項(xiàng)琳琳 劉東 萬(wàn)永麗

某結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)改造的數(shù)值模擬研究

項(xiàng)琳琳 劉東 萬(wàn)永麗

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

本文通過(guò)實(shí)測(cè)和CFD數(shù)值模擬的方法，研究了上海市某高校結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)污染情況，實(shí)測(cè)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際空間條件的限值，提出7組不同的機(jī)械通風(fēng)方案，并在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上對(duì)各組方案的污染物控制效果進(jìn)行比較，優(yōu)選出最終方案，以改善實(shí)驗(yàn)室人員的工作環(huán)境。

結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室環(huán)境機(jī)械通風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)值模擬

本文的研究對(duì)象是上海市某高校土木專業(yè)的結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室。在進(jìn)行耐火實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于構(gòu)件是后加載到爐膛上方的，爐頂不能進(jìn)行有效的密封，同時(shí)試驗(yàn)時(shí)爐內(nèi)應(yīng)該滿足規(guī)定的正壓條件。因此，煙氣通過(guò)爐頂上的縫隙向?qū)嶒?yàn)室擴(kuò)散的現(xiàn)象明顯，有必要進(jìn)行合理的通風(fēng)，把煙氣排至室外，降低室內(nèi)污染物濃度，改善實(shí)驗(yàn)室人員的工作環(huán)境。此實(shí)驗(yàn)室主要靠北面和南面大門形成自然通風(fēng)，而這遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到排出煙氣所需的風(fēng)量，不能有效地排除煙氣外逸帶來(lái)的污染，因此有必要采用機(jī)械通風(fēng)。

1物理數(shù)學(xué)模型及邊界條件

1.1物理模型

根據(jù)該結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際建筑模型與室內(nèi)設(shè)備分布，建立圖1所示物理模型。該實(shí)驗(yàn)室尺寸為：長(zhǎng)40m，寬12m，高6m，平屋頂。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有建筑構(gòu)件抗火試驗(yàn)用燃燒爐，爐膛尺寸為4.5m（長(zhǎng)）×3m（寬）× 2m（高）。試驗(yàn)構(gòu)件寬250mm，可沿爐子長(zhǎng)度方向或?qū)挾确较蚍胖?，本次模擬采用同時(shí)放置三根試驗(yàn)構(gòu)件的情況，煙氣從構(gòu)件兩邊的縫隙逸出。

圖1實(shí)驗(yàn)室物理模型圖

1.2數(shù)學(xué)模型

在數(shù)學(xué)模型上，本文采用普渡大學(xué)陳清焰教授在1998年提出的零方程模型（Zero Equation model）[1]，所謂零方程模型，是指不需要微分方程而是用代數(shù)關(guān)系式把湍流粘性系數(shù)與時(shí)均值聯(lián)系起來(lái)的模型[2]，零方程模型相對(duì)二方程k-ε湍流模型處理室內(nèi)問(wèn)題更容易收斂并節(jié)約計(jì)算資源[3，4]，采用有限體積法作為離散方法，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題做如下假設(shè)：

1）室內(nèi)氣體為低速流動(dòng)，按不可壓縮流體計(jì)算；

2）滿足Bossinesq假設(shè)，認(rèn)為流體密度的變化僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響；

3）流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；

4）室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)；

5）不考慮門窗及漏風(fēng)的影響。

1.3網(wǎng)格劃分

按照實(shí)際尺寸建立三維模型，采用Airpak軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，矩形網(wǎng)格，試驗(yàn)爐和風(fēng)機(jī)進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格總數(shù)共約36萬(wàn)。

1.4邊界條件

結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)爐采用的燃料為液化天然氣，熱值為96300～104500kJ/m3，流量為107m3/h，排煙溫度大約為1100℃。根據(jù)以上條件可計(jì)算出試驗(yàn)爐產(chǎn)生的煙氣量V=3774～4053m3/h。經(jīng)實(shí)測(cè)，爐子的機(jī)械排煙量為3551m3/h，小于產(chǎn)生的煙氣量，爐內(nèi)呈正壓[5]。因此可估算出爐子外逸的煙氣量大約為502m3/h。煙氣從爐頂縫隙逸出，煙氣外逸速度基本穩(wěn)定，為1m/s[6]。在下文的改造方案中，機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)邊界條件也設(shè)為速度入口和速度出口，其中排風(fēng)機(jī)為速度出口，送風(fēng)機(jī)為速度入口，具體風(fēng)速大小將根據(jù)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)口面積計(jì)算得到。

2實(shí)測(cè)及模型驗(yàn)證

外逸煙氣的組成是實(shí)際燃燒過(guò)程決定的，主要成分為CO2，O2，N2，H2O，CO及其他組分。在以液化天然氣為燃料、非預(yù)混燃燒、無(wú)其他可燃物的情況下，煙氣各組分的具體含量可參見(jiàn)表1[7]。

表1外逸煙氣的組成

為了對(duì)實(shí)驗(yàn)室的污染物分布有具體的了解，本研究對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試。由于正常的空氣組成分中，N2和O2的體積分?jǐn)?shù)約為78%和21%，與煙氣中這兩種氣體體積分?jǐn)?shù)較接近；而空氣中CO2僅占0.03%，這與煙氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)相差較大。因此，本文選擇CO2作為測(cè)試氣體，以檢驗(yàn)實(shí)際煙氣的外逸量。

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中人員的活動(dòng)范圍主要集中在試驗(yàn)爐正下方的監(jiān)控工作臺(tái)和爐頂平臺(tái)，因此把測(cè)點(diǎn)布置在以下三組位置：

1）試驗(yàn)爐四周：測(cè)點(diǎn)1-1至測(cè)點(diǎn)1-4；

2）試驗(yàn)爐爐頂平臺(tái)上距離爐壁1.5m、高1.5m人員呼吸區(qū)：測(cè)點(diǎn)2-1至測(cè)點(diǎn)2-4；

3）風(fēng)機(jī)2下面距離爐壁3m處的監(jiān)控工作臺(tái)作為環(huán)境測(cè)點(diǎn)3-1，把距離爐子8m處作為環(huán)境測(cè)點(diǎn)3-2。

測(cè)點(diǎn)分布具體位置詳見(jiàn)圖2。

圖2 CO2濃度實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

采用德圖二氧化碳測(cè)試儀testo 535測(cè)試CO2體積分?jǐn)?shù)，該儀器測(cè)量范圍為0ppm～9999ppm，精度為±50ppmCO2（±2%測(cè)量值），分辨率為1ppm。測(cè)試及模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 CO2體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)及模擬結(jié)果

注：表中的模擬是在刪去排風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)的情況下進(jìn)行的，即模擬現(xiàn)狀無(wú)機(jī)械通風(fēng)。

由表2可見(jiàn)，CO2體積分?jǐn)?shù)的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差小于15%，基本吻合，說(shuō)明模型及邊界條件的設(shè)置與實(shí)際情況相符。因此，模擬結(jié)果可以用作分析污染物分布的依據(jù)。

3幾種改造方案的數(shù)值模擬

由于實(shí)驗(yàn)室空間較大，且白天實(shí)驗(yàn)室北門處于常開(kāi)狀態(tài)，并考慮到能耗問(wèn)題，不宜采用全面通風(fēng)，因此下文主要研究局部通風(fēng)。又因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室上部距地面4m處有吊車，試驗(yàn)爐上方無(wú)足夠空間來(lái)安裝局部排風(fēng)罩，因此考慮采用橫向氣流來(lái)控制煙氣外逸，把局部風(fēng)罩和風(fēng)機(jī)安裝在試驗(yàn)爐的兩側(cè)。

本文研究了兩類采用橫向氣流控制外逸煙氣的模型，分別為：

1）單風(fēng)機(jī)模型。在試驗(yàn)爐一側(cè)設(shè)置排風(fēng)罩，通過(guò)排風(fēng)機(jī)排出，排風(fēng)罩寬度為試驗(yàn)爐的長(zhǎng)度4.5m，排風(fēng)罩下沿與試驗(yàn)爐爐蓋齊平，高度為2m，排風(fēng)管高度為1m。風(fēng)機(jī)放置位置見(jiàn)圖3。

圖3實(shí)驗(yàn)室單風(fēng)機(jī)模型示意圖

2）雙風(fēng)機(jī)模型。在試驗(yàn)爐兩側(cè)分別設(shè)置排風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)，排風(fēng)機(jī)把煙氣直接排出室外，送風(fēng)機(jī)從室內(nèi)巻吸空氣進(jìn)行循環(huán)；兩風(fēng)罩的寬度也為4.5m，排風(fēng)罩和送風(fēng)罩下沿與試驗(yàn)爐爐蓋齊平，排風(fēng)罩高度為2m，送風(fēng)罩高度為1m，排風(fēng)管和送風(fēng)管高度均為1m。風(fēng)機(jī)放置位置見(jiàn)圖4。雙風(fēng)機(jī)模型中兩個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量應(yīng)不同，由于對(duì)煙氣排出起主要作用的是排風(fēng)機(jī)，送風(fēng)機(jī)只是控制煙氣逸出的方向，如果送風(fēng)機(jī)風(fēng)量過(guò)大容易使煙氣四散，對(duì)工作環(huán)境反而不利，因此排風(fēng)機(jī)的風(fēng)量應(yīng)大于送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

圖4實(shí)驗(yàn)室雙風(fēng)機(jī)模型示意圖

兩類模型共完成了7組方案，詳見(jiàn)表3。

表3模擬方案匯總表

4模擬結(jié)果及分析

方案1：排風(fēng)量7000m3/h。模擬結(jié)果如圖5。

圖5方案1 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

方案2：排風(fēng)量10000m3/h。模擬結(jié)果如圖6。

圖6方案2 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

由圖5～6可見(jiàn)，當(dāng)僅設(shè)置單側(cè)排風(fēng)機(jī)時(shí)，污染物的濃度隨著風(fēng)量增大而減小，但是單側(cè)風(fēng)機(jī)控制污染物的能力還是不太理想，試驗(yàn)爐四周污染物外溢較為嚴(yán)重，因此以下主要考慮采用雙風(fēng)機(jī)模型。

方案3：排風(fēng)量7000m3/h，送風(fēng)量3600m3/h。模擬結(jié)果如圖7。

圖7方案3 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

方案4：排風(fēng)量7000m3/h，送風(fēng)量5000m3/h。模擬結(jié)果如圖8。

圖8方案4 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

由圖7、8可見(jiàn)，在相同排風(fēng)量（7000m3/h）情況下，送風(fēng)量越大，爐子上方CO2濃度越低，但當(dāng)送風(fēng)量為5000m3/h時(shí)，爐子下方排風(fēng)罩所在的一側(cè)CO2濃度升高，因此送風(fēng)量不宜過(guò)大。

方案5：排風(fēng)量8600m3/h，送風(fēng)量3600m3/h。模擬結(jié)果如圖9。

圖9方案5 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

方案6：排風(fēng)量10000m3/h，送風(fēng)量3600m3/h。模擬結(jié)果如圖10。

圖10方案6 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

由圖7～10可知，在相同送風(fēng)量（3600m3/h）情況下，排風(fēng)機(jī)風(fēng)量越高，污染物控制效果越好。

方案7：排風(fēng)量10000m3/h，送風(fēng)量2000m3/h。模擬結(jié)果如圖11。

圖11方案7 CO2濃度分布圖（爐中心位置XY剖面）

由圖10～11可知，當(dāng)排風(fēng)量為10000m3/h時(shí)，送風(fēng)量3600m3/h比2000m3/h污染物控制效果明顯要好，這也驗(yàn)證了上述結(jié)論。

表4對(duì)模型二5組方案的CO2濃度模擬結(jié)果作了匯總。

表4 CO2體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果

通過(guò)對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，在實(shí)驗(yàn)室人員活動(dòng)區(qū)的測(cè)點(diǎn)分別是2-2、2-3、2-4、3-1、3-2，對(duì)比CO2濃度測(cè)試值，可以得到各控制方案污染物控制效果優(yōu)劣，見(jiàn)圖12。

圖12模型二各方案CO2濃度模擬結(jié)果比較

表4和圖12顯示，方案6的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的CO2濃度值均在1000ppm以下，污染物控制相比以上幾組效果最好，因此，最終采用該方案，即排風(fēng)量10000m3/h，送風(fēng)量3600m3/h。

5結(jié)論

1）在某高校土木結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，試驗(yàn)爐在實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的大量煙氣難以通過(guò)現(xiàn)有的自然通風(fēng)達(dá)到室內(nèi)空氣的質(zhì)量要求，所以需要采用機(jī)械通風(fēng)。

2）由于實(shí)驗(yàn)室空間較大，建議采用局部通風(fēng)；受試驗(yàn)爐上方吊車的空間限制，不具備上排風(fēng)的條件，因此考慮采用橫向氣流來(lái)控制煙氣外逸，在試驗(yàn)爐兩側(cè)設(shè)置局部風(fēng)罩和風(fēng)機(jī)。

3）通過(guò)7組通風(fēng)方案的模擬和比較，建議采用雙風(fēng)機(jī)模型，在排風(fēng)量10000m3/h、送風(fēng)量3600m3/h的情況下，污染物控制效果最佳。

[1]Jelena S,Chen QY.Validation of zero equation turbulence model for complex indoor airflow simulation[J].ASHRAE Trans,1999, 105(1):414-427

[2]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)(2版)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001

[3]趙彬,李先庭,彥啟森.用零方程湍流模型模擬通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)的空氣流動(dòng)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,41(10):109-113

[4]陳曉春,朱穎心,王元.零方程模型用于空調(diào)通風(fēng)房間氣流組織數(shù)值模擬的研究[J].暖通空調(diào),2006,36(8):19-24

[5]劉東,莊江婷,丁燕.結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)室通風(fēng)狀況的數(shù)值模擬及分析[J].暖通空調(diào),2008,38(7):136-140

[6]丁燕,劉東,莊江婷,等.結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)爐爐內(nèi)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬[J].能源技術(shù),2008,29(1):8-11

Num e ric a l Sim ula tion a nd Ana lys is of Ve ntila tion Sys te m in a Fire Sa fe ty of Engine e ring Struc ture Te s ting La bora tory

XIANG Lin-lin,LIU Dong,WAN Yong-li
School of Mechanical Engineering,Tongji University

Through tests and numerical simulation,this paper studies air pollution condition of a fire safety of engineering structure testing laboratory in a university of Shanghai,and the reliability of simulation result is verified by tests.Combined with actual condition of the laboratory space limits,it proposes 7 different mechanical ventilation schemes.After the comparison and analysis of the effect of air pollution control of each scheme on the basis of numerical simulation,optimal one is suggested to improve the working condition of the lab.

fire safety of engineering structure testing lab,lab environment,mechanical ventilation,test,numerical simulation

1003-0344（2014）05-067-4

2013-9-8

項(xiàng)琳琳（1989～），女，碩士研究生；上海市楊浦區(qū)四平路1239號(hào)同濟(jì)大學(xué)濟(jì)陽(yáng)樓408室（200092）；E-mail:xllxll0115@126.com