王增凱,周慧文

(1.廈門鼎泰和金融中心開發(fā)有限公司 福建廈門 361012;2.杭州華電華源環(huán)境工程有限公司 浙江杭州 310030)

某工業(yè)廠房車間室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬分析

王增凱1,周慧文2

(1.廈門鼎泰和金融中心開發(fā)有限公司 福建廈門 361012;2.杭州華電華源環(huán)境工程有限公司 浙江杭州 310030)

工業(yè)廠房車間的空氣質(zhì)量是影響生產(chǎn)效率和人體熱舒適的一個重要因素，利用自然通風(fēng)改善一般性生產(chǎn)廠房車間的空氣環(huán)境有著重要的意義，在滿足人體熱舒適要求的前提下，能節(jié)約生產(chǎn)成本，降低建筑能耗。通過采用STAR-CCM+軟件，對浙江某一般性生產(chǎn)工業(yè)廠房車間的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬分析，分析顯示該車間外圍護(hù)結(jié)構(gòu)布局合理，空氣流動暢通，可形成穿堂風(fēng)，車間的換氣效率較高，該廠房利用自然通風(fēng)能滿足生產(chǎn)使用要求。結(jié)果表明為一般性生產(chǎn)工業(yè)廠房做自然通風(fēng)模擬分析可用于指導(dǎo)工業(yè)廠房車間合理布局與建設(shè)。

工業(yè)廠房;室內(nèi)風(fēng)環(huán)境;數(shù)值模擬;STAR-CCM+

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引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)廠房的建設(shè)也越來越受到人們的重視。目前，對于大多數(shù)工業(yè)廠房來說，通風(fēng)既能夠改善車間內(nèi)空氣環(huán)境，還是保證產(chǎn)品質(zhì)量、保證車間作業(yè)人員熱舒適及促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展的重要措施之一[1]。

工業(yè)廠房的通風(fēng)方式主要有兩種：一種是自然通風(fēng)，另一種是機(jī)械通風(fēng)[2]。目前，很多地區(qū)的一般性生產(chǎn)(即正常環(huán)境下生產(chǎn))工業(yè)廠房在夏季和過渡季節(jié)都采用自然通風(fēng)的形式,以節(jié)約建筑運行能耗、降低生產(chǎn)成本[3]。自然通風(fēng)是一種利用室外新鮮空氣來改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的被動式節(jié)能技術(shù)。眾多國內(nèi)外優(yōu)秀的綠色、節(jié)能、生態(tài)建筑都采用此項技術(shù)作為其亮點之一。自然通風(fēng)不僅能滿足過渡季室內(nèi)通風(fēng)換氣的要求，同時也可大幅度降低機(jī)械通風(fēng)設(shè)備的能耗。機(jī)械通風(fēng)是以風(fēng)機(jī)為動力，效果比較穩(wěn)定，但設(shè)備費用高。

對于生產(chǎn)過程中基本沒有有害廢氣產(chǎn)生，散熱量小的廠房，僅分析風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)的效果，不考慮熱壓作用下的自然通風(fēng)。通過采用STAR-CCM+軟件對廠房車間進(jìn)行車間內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬。對風(fēng)速和空氣齡兩大因素的分析，得出該廠房有較好的自然通風(fēng)效果。

1 STAR-CCM+介紹

STAR-CCM+(Computational Continuum Mechanics)是CD-adapco集團(tuán)推出的新一代CFD軟件。其采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值技術(shù) (computational continuum mechanics algorithms)，并和卓越的現(xiàn)代軟件工程技術(shù)結(jié)合在一起，擁有出色的圖形處理性能和數(shù)據(jù)分析能力，是熱流體分析工程師強(qiáng)有力的工具。它搭載了CD-adapco獨創(chuàng)的最新網(wǎng)格生成技術(shù)，可以完成復(fù)雜形狀數(shù)據(jù)輸入、表面準(zhǔn)備、表面網(wǎng)格重構(gòu)、自動體網(wǎng)格生成(包括多面體網(wǎng)格、六面體核心網(wǎng)格、十二面體核心網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格)等生成網(wǎng)格所需的一系列作業(yè)[4]。

STAR-CCM+使用CD-adapco倡導(dǎo)的多面體網(wǎng)格，相比于原來的四面體網(wǎng)格，在保持相同計算精度的情況下，可以實現(xiàn)計算性能約3～10倍的提高。

2 模擬概述

2.1 廠房概況

圖1 廠房幾何模型

廠房位于浙江臺州，占地面積約3500，其幾何模型如(圖1)所示，長72m,寬48m，高13m，其勞動定員20人，生產(chǎn)班制為2班制，年工作時間為130d。主要分布在過渡季節(jié)。該廠房主要作為塑料管材設(shè)備堆料、貼標(biāo)和中轉(zhuǎn)庫使用，基本無設(shè)備散熱。車間內(nèi)沒有高大障礙物阻擋，生產(chǎn)過程中基本不釋放粉塵和有害氣體，設(shè)備散熱量可忽略不計，該廠房迎風(fēng)面和背風(fēng)面的開孔面積占外墻面積的25%以上，廠房內(nèi)主要熱源為人體和機(jī)器，為了提高模擬的精度，假定車間內(nèi)熱源為理想的面熱源，主要位于地面，最大發(fā)熱量為10W/，其他四面墻和屋頂絕熱。依據(jù)廠房所在地區(qū)累年氣象數(shù)據(jù)，假設(shè)在過渡季節(jié)室外氣溫為27℃，風(fēng)向為過渡季主導(dǎo)風(fēng)向，東北偏北風(fēng)，風(fēng)速為5.25m/s。

2.2 計算方法

本次模擬采用Standard k-e湍流模型對本廠房的室外車間內(nèi)自然通風(fēng)進(jìn)行分析計算。CFD的控制方程由連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和組分方程組成。

連續(xù)性方程：

動量方程X、Y、Z三個方向：

X方向

Y方向

Z方 向

能量方程：

湍流模型中的湍動能k和湍動耗散率e的控制方程為

離散方程采用有限容積法(FiniteVolumeMethod，F(xiàn)VM)。

2.3 邊界條件設(shè)置

(1)梯度風(fēng)邊界設(shè)置

建筑物附近的風(fēng)速可以按照大氣邊界層理論和地形條件來確定。不同地形下的風(fēng)速梯度也不一樣，可以用以下的公式表示：

式中：

Vh—高度為h處的風(fēng)速，m/s；

V0—基準(zhǔn)高度h0處的風(fēng)速，m/s，一般取10 m處的風(fēng)速；

n—指數(shù)。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009—2012，本廠房車間內(nèi)自然通風(fēng)模擬中設(shè)置n值為0.22。

(2) 出口邊界條件

計算區(qū)域的出口為自由出口，壓力設(shè)置為環(huán)境壓力值

(3)計算收斂判斷

CFD數(shù)值模擬的終止標(biāo)準(zhǔn)按連續(xù)性方程與動量方程殘差為10-3以下，能量方程殘差為10-6以下，收斂曲線如(圖2)所示：

圖2 計算收斂曲線

3 模擬分析

3.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

圖3 工業(yè)廠房車間三維建模模型

由于實際廠房車間內(nèi)配置比較復(fù)雜，完全按照實際建立模型對計算機(jī)硬件配置要求較高，所以對該車間廠房進(jìn)行了合理的簡化，具體模型如(圖3)所示。

網(wǎng)格的生成對軟件計算有著至關(guān)重要的作用，決定模擬能否成功。最主要的網(wǎng)格有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與自適應(yīng)笛卡爾網(wǎng)格[5]。由于本廠房模型尺寸較大，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成的網(wǎng)格數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)，對計算機(jī)硬件的配置就比較高，相對計算的時間也長，所以本文采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分計算區(qū)域，網(wǎng)格總數(shù)為200萬。

3.2 計算結(jié)果及分析

圖4 距地1.5m高度的溫度分布云圖

圖5 距地1.5m高度的速度矢量圖

圖6 距地1.5m高度的速度分布云圖

圖7 距地1.5m高度的空氣齡分布云圖

(圖4～圖7)分別給出了廠房車間距地1.5米高的溫度云圖,速度矢量圖，速度云圖和空氣齡分布云圖。

由(圖4)可以看出，當(dāng)室外溫度為27℃，車間內(nèi)最大發(fā)熱量為10W/的情況下，通過自然通風(fēng)能迅速帶走熱量使車間內(nèi)的溫度控制在27.00至27.89℃。

結(jié)合(圖5)和(圖6)可看出：在過渡季主導(dǎo)方向NNE，5.25m/s的風(fēng)速作用下，該廠房主要使用空間空氣流通較為順暢。風(fēng)從廠房東北側(cè)進(jìn)入，穿過車間，由西南側(cè)離開廠房。車間內(nèi)風(fēng)速基本在0.30-2.80m/s之間。東北側(cè)風(fēng)速在1.00-2.80m/s；西南側(cè)風(fēng)速較小，在0.30-0.60m/s之間。

由(圖7)可以看出整體車間車間內(nèi)空氣流通較為順暢，東北側(cè)車間空氣齡較小，在60-120s之間；西南側(cè)車間空氣齡較大,在120-220s之間。總體上可以滿足車間內(nèi)空氣更新的需求。

4 結(jié)論

通過采用STAR-CCM+軟件對浙江某廠房的自然通風(fēng)狀況做模擬分析，結(jié)果顯示車間的朝向與主導(dǎo)風(fēng)向具備較大的夾角，有利于廠房外空氣進(jìn)入車間。當(dāng)車間最大發(fā)熱量10W/，室外溫度為27℃，車間內(nèi)溫度保持在27.00至27.89℃，能起到很好的降溫目的。車間主要使用空間有較好的氣流組織，能夠形成“穿堂風(fēng)”的通風(fēng)方式，滿足車間生產(chǎn)使用要求，。迎風(fēng)側(cè)的主要使用空間平均風(fēng)速均在0.6-2.5m/s左右，車間內(nèi)空氣流通順暢，車間空氣齡較小，基本滿足車間內(nèi)空氣換氣次數(shù)的要求，上述幾點都達(dá)到了《工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》第6條所述對工業(yè)廠房通風(fēng)散熱的要求。

綜上分析，由于該車間生產(chǎn)過程中基本不產(chǎn)生粉塵和有害氣體，車間生產(chǎn)過程中散熱量也可忽略不計，且車間一年中使用時段基本分布在室外環(huán)境基本滿足人體熱舒適的過渡季節(jié)，因此可通過合理的廠房設(shè)計布局，利用自然通風(fēng)即能使廠房滿足生產(chǎn)使用要求。該廠房無需設(shè)置通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本和建筑能耗。

[1]任春霞．工業(yè)廠房通風(fēng)設(shè)計淺談[J]．城市建設(shè)理論研究(電子版)，2011，(33)．

[2]申要飛．工業(yè)廠房通風(fēng)設(shè)計探析[J]．山西建筑，2013，4(10)：114-115．

[3]薛宇峰．太陽能煙囪對工業(yè)廠房自然通風(fēng)影響的數(shù)值研究[D]．東華大學(xué)，2011．

[4]邱靜，王國志，李玉輝．基于STAR-CCM+的簡單流體模型CFD研究[J]．液壓氣動與密封，2010，30(10)：8-10．

[5]谷現(xiàn)良．鋁電解廠房自然通風(fēng)模擬及設(shè)計方法研究[D]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005．

Indoor Wind Environment Simulation Analysis of an Industrial Plant Workshop

WANGZengkai1,ZHOUHuiwen2

(1. Ding Tai he financial center of Xiamen Development Co., Ltd. Xiamen 3610122. Hangzhou Huadian Huayuan Environmental Engineering Co., Ltd. Hangzhou 310030)

Industrial plant workshop air quality is an important factor which affecting the productivity and human thermal comfort, it has important significance to improve general production factory workshop air environment by use of natural ventilation, to meet the thermal comfort requirements of the premise, it can reduce production costs and reduce building energy consumption. By using STAR-CCM + software, Zhejiang, a general production of industrial plant workshop indoor air environment is simulated and analyzed, the analysis showed that the external structure workshop rational layout, the air flow unimpeded, which can form drafts, with High ventilation efficiency in workshop, the use of natural ventilation plant can meet the production requirements in this plant. The results show that the simulation analysis for the general production of industrial plants can be used to guide the rational distribution of industrial plants and construction of the workshop.

Industrial plant workshop;Indoor wind environment;Numerical simulation;STAR-CCM+

王增凱(1982- )，男，工程師。

2015-04-11

TU96+2

A

1004-6135(2015)06-0101-03