室內換氣次數約為6次。通過圖4（a）可以得出，在風速為2.9m/s時室內平均溫度為35.55℃，由中頻爐引起的升溫為0.55℃，頂部最高溫度為36℃，內部溫度相對穩定。通過圖4（b）可以得出，在風速為2.0m/s時室內平均溫度為35.6℃，由中頻爐引起的升溫為0.6℃，頂部最高溫度為36.7℃，內部溫度相比風速為2.9m/s時逐漸升高。通過圖4（c）可以得出，在進風口風速為1.5m/s時，通風量為523368m3/h，由公式（1）可得其每小時的室內換氣次數約為3次，室內平均溫度為35.7℃，由中頻爐引起的升溫為0.7℃，頂部最高溫度為37℃，內部溫度在中頻爐附近有明顯的升高，在自然通風條件下其內部溫度不如風速為2.9m/s時穩定。在進風口風速為1m/s時，通風量為348912m3/h，由公式（1）可得其每小時的室內換氣次數約為2次，通過圖4（d）可以得出，在風速為1m/s時室內平均溫度為35.9℃，由中頻爐引起的升溫為0.9℃，頂部最高溫度為37.5℃，在自然通風條件下已經逐漸的不能消除室內余熱，中頻爐對室內升溫的影響范圍也有所擴大。

圖4 不同風速下工作區的溫度分布梯度圖Fig.4 Temperature distribution gradient diagram of working area under different wind speeds

3.2 設置環境溫度為26℃時的仿真

通過對環境溫度26℃時進風口不同風速條件下的溫度仿真，來確定機械通風的換氣次數，通過COMSOL軟件對室外溫度為26℃時室內換氣次數分別為3次和4次兩種情況進行仿真。兩種通風情況室內整體的溫度平均值分別為27℃和26.9℃溫度相差0.1℃，夏季室內舒適溫度范圍是24.8℃-28.3℃，所以均在人體舒適的溫度范圍內且無明顯體感差別，對坐標為（15，120，1）溫度進行對比，其溫度分別為28.1℃和27.9℃，也在人體舒適的溫度范圍，其主要區別為換氣次數為3次時室內27℃的溫度范圍比換氣4次的溫度范圍更多，但均在人體舒適范圍內，具體如圖5所示。

圖5 室外溫度為26℃時不同換氣次數下工作區的溫度分布梯度圖Fig.5 Temperature distribution gradient diagram of working area under different ventilation times when the outdoor temperature is 26℃

3.3 仿真結果分析討論

室外溫度為35℃時，坐標（15，120，1）點在進風風速為1.0m/s時的溫度為36.4℃，在進風風速為1.5m/s時的溫度為36.2℃，在進風風速為2.0m/s時的溫度為36℃，經《GB-T4200-2008高溫作業分級》規定，在室內大于36℃時允許連續接觸熱時間不超過30min，且每工作30min應休息15min。為創造舒適的生產環境，提高生產效率，需要構建通風系統。室外溫度為26℃時室內最高溫度為30℃，且范圍較小，主體溫度較為舒適，不用使用機械通風系統。

4 結論

本文分析了精鍛車間的不同自然條件下的自然通風。通過COMSOL對該廠房室外溫度為35℃時的內部溫度場進行了仿真分析，得到了該廠房進風口不同風速下的內部溫度梯度分布，反應出了不同進風速度對室內溫度的影響。通過對室外溫度為26℃時室內溫度場仿真，為構建出一套在自然通風條件不能消除廠房內部余熱時使用的機械通風系統提供理論前提，通過機械通風降低室內溫度使工人在室外溫度過高時有一個使人體舒適的工作溫度。通過研究得出以下結論：

通過COMSOL對室外溫度為35℃進風口處風速為2.9m/s、2.0m/s、1.5m/s、1.0m/s的情況下室內自然通風情況的仿真，得出在不同進風速度下的室內溫度梯度圖，清晰的反應出了中頻爐對室內溫度的影響，為該廠房構建機械通風系統來保證工人夏天工作時的舒適性，來保證生產效率提供理論基礎。

以COMSOL仿真得出的在不同進風速度下的室內溫度梯度圖為參考依據，得出了在自然通風不能滿足室內通風需求的情況下使用的機械通風系統的換氣次數為3次，換氣量為473931m3/h。