通风系统气流组织的数值模拟分析与改进

MVH · 发表于 2005-7-13 16:02

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人防地下车库射流诱导
通风系统气流组织的数值模拟分析与改进
蔡浩 朱培根 
（全国人防工程内部环境与设备研究中心）
摘要 结合对南京蓝天电脑人防地下车库运用射流诱导通风系统的实测，利用计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）技术对地下车库的气流组织作了数值模拟分析，籍此提出改进的气流组织形式，并对其进一步进行模拟计算，从而确定出地下车库气流组织的改进方案。
关键词 人防地下车库 射流诱导通风系统 气流组织 CFD 数值模拟
1 问题的提出
蓝天电脑人防地下车库建筑面积为2000m2,层高2.8m，采用射流诱导通风系统组织车库内的通风。车库原有通风系统的设置见图1。
<IMG src="http://www.ccadie.com/xsyd/rflwk/articles/rfdxck.files/image002.gif"> 
图中表示了射流诱导风机的相对位置和送风方向，新、排风口和汽车通道的位置。其中诱导风机风口与图中Z方向成30°角向下倾斜送风。通道1 为汽车入口，通道2为汽车出口。在2001年对该地下车库的进排风量、射流诱导通风机特性、工程内速度、温湿度、CO2和CO浓度、噪声、照度等进行了测定，详细的测试结果见参考文献[1]。测试结果表明，工程内工作区的速度场和CO浓度场符合地下车库的设计要求。但是，仅通过对工作区气流速度的测试是否能够反映出通风系统的气流组织情况和通风换气效果呢？另外，CO浓度的测试由于是在车库内车流量较小的情况下进行的，那么在车流量较大时是否同样符合设计要求？
带着这两个问题，笔者对车库的通风系统设置进行了初步的分析和推测。如图1 所示，原有的通风系统将新风口和排风口设置在工程的同一侧，而且绝大多数射流诱导风机的送风方向为Z方向。这样有可能造成新风口和排风口之间的送风气流短路，同时由于射流诱导风机所形成的送风气流的压制可能使送入工程的新风不能有效的进入另一侧的工作区。为了证实这一推测，更清楚的了解地下车库内部的气流和污染物浓度分布情况，笔者采用计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）技术对地下车库的气流组织作了数值模拟分析。在对模拟结果进行分析的基础上，先后提出了两种可行的改进方案（见图2，图3），通过进一步的数值模拟计算和分析，从而最终确定了该地下车库的气流组织改进方案。
2 模拟工具
目前国际上已经得到广泛应用，技术相对成熟的计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）软件主要包括：Fluent，Phoenics，Stream，Star-CD，CFX等。笔者采用专业CFD软件Airpak2.1对地下车库的气流场和污染物浓度场进行了模拟。Airpak是Fluent公司专门为暖通空调专业开发的CFD软件，可以用于模拟温度场、气流场、污染物浓度、空气龄以及PPD、PMV指标等。Airpak具有自动化的非结构化、结构化网格生成能力，采用FLUENT软件作为其核心的求解器，详细资料见参考文献[2]。
3 最初方案的CFD模拟及计算结果分析
3.1 CFD模型说明
笔者根据地下车库的尺寸建立模型，见图1。其中：射流诱导风机模型的风量按实测平均值933.2m3/（h.个），风口模型尺寸近似取200mm*75mm，风速为17.21m/s，风向为向下倾斜与水平方向成30°角。新风口、排风口都采用实际尺寸，皆为1250*1600mm。新风总送风量取实测值34516.8m3/h，新风口的风速为4.794m/s；排风量取实测值39596m3/h，排风口的风速为5.50m/s。为了保证整个空间的质量守恒，通道1、2都采用和周围环境保持相同静压值的风口模型。计算网格为六面体网格，采用K-ε两方程模型模拟湍流。
3.2 CO释放量的确定及污染源模型
地下停车库的汽车排放的主要有害物为：CO，HC，NOx，这三种有害物的散发量的比例大约为7：1.5：0.2，因此CO是地下停车场的主要有害物，当CO的浓度稀释到标准规定的范围以下时，足可以将其他有害物的浓度也稀释到标准规定的范围以下。因此，目前各种地下停车库通风量计算的各种方法都是以CO释放量为标准的。关于CO的释放量计算，由于地下车库的汽车类型和各种类型汽车的数量很难准确确定，现有的计算方法[3][4][5]，当选择不同的计算参数时，计算结果有很大的差别。故此，笔者采用参考文献[6]提供的实测结果作为计算CO释放量的依据。
文献[6]的实测结果，地下停车库汽车平均排气量为1m3/h~1.1m3/h，汽车排放CO的平均浓度为53500~55000mg/m3。本工程实例，平均停车数为100辆，因此每小时汽车排放CO的产生量为：6.05 kg/h。取汽车尾气的排放温度为500℃，汽车尾气的废热为18.3 KW；新风CO浓度为3mg/m3；CO最高允许浓度，设计采用100ppm（125mg/m3）。
为了模拟汽车怠速运行释放的CO在空间的分布，笔者在CFD模型中均匀分布了10个体积污染源，每个污染源的CO释放量为0.605kg/h，热流强度为1.83kw，见图1。

MVH · 发表于 2005-7-13 16:03

3.3 计算结果分析
图4~6给出了地下车库最初通风方案条件下有代表性的计算结果。对图4~6的计算结果加以分析，可以得到以下认识：
1）射流诱导风机的前后间距是合理的，由图4可以看出在送风方向上，可以实现送风方向上的气流接力。由于射流边界与周围介质之间的湍流动量交换，周围空气被卷入，射流不断扩大，同时射流的速度场从中心开始逐渐向边界衰减。
2）工作区的气流速度分布均匀，无明显的空气停滞死区。从图4，图5的模拟结果可以看出射流诱导风机在空间形成接力式的多股射流，整个空间的空气由于空气射流的诱导和卷吸作用被带动起来。
3）从图5的计算结果可以看出新风在新风口和排风口之间有较为明显的短路现象。送入的新风以及由通道1带入的室外空气以较高的速度分别由排风口和通道2被排除，难以有效的进入图示左侧的工作区，通风换气的效果较差。
4）从图6的计算结果可以看出大部分区域的CO浓度符合设计的要求<100ppm(125mg/ m3)，但同时也发现污染物集中在空间的左侧，大部分的污染物并没有得到稀释。而且左上角和左下角有局部区域CO浓度偏高的现象。这种现象主要是因为大部分的室外新鲜空气没有流经工作区就被直接排放到工程外所导致的。
综合上述四点，笔者认为原有的设计方案虽然工作区的气流速度能够符合设计的要求，但是由于新风口和排风口的位置设置不当，大部分送风气流被短路，整个空间的通风换气效果不佳。为了改进空间内的气流组织，先后提出以下两种气流组织的改进方案。
4 改进方案1的CFD模拟及计算结果分析
4.1 改进方案1及其CFD模型说明
为了解决新风气流的短路问题，尝试改变新风口和排风口的相对位置。由于实际工程新风口的位置不可变，故可以考虑改变排风口的位置。在CFD模型中增设一段排风管，将排风口的位置移至空间的左侧，其它条件不变，见图2。
<IMG src="http://www.ccadie.com/xsyd/rflwk/articles/rfdxck.files/image004.gif"> 
4.2 计算结果分析
图7~9给出了地下车库改进方案1条件下有代表性的计算结果。对图7~9的计算结果加以分析，可以得到以下认识：
1）射流诱导风机的前后间距是合理的，射流送风效果明显，见图7。
2）工作区的气流速度分布均匀，无明显的空气停滞死区，气流速度符合设计要求，见图7，8。
3）比较图5和图8的计算结果，可以看出新风的短路的现象得到一定的改善。由于排风口位置的调整，更多的新风流向图中左下角的工作区。
4）射流诱导风机在空间形成的Z方向上气流对新风气流向-X方向的运动形成了一定的压制，新风气流难以有效的到达图中左上角的工作区域。
5）比较图6和图9的计算结果，可以看出改进方案1的通风换气效果得到了一定的改善，图中所示左下角的一部分区域的污染物得到了稀释。但左上角仍有相当面积的区域污染物难以有效稀释。左下角局部区域CO浓度偏高的现象得到缓解，但左上角没有明显改变。
改变排风口的位置后，空间内的气流组织和通风换气效果比原有设计方案有所改善。但并不如预期的那么理想。主要的原因是射流诱导风机在空间形成气流压制了新风气流，使新风气流不能有效到达图中所示左上部的工作区域。因此，在设计和实际运行过程中应当充分考虑射流诱导风机的送风方向及其和新风气流的相互作用。

MVH · 发表于 2005-7-13 16:03

5 改进方案2的CFD模拟及计算结果分析
5.1 改进方案2及其CFD模型说明
通过对改进方案1的数值模拟和分析，考虑尽量不改变原有通风系统的设置，通过调整射流诱导风机的送风方向来组织空间内的气流，将新风诱引至左侧的工作区域，以实现对该区域污染物的充分稀释。在原有设计方案的CFD模型中，只改变射流诱导风机的送风方向.改变方向。送风方向在水平面上，右起前三排为X轴负方向；第四排∠XOZ=135°角；第五排Z轴正方向。垂直面上的风向仍然保持向下倾斜与水平方向成30°角，见图3。
<IMG src="http://www.ccadie.com/xsyd/rflwk/articles/rfdxck.files/image006.gif"> 
5.2 计算结果分析
图10~12给出了地下车库改进方案2条件下有代表性的计算结果。对图10~12的计算结果加以分析，可以得到以下认识：
1）射流诱导风机在X轴方向的前后间距是合理的，射流送风效果明显，见图10。
2）新风气流被射流诱导风机所形成的气流诱引，并深入到图示左上角的工作区，无新风短路的现象。工作区的气流速度分布均匀，无明显的空气停滞死区，气流速度符合设计要求，见图10，11。
3）比较图9和图12的计算结果，可以看出改进方案2的通风换气效果明显优于改进方案1。图示左侧的污染物得到明显的稀释，左上角和左下角局部区域CO浓度偏高的现象基本消除。
通过上述分析可以看出，单个射流诱导风机所形成气流可以改善其作用范围内局部气流分布，而多个射流诱导风机共同作用所形成的气流对新风在空间内的有效分配起着十分重要的作用。
<IMG src="http://www.ccadie.com/xsyd/rflwk/articles/rfdxck.files/image008.gif"> <IMG src="http://www.ccadie.com/xsyd/rflwk/articles/rfdxck.files/image010.gif"> <IMG src="http://www.ccadie.com/xsyd/rflwk/articles/rfdxck.files/image012.gif"> 
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<IMG src="http://www.ccadie.com/xsyd/rflwk/articles/rfdxck.files/image022.gif"> 
6 结论
1）对于采用射流诱导风机的地下车库来说，工作区的气流速度测试并不能完全反映通风系统的气流组织情况和通风换气效果。如原有设计方案在工作区的气流速度符合设计要求，但是整个空间的气流组织存在较大的问题。
2）在大部分新风短路的情况下，原有设计方案在工作区除局部区域外的CO浓度都能符合<100ppm(125mg/m3)的设计要求。由此可以看出如果采用改进的设计方案2，工程的通风量可以进一步减少，以降低风机的运行能耗。
3）在设计时应当注意合理设置新风口和排风口的位置，尽量避免新风气流短路的现象发生。
5）在设计和实际运行过程中应当充分考虑射流诱导风机的送风方向及其和新风气流的相互作用，尽量避免两股气流相互压制或者相互抵消的现象发生。
6）单个射流诱导风机所形成气流可以改善其作用范围内局部气流分布，而多个射流诱导风机共同作用所形成的气流对新风在空间内的有效分配起着十分重要的作用。因此，需要确定射流诱导风机合理的位置和送风方向来组织空间内的气流，尽量将新风气流诱引至工作区域，以实现对污染物的充分稀释。
参考文献
1朱培根，杨仁忠等．地下车库射流诱导通风系统的检测．流体机械，2003，31（3）：60-63
2AirPak软件资料．<a href="http://www.fluent.com/" target="_blank" >http://www.airpak.fluent.com/</A>
3杨允立．地下车库通风量设计值浅探．武汉城市建设学院学报，1994，11(1)：57-59
4 陈刚．地下车库通风量的确定与控制．暖通空调，2002，32（1）：62-63
5潘雨顺，李光旭．论高层建筑地下车库通风与消防排烟设计．建筑防火，1995，9：7-12
6殷平．无风道诱导风机通风空调系统研究——1.地下停车场工程实测与经济分析．全国暖通空调制冷2002年学术论文集，363-366

幻觉 · 发表于 2006-7-21 10:33

非常好

chengxin10 · 发表于 2006-7-23 10:42

VERY GOOD ,建议版主多发这样的好帖.顶一下.

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