陳 方，廖義德，郭 敏，談文鑫，鄒軍軍

(武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

動車基地的檢修庫可對多輛動車組同時進行拆裝和檢修，動車組在進庫檢修的過程中，其變電柜和空調(diào)裝置是處于工作狀態(tài)的，散熱器通過兩個熱風出口向外排出45 ℃左右的熱空氣，其排量之和約為6 000 m3/h，而通常一列動車組有16節(jié)車廂，熱風總排量高達96 000 m3/h.在炎熱的夏季，當動車組數(shù)量增多時，庫內(nèi)氣溫將非常高，即使采用空調(diào)制冷措施也難以有效控制庫內(nèi)氣溫，給檢修工作帶來不利.

1 無罩引風系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)簡介

無罩引風系統(tǒng)如圖1所示，動車組排氣口與地面的垂直距離為1.2 m，排出的熱空氣吹向地面，通過在地面創(chuàng)建對應吸氣口(與排氣口錯位0.4 m左右)并在內(nèi)部安裝風機，從而達到排出熱空氣、通風散熱的目的.

圖1 無罩引風系統(tǒng)示意圖

1.2 射流理論分析

排氣口排出熱空氣屬于氣體紊動射流，由于存在速度不等的間斷面，周圍靜止的氣體會被卷入射流，并因獲得動量而隨原射流向前流動，而熱空氣速度則會衰減，并形成一定的速度梯度，這稱為卷吸作用，結果導致射流斷面不斷擴大，流速不斷降低，流量因周圍空氣的卷入而沿程增加，需要加大吸氣能耗才能保證通風效果.

1.3 通風原理

利用房屋內(nèi)外的壓力差增加空氣流動是一種較為普遍的房屋換氣原理：既可使屋內(nèi)氣壓相對屋外較低(即產(chǎn)生負壓)，則屋內(nèi)熱空氣會被吸走；也可使屋內(nèi)氣壓相對屋外較高(即產(chǎn)生正壓)，如向屋內(nèi)吹風以吹散熱空氣，使混合后的空氣從門窗縫隙溢出，但由于檢修庫內(nèi)部空間巨大，采用這種方法能量消耗大且效果不好，若在熱空氣與庫內(nèi)空氣混合前就將其單獨引走，引風量和能量消耗就會減少很多，因此可在吸氣口處安裝風機，當熱空氣被引至吸氣口時利用風機產(chǎn)生的壓差將其排出[1].

引風存在有罩和無罩兩種方案.有罩方案利用吸氣罩和管道引導熱空氣，但管道連接會對檢修工作產(chǎn)生影響，且動車組隨機停車時排氣口與管道的錯位補償問題也難以解決；無罩方案則利用氣體動能和吸氣口的壓差引導熱空氣，因此，不會影響檢修工作，但由于卷吸作用的存在，風機需要消耗更多的能量[2].

2 Fluent仿真

2.1 仿真目的

無罩引風方案優(yōu)缺點并存，因此整個系統(tǒng)的通風效果和能量消耗就成為主要研究內(nèi)容，由于還沒有較為完善的理論計算方法，因此采用目前常用的Fluent軟件對其進行建模和仿真[3].

2.2 仿真參數(shù)與模型

已知排氣口流量為0.833 m3/s，面積為0.16 m2，利用Fluent6.3[4-5]對系統(tǒng)建立2D仿真模型并劃分網(wǎng)格：由圖1可知，略去車輪和檢修軌道，在車身輪廓和地面之間建立內(nèi)部充滿空氣的密閉空間，排氣口為速度進口，吸氣口為出口，地面與車身輪廓的邊界條件設為wall，左右兩邊界因敞開環(huán)境而設為outflow，得到圖2.

圖2 仿真模型及網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 仿真結果分析

以排氣口排出的熱空氣速度為初始化條件，設定不同的吸氣口壓差和尺寸，得到仿真結果，整體速度矢量圖如圖3所示，吸氣口速度矢量圖如圖4所示，吸氣口速度分布圖如圖5所示.

從圖3可看出，大部分熱空氣被順利引至吸氣口.

從圖4可看出，吸氣口處的熱空氣由風機產(chǎn)生的壓差排出.

圖5顯示了吸氣口速度分布情況，取其平均值作為吸氣口氣體流速.

2.3.1 吸氣流量與能量消耗隨壓差變化情況 當吸氣口尺寸固定為0.24 m2時，分別設定壓差為500 Pa、700 Pa、900 Pa和1 100 Pa，計算得到吸氣口流量值和能量消耗功率，如表1和圖6所示.

圖3 整體速度矢量圖

圖4 吸氣口速度矢量圖

圖5 吸氣口速度分布圖

表1不同壓差下吸氣口流量與能耗對比

Table 1 Deviation of air flow and energy consumption with differential pressure

吸氣口壓差/Pa5007009001 100吸氣口流量/m3·s2.142.322.622.93能量消耗功率/kw1.071.632.353.22

圖6 吸氣口流量與能量消耗功率隨壓差變化圖

由圖6可見，當壓差增大時，吸氣流量隨之增加，但能量消耗增加得更快，因此需要選擇合適的壓差.

2.3.2 吸氣流量與能量消耗隨尺寸變化情況 當吸氣口壓差固定為700 Pa時，分別設定其寬度為0.2 m、0.3 m、0.4 m和0.5 m，長度0.8 m保持不變，計算得到吸氣口流量值和能量消耗功率，如表2和圖7所示.

圖7 吸氣口流量與能量消耗功率隨尺寸變化圖

由圖7可見，當吸氣口尺寸增加時，吸氣流量會增加較快，而能量消耗的增加卻較為緩慢，這是一種較為節(jié)能的增加流量的方法，但需綜合實際情況而定.

表2 不同尺寸下吸氣口流量與能耗對比

總體上看，隨著壓差和吸氣口尺寸的增加，吸氣流量會越來越大，通風效果將更加明顯，但能量消耗也在同時增大，合理選擇吸氣口尺寸和壓差才是保證無罩引風系統(tǒng)達到高效、節(jié)能的關鍵.

3 無罩引風排熱實驗

3.1 實驗目的

通過實驗室內(nèi)的氣溫變化情況驗證無罩引風系統(tǒng)的實際效果.

3.2 實驗裝置

無罩引風排熱實驗裝置如圖8所示.

圖8 無罩引風排熱實驗裝置

空調(diào)排風口尺寸為420×250 mm2，熱風速度2.9 m/s，熱風功率8.4 kw；

引風機風管尺寸為340×340 mm2，引風量1 635 m3/h，風壓500 Pa，電機功率0.37 kw.

3.3 實驗內(nèi)容

實驗室空間尺寸為4 300×1 600×2 800 mm3，初始氣溫11.3 ℃，將空調(diào)排風口設在距離引風機吸氣口1 m，錯位0.4 m的位置，先開啟空調(diào)不開引風機，記錄一小時內(nèi)實驗室氣溫隨時間的變化，得到數(shù)據(jù)1；關閉空調(diào)，待室內(nèi)氣溫恢復至自然狀態(tài)后再同時開啟空調(diào)和引風機，記錄一小時內(nèi)實驗室氣溫隨時間的變化，得到數(shù)據(jù)2.將兩組數(shù)據(jù)進行對比如表3和圖9所示.

表3 引風機開啟與關閉時室內(nèi)溫度的對比

圖9 引風機開啟與關閉時的室內(nèi)溫度變化圖

3.4 實驗結論

從以上數(shù)據(jù)可看出，引風機關閉時室內(nèi)氣溫上升幅度較大，1 h內(nèi)上升了10 ℃左右；而開啟引風機后室內(nèi)氣溫在1 h內(nèi)僅增加4 ℃，并趨于穩(wěn)定，這直觀地說明無罩引風系統(tǒng)具有良好的排熱降溫性能.

4 結 語

a.無罩引風系統(tǒng)具有良好的排熱降溫性能，但相比有罩系統(tǒng)其能量消耗較大.

b.隨著壓差和吸氣口尺寸的增加，吸氣流量和能量消耗也隨之增大.壓差增大時能量消耗增幅明顯，而適當增加吸氣口尺寸既可保證流量，也不會使能量消耗增加過多.因此,需要根據(jù)實際情況合理選擇壓差和吸氣口尺寸，保證無罩引風系統(tǒng)的高效和節(jié)能.

參考文獻：

[1] 黃雪,張慎言. 地下汽車庫通風系統(tǒng)和防排煙設計[J].暖通空調(diào),2002(5):66-67.

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[3] 萬鑫,蘇亞欣. 工業(yè)廠房自然通風的數(shù)值模擬和結構改進[J].中國安全科學學報,2008(8):103-108.

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