劉靜 張旭 羅平

同濟大學機械與能源工程學院

狹長空間強擾動排熱通風量的優(yōu)化研究

劉靜 張旭 羅平

同濟大學機械與能源工程學院

針對存在強擾動氣流的狹長空間內熱量不容易排出的問題，本文采用全面通風的手段來消除空間內持續(xù)散發(fā)的大量熱量，并依據相似理論，利用Revit軟件輔助設計搭建了模型實驗臺，對不同熱射流溫度及對應不同排熱通風量的排熱效果進行了優(yōu)化研究。文中以評價全面排熱通風量效果的評價指標——排熱效率為參考，得到熱射流溫度在小于591K的范圍內，最優(yōu)的全面排熱通風量值約為144.7萬m3/h，當熱射流溫度位于591～709K時，最優(yōu)的全面排熱通風量值約為159.7萬m3/h。

狹長空間全面通風相似原理排熱效率

由于狹長型建筑橫縱面較大，橫截面積較小，空間內如果產生大量的熱量難以有效排出，嚴重影響了空間內部人員的生命安全。對于這類長徑比較大的狹長空間，由于其內部的氣流方式的特殊性，所以有必要對其進行專門的分析與研究[1]?，F在常用的控制狹長空間內溫度場方法有底部有進風柵的置換通風方法等[2～4]。在對這些方法進行分析后，針對本研究課題的特殊性，對其采用全面排風的方式來及時消除內部的大量熱量，保證人員的可居留性。本研究針對該狹長型空間展開研究，分析在全面通風方式下，不同的通風量與不同的熱射流溫度對排熱效果影響的規(guī)律，并得出不同熱射流溫度下合適的全面通風量。

目前對于矩形狹長隧道型空間的研究較少，同時由于其過程較復雜，也不可用一般的解析求解方法[5]，故采用相對原理對其進行近似后使用實驗方法對該狹長空間進行研究[6～8]。該研究的實際問題雖然具有一定的特殊性，但研究成果依然可對諸如采空區(qū)的瓦斯?jié)舛葓龅榷嘣磪R的通風問題[9]等有一定的借鑒價值。

1 復雜擾量及排熱問題的難點分析

該實際工程為一個一端開啟一端封閉的矩形狹長隧道型空間，尺寸為132m×16.6m×8.9m，靠近封閉一端兩側有對稱排風口，對空間進行單向全面排風?？臻g內存在兩對強擾動氣流，在靠近開啟一端放置有一個不規(guī)則組合體，兩股熱射流與兩股工藝氣流均存在于該組合體的范圍內。其中兩股高溫熱射流參數相同，從空間內吸氣，加熱后重新噴到空間內，熱射流出口為直徑900mm的圓形風口，與垂直方向成30°角，源流進口為3m×2.4m的矩形風口；該空間內同時存在兩股工藝氣流，空氣由組合體上的條形風口吸入，垂直地面方向吹出。工程主要靠全面通風的手段來消除熱射流產生的大量熱量，使其不會造成空間內的人員傷亡。研究對象狹長空間及內擾布置示意圖如圖1。

在該工程中，強擾動氣流中的源特征氣流有熱射流出風口、工藝氣流出風口，匯特征氣流有熱射流進風口、工藝氣流進風口。由于熱射流出口與垂直方向存在一定夾角，工藝氣流出口方向垂直于地面方向，同時還存在一股由于全面通風形成的橫向氣流，所以空間內的氣流場與溫度場的分布較為復雜。故本研究的難點在于，如何在無法進行足尺度實驗的條件下，通過模型實驗與計算對全面通風量進行優(yōu)化，得出符合實際的最優(yōu)全面通風量。

2 實驗原理及相似變量確定

本文的實驗模型是依據相似理論搭建而成的，并在其基礎上進行了實驗，用于近似地描述實際問題。

2.1 實驗原理

根據相似理論，要保證兩個流動問題的力學相似，必須保證兩個流動幾何相似，運動相似，動力相似，以及兩個流動的邊界條件和起始條件相似。由于流體的運動微分方程是反映著慣性力、質量力、壓力、黏性力和彈性力等諸力的平衡關系，因此，可以從運動微分方程中導出相似準則數。

式中：△p為壓力差，Pa；ρ為密度，kg/m3；u為流速，m/s；l為長度，m；v為運動粘滯系數，m2/s；μ為動力粘滯系數，kg/(s·m)；λ為導熱系數，W/(m·K)；cp為定壓熱容，kJ/(kg·K)。

要使模型與原型的這四個準則數完全相同幾乎是不可能的，需要對模型進行一定的簡化。由于Pr只包含流體的物理參數，當期原子數目一定時，Pr為一個常數，與溫度和壓力無關，該研究中用常溫空氣來模擬非等溫熱煙氣流動，兩者的Pr數可以認為近似相等；由于可以適當增大模型熱射流的Re數，使其進入與實型相同的自動模擬區(qū)，Re即可自動相等；同時由定性物理量組成的相似準數，相互間存在著函數關系。在考慮不可壓縮流體流動的動力相似時，根據力的多邊形相似法則，決定流動平衡的四種力：粘滯力、壓力、重力和慣性力之中，必有一力是被動的，只要三個力分別相似，則第四個力必然相似。因此，在決定動力相似的三個準則：Eu，Fr，Re中，必有一個是被動的，相互之間存在依賴關系：Eu=F(Fr，Re)。故可認為Eu是被動準則數，當其余三個準則數相似時，Eu數自動相似。故式（1）轉化為：

式中：T0為室內空氣溫度，K；Tj為熱射流出口溫度，K；ρ為熱射流出口空氣密度，kg/m3；ρ0為室內空氣密度，kg/m3；dj為熱射流出口直徑，m；u為熱射流出口風速，m/s；△Tc為熱射流與室內空氣溫度之差，℃。

2.2 模型比例尺

根據相似原理，要保證模型實驗與實型的相似，需要保證相似準則數相等，即：Ar，其中Ar’為實驗模型對應的阿基米德數。幾何比例尺：Cl=，溫度比例尺：CT0=，溫差比例尺：，速度比例尺：，風量比例尺：。

一般經驗模型的雷諾數的第二臨界值為1×104~ 0.5×104，為了使模型實驗的雷諾數可以進入與實型相同的自動模擬區(qū)，同時考慮到具體的實驗條件，令Cl=1/12；同時實型環(huán)境溫度T0為308.15K，實驗工況溫度T0’為300.15K，可以得到CT0=0.974；又根據實驗臺所選風機的性能，與實型風速相對應后可以得到Cu= 0.12。

綜上所述，通過計算可得模型比例尺（表1）。

考慮到實際工程中可能達到的全面通風量與熱射流溫度，依據比例尺，設定實驗中全面通風量與熱射流溫度如表2、3。

2.3 模型實驗臺

運用RevitArchitecture軟件對實驗臺模型進行設計，并使用RevitMEP軟件對模型的風系統(tǒng)進行設計。該實驗臺共有3套風系統(tǒng)，分別是模擬工藝氣流風系統(tǒng)、模擬熱射流風系統(tǒng)及位于封閉端全面通風系統(tǒng)。

該實驗涉及到對熱射流溫度、狹長空間入口處空氣溫度、全面通風出口處空氣溫度的測量，均使用T型銅-康銅熱電偶探頭（測量范圍-200℃～350℃，測量精度為±0.1℃）與HYDRA Fluke數據采集儀。同時有工藝氣流流量與全面通風量的測量，使用微壓計來測量。具體模型見圖2～3。

3 實驗結果分析

本實驗分別對實驗臺在不同熱射流溫度、不同全面通風量下模型內各測點的溫度進行測量，用來研究該矩形狹長型空間內熱射流溫度以及全面通風量的改變對排熱效率的影響。

根據傳熱學第一定律，在不考慮該狹長空間向四環(huán)境漏熱量的基礎上，可知該空間內熱平衡方程為：

代入各值即為：

由于：mc≈m0；cc≈c0。定義基于熱平衡方程的排熱效率：

式中：Qc為全面通風排風口排出總熱量，J；Qj為熱射流進入總熱量，J；Q0為全面通風進風口進入總熱量，J；mc為全面通風出口單位時間質量流量，kg/h；Gc為全面通風出口單位時間風量，m3/h；Tc為全面通風出口溫度，K；mj為熱射流出口單位時間質量流量，kg/h；Gj為熱射流出口單位時間風量，m3/h；m0為進風口單位時間質量流量，kg/h；G0為進風口單位時間風量，m3/h；Ta為矩形狹長隧道型空間內空氣溫度，K。

由于存在空間壁面向四周環(huán)境的熱傳遞，可知該排熱效率小于1。同時，由該式可知，排熱效率E與風量比以及溫度比有關。其中，風量比為全面通風出口單位時間風量與熱射流出口單位時間風量的比值，溫度比為熱射流出口溫度與室內空氣溫度的比值。

3.1 風量比對排熱效率的影響

通過當熱射流溫度一定時，改變全面通風量的方法，可以得到不同的全面通風量對排熱效率的影響規(guī)律，結果如圖4～5。

在不同熱射流溫度下，隨著全面排風量的增加，排熱效率的變化規(guī)律基本相同，但波峰值對應的風量略有不同，故將五條曲線分為圖4與圖5。由圖4可得，當熱射流溫度分別為462K、509K、591K時，風量比為4.5，即全面通風量為144.7萬m3/h時，排熱效率達到一個波峰，可作為一個最優(yōu)的全面通風量，往后再加大到160萬m3/h風量時，排熱效率會有所降低，這時單純靠增大全面通風量已經不能再得到很好的排熱效果，需要加入其他輔助排熱措施，如噴霧降溫等。由圖5可知，當熱射流溫度分別為680K、709K時，風量比為5，全面通風量為159.7萬m3/h時，排熱效率可達到峰值，由此可以確定該溫度下對應的最優(yōu)的全面通風量。同時，圖中射流溫度升高，曲線峰值出現位置的后移；也符合內部射流溫度越高，所需求的全面通風量越大的常識。

1）tj=462K時：

2）tj=509K時：

3）tj=591K時：

4）tj=680K時：

5）tj=709K時：

對比公式不難發(fā)現，在所研究的熱射流溫度范圍內，當其在680K左右時，C2值最大，即該溫度下排熱效率對全面通風量的變化最敏感，可見，在熱射流溫度為680K左右時，通過改變全面通風量來提高排熱效率可以收到較好的效果。

3.2 溫度比對排熱效率的影響

通過當全面通風量一定時，改變熱射流溫度的方法，可以得到不同的熱射流溫度對排熱效率的影響規(guī)律，結果如6。

由圖6可以看出，在相同全面通風量下，熱射流溫度對排熱效率的影響較為復雜，無法得出一致的規(guī)律。但可以看出，在相同的熱射流溫度下，隨著全面通風量的增加，排熱效率整體呈增大的趨勢，這也印證了圖四與圖5中曲線有上升的趨勢。

4 結論

本文通過實驗，得出對于該存在強擾動氣流的矩形狹長型空間，在消除其高溫余熱的過程中，熱射流溫度與全面通風量的改變對排熱效果的影響規(guī)律。

1）在同一熱射流溫度下，可以得到一個經濟合理的排熱通風量，在該風量下，排熱效率達到最大值。當超過該合理通風量時，風量的增加已經不能改善排熱效率，需要引入如噴霧降溫、增加氣流誘導等降溫方式。在實際工程中，當熱射流溫度小于591K的范圍內，合適的全面通風量值約為144.7萬m3/h，當熱射流溫度位于591～709K時，合適的全面通風量值約為159.7萬m3/h。

2）在實際工程中，同樣使用改變全面排熱通風量的方法來排出存在強擾動氣流的狹長型空間內的熱量，當熱射流溫度達到680K左右時，排熱效率對全面排熱通風量的改變反應更加敏感，此時通過改變全面排熱通風量來增加排熱效率的方法更為可行。

[1]劉乃玲.細水霧特性及其在狹長空間降溫效果的研究[D].上海:同濟大學,2006

[2]陳建平.船舶密閉艙室熱工作業(yè)溫度變化及通風計算的仿真分析[J].船海工程.2010,(3):60-62

[3]孔丁峰,柳建華,鄭光平,等.船舶貨艙通風系統(tǒng)氣流組織的數值模擬研究[J].中國航海,2009,(1):38-42

[4]李權威.狹長空間縱向通風條件下細水霧抑制油池火的實驗研究[D].合肥:中國科學技術大學,2010

[5]臧建彬,張旭,徐文華,等.四對對稱源匯復合溫度擴散的實驗研究和數值模擬[J].暖通空調,2006,(12):14-17

[6]臧建彬,張旭,徐琳.多源匯復合溫度擴散的數值計算及實驗研究[A].見:第四屆全國制冷空調新技術研討會論文集[C].南京: 2006

[7]王豐.相似理論及其在傳熱學中的應用[M].北京:高等教育出版社,1990

[8]蔡增基,龍?zhí)煊?流體力學泵與風機(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999

[9]蘭澤全,張國樞.多源多匯采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓鰯抵的M[J].煤炭學報,2007,(4):396-401

Resea rc h on Op tim iza tiono f Hea t Exhaus t Ven tila tion fo r the Strong Hea t Dis tu rban c e in Long and Na rrow Spa c es

LIU Jing,ZHANG Xu,LUO Ping
CollegeofMachinery and Energy Engineering,TongjiUniversity

As heat is hard to be exhausted in the long and narrow spaceswhich has strong heat disturbance,general ventilation is used in this paper to clear up the heat which continual diffuse in the space.According to the sim ilar principles,an experiment system is set up w ith the help of the software-Revit.In this system,the heat efficiencydifference is given out while hot jet temperature and heat exhaust ventilation rate is varied.Based on the comparison of exhaust heat efficiency in this paper,it shows thatwhen the jet temperature is less than 591K,1.447 millionm3/h is theoptimalventilation rate;when the jet temperature isbetween 591K and 709k,1.597millionm3/h is the optimalventilation rate.

long and narrow space,generalventilation,similarprinciples,heatefficiency

1003-0344（2014）03-001-4

2013-5-7

張旭（1955～），男，博士，教授；上海市同濟大學機械與能源工程學院（201804）；E-mail:zhangxu-hvac@#edu.cn