譚 聰，劉 艷，汪 彤，秦 妍

(北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所， 北京 100054)

市政供熱有限空間通風(fēng)防護(hù)技術(shù)數(shù)值模擬

譚 聰，劉 艷，汪 彤，秦 妍

(北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所， 北京 100054)

為有效指導(dǎo)市政供熱有限空間機(jī)械通風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)施工，保障作業(yè)人員安全，采用CFD方法對(duì)通風(fēng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究通風(fēng)過(guò)程中有限空間內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、氧氣體積分?jǐn)?shù)、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律.結(jié)果表明：進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)時(shí)，相對(duì)于供熱管溝，小室內(nèi)新舊空氣替換較快，溫度下降及氣體體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)都較為迅速；供熱管溝內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)受內(nèi)部結(jié)構(gòu)和熱升力的影響，風(fēng)流主要沿管溝底部流動(dòng)，管溝頂部空氣速度較小、溫度較高、氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)較慢.針對(duì)所研究的管溝，通風(fēng)量為6 000、8 000、10 000、12 000、14 000 m3·h-1時(shí)，最小通風(fēng)時(shí)間應(yīng)分別不小于45、32、22、15、10 min.實(shí)際作業(yè)中應(yīng)以管溝中段頂部空氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)作為衡量通風(fēng)效果的關(guān)鍵參數(shù).

市政供熱; 有限空間; 通風(fēng); 氣體體積分?jǐn)?shù)；數(shù)值模擬

市政有限空間不同于地面設(shè)施，其長(zhǎng)期處于封閉或半封閉狀態(tài)，自然通風(fēng)不良，在熱膨脹、重氣積聚等物理作用，金屬腐蝕、物質(zhì)氧化等化學(xué)反應(yīng)，以及微生物耗氧等的作用下，極易出現(xiàn)氧氣缺乏、有毒有害氣體積聚等問(wèn)題，對(duì)其內(nèi)部作業(yè)人員的安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-3].國(guó)外較早關(guān)注有限空間作業(yè)安全問(wèn)題. 文獻(xiàn)[4-5]的研究表明，在有限空間致死原因中，中毒和窒息占62%，遠(yuǎn)高于淹溺、墜落等其它致死因素.美國(guó)職業(yè)安全與衛(wèi)生研究所(NIOSH)在有限空間事故方面做了大量研究工作，出版了一系列研究成果[6-8]，對(duì)有限空間事故預(yù)防起了積極作用.近年來(lái)，中國(guó)也高度重視有限空間作業(yè)安全，文獻(xiàn)[9-12]也從有限空間危害因素辨識(shí)、事故預(yù)防控制措施及監(jiān)督管理方面開(kāi)展了研究工作.

為保證作業(yè)人員的安全，國(guó)家安監(jiān)總局在2013年發(fā)布《工貿(mào)企業(yè)有限空間作業(yè)安全管理與監(jiān)督暫行規(guī)定》，提出有限空間作業(yè)應(yīng)嚴(yán)格遵守“先通風(fēng)、再檢測(cè)、后作業(yè)”的原則，在2014年發(fā)布的《有限空間安全作業(yè)五條規(guī)定》中，再次強(qiáng)調(diào)有限空間作業(yè)必須“先通風(fēng)、再檢測(cè)、后作業(yè)”，嚴(yán)禁通風(fēng)、檢測(cè)不合格的情況下進(jìn)行作業(yè).因此，在進(jìn)入有限空間作業(yè)前進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)是保障作業(yè)人員安全的必不可少的重要步驟.目前，在供熱有限空間的通風(fēng)過(guò)程中，通風(fēng)方式、通風(fēng)時(shí)間等都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，缺少理論依據(jù)，不僅影響工作效率，也不能充分保障作業(yè)人員的安全.本文采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法，對(duì)供熱有限空間強(qiáng)制通風(fēng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出不同通風(fēng)狀態(tài)下小室內(nèi)溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的恢復(fù)規(guī)律，從而為作業(yè)前強(qiáng)制通風(fēng)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.

1 數(shù)值模擬基本方程

供熱有限空間在通風(fēng)換氣過(guò)程中，最大風(fēng)速遠(yuǎn)小于聲速340 m·s-1，因此，空氣可以看作不可壓縮流體.通風(fēng)過(guò)程是無(wú)化學(xué)反應(yīng)的非穩(wěn)態(tài)單相多組分?jǐn)U散問(wèn)題，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中，主要根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒和組分傳輸守恒4項(xiàng)定律，建立用于描述多組分三維非定常湍流流動(dòng)的控制方程組[13-15].

1)質(zhì)量守恒方程(也稱(chēng)連續(xù)性方程)

2)動(dòng)量方程

3)能量方程

4)組分傳輸守恒方程

5)k-ε湍流方程

k方程

ε.

ε方程

式中:ρ為氣體密度，kg·m-3；v為流體速度，m·s-1；ui為流體在x、y、z方向上的速度，m·s-1；xi為x、y、z方向上的坐標(biāo)，m；p為流體壓力，Pa；τij為應(yīng)力張量，N·m-2；gi為i方向上的重力體積力，N·kg-1；Fi為i方向上外部體積力，N；E為流體能量，J；keff為有效導(dǎo)熱率；Jc為組分c的擴(kuò)散通量；Sh為體積熱源；ωc為組分c的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Dc為組分c的擴(kuò)散系數(shù)；cpc為組分c的比熱容，J·(kg·K)-1；k為湍動(dòng)能，m2·s-2；ε為湍動(dòng)能耗散率，m2·s-3；Gk為湍動(dòng)能變化率;μ為層流黏性系數(shù);μt為湍流黏性系數(shù)，Pa·s；Cε1、Cε2、Cμ、σε、σk、Tref為常數(shù)，分別取1.44、1.92、0.09、1.3、1.0、298.15 K.

2 數(shù)值模擬模型建立

2.1 幾何模型的建立

選取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中某供熱有限空間為研究對(duì)象.供熱小室長(zhǎng)6 m，寬5 m，高6 m，小室頂部距地面(即井筒深)4 m，兩個(gè)入口井在小室對(duì)角，且井口下方有金屬平臺(tái)和金屬階梯.在小室兩側(cè)分別有寬3 m，高2.5 m的拱形管溝，管溝內(nèi)距小室100 m處設(shè)有直徑0.7 m的通風(fēng)井.兩根直徑0.8 m(包括保溫層)的供熱管道沿著管溝走向布置，供熱管道在小室內(nèi)分支出兩條直徑0.6 m的管道從小室側(cè)面穿出，在接口處設(shè)有閥門(mén).由于平臺(tái)和階梯的扶欄以及管道的閥門(mén)結(jié)構(gòu)較小，對(duì)小室內(nèi)流場(chǎng)分布的影響也較小，從簡(jiǎn)化模型降低計(jì)算量的角度考慮，在此忽略不計(jì).根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用GAMBIT建立三維幾何模型(如圖1所示).采用三維Tet /Hybrid 網(wǎng)格單元、TGrid 網(wǎng)格類(lèi)型對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格基本尺寸為0.2 m，網(wǎng)格總數(shù)為240 611個(gè).

圖1 供熱管溝幾何模型

幾何模型原點(diǎn)(0,0,0)設(shè)在供熱小室底部中心，沿管溝走向?yàn)閄軸，垂直管溝走向的水平方向?yàn)閅軸，豎直向上為Z軸.為觀測(cè)通風(fēng)過(guò)程中關(guān)鍵點(diǎn)的參數(shù)值，共設(shè)置9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，坐標(biāo)分別為V1(0,0,1)、V2(0,0,3)、V3(0,0,5.9)、V4(50,0,0.5)、V5(50,0,1)、V6(50,0,1.9)、V7(99,0,0.5)、V8(99,0,1)、V9(99,0,1.9).

2.2 模擬參數(shù)的設(shè)置及求解

邊界條件設(shè)置中，通風(fēng)風(fēng)量分別設(shè)置為6 000、8 000、10 000、12 000、14 000 m3·h-1，并根據(jù)入口大小，轉(zhuǎn)換為速度入口，相應(yīng)入口風(fēng)速分別為4.33、5.77、7.22、8.66、10.1 m·s-1.出口設(shè)為自由流出，供熱管道表面設(shè)為熱源壁面，溫度為60 ℃恒溫.小室內(nèi)原始?xì)怏w成分體積分?jǐn)?shù)和內(nèi)部溫度，以及其他數(shù)值模擬參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研結(jié)果設(shè)置，如表1所示[16-17].

表1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

將劃分好網(wǎng)格的幾何模型導(dǎo)入到Fluent軟件，按照表1設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)，采用32核工作站進(jìn)行并行計(jì)算.計(jì)算結(jié)果中連續(xù)性殘差值、速度殘差值、能量殘差值、k殘差值、ε殘差值及氣體各組分殘差值均<0.001，計(jì)算結(jié)果滿足收斂性要求.

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 流場(chǎng)分布規(guī)律

通風(fēng)換氣過(guò)程中，流場(chǎng)分布情況直接影響通風(fēng)換氣的效果.在通風(fēng)初期，管溝內(nèi)氣體從幾乎靜止開(kāi)始流動(dòng)，氣體的原始狀態(tài)對(duì)風(fēng)流場(chǎng)的影響較大，為避免這一影響，選取通風(fēng)10 min后的流場(chǎng)進(jìn)行分析(根據(jù)模擬結(jié)果，10 min時(shí)管溝內(nèi)流場(chǎng)已不再受流場(chǎng)原始狀態(tài)的影響).在此以通風(fēng)量6 000 m3·h-1為例，風(fēng)流速度矢量圖和X截面風(fēng)速云圖如圖2、3所示.

圖2 管溝內(nèi)風(fēng)流速度矢量圖

由圖2、3可以看出：1)新鮮風(fēng)流從井口送入后，以較大速度豎直向下注入小室，在小室內(nèi)部由于受到平臺(tái)的阻礙作用，風(fēng)流向小室中央擴(kuò)散.風(fēng)流在小室內(nèi)形成了較大渦流，且風(fēng)速分布極不均勻，小室中部風(fēng)速較大，達(dá)1 m·s-1以上，而在小室的頂部和底部供熱管道兩側(cè)風(fēng)速較小，僅為0.1 m·s-1.2)風(fēng)流從小室進(jìn)入管溝，方向發(fā)生急劇偏轉(zhuǎn)，在管溝頂部形成渦流，因此，在距小室10 m以內(nèi)的管溝頂部出現(xiàn)部分氣流逆流現(xiàn)象.3)在10 m以后管溝內(nèi)風(fēng)流較為穩(wěn)定，風(fēng)流主要是沿管溝底部流向兩側(cè)通風(fēng)井，管溝頂部區(qū)域風(fēng)速較小，不足0.1 m·s-1.根據(jù)對(duì)溫度場(chǎng)的分析可知，熱空氣上升在頂部積聚，造成了管溝底部風(fēng)流速度大，頂部速度小.4)風(fēng)流速度場(chǎng)的分布直接影響著氧氣體積分?jǐn)?shù)的恢復(fù)速率，因此，在研究氧氣體積分?jǐn)?shù)變化時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注小室頂部和底部角落、管溝頂部的氧氣體積分?jǐn)?shù).

圖3 沿管溝走向不同橫截面風(fēng)速分布云圖

Fig.3 Airflow velocity contours of different cross sections along the pipe tunnel

3.2 溫度場(chǎng)分布規(guī)律

供熱管道內(nèi)熱水或熱氣溫度高達(dá)140 ℃以上，在采取保溫隔熱措施后，仍有部分熱量散入管溝空間，保溫層表面溫度為60 ℃左右.以通風(fēng)風(fēng)量6 000 m3·h-1為例，通風(fēng)10 min后管溝和小室不同截面溫度分布云圖如圖4所示，通風(fēng)過(guò)程中不同觀測(cè)點(diǎn)溫度變化如圖5所示.

圖4 沿管溝走向不同橫斷面溫度分布云圖

Fig.4 Temperature contours of different sections along the pipe tunnel

由圖4、5可知：1)通風(fēng)過(guò)程中小室內(nèi)溫度降低較快，小室內(nèi)溫度場(chǎng)分布呈現(xiàn)中間低、頂部和底部高的趨勢(shì).主要是由于小室頂部存在局部湍流區(qū)域，風(fēng)速較小，溫度降低較慢；而在小室底部供熱管道不斷散發(fā)熱量，因此，管道周?chē)鷾囟容^高，但高溫區(qū)域相對(duì)較小.2)管溝內(nèi)溫度場(chǎng)分布呈現(xiàn)明顯的頂部高、底部低的趨勢(shì)，即供熱管道以上區(qū)域溫度高，供熱管道以下區(qū)域溫度低，上下溫差約為11 ℃，供熱管道周?chē)邷貐^(qū)域范圍較大.主要是由于在熱升力的作用下，熱空氣上浮，在頂部集聚，此外溫度場(chǎng)的分布也影響了風(fēng)流場(chǎng)的分布，管溝底部風(fēng)流速度大于頂部，也進(jìn)一步加劇了溫度場(chǎng)的分布不均.3)通風(fēng)量為6 000 m3·h-1時(shí)，通風(fēng)25 min后各觀測(cè)點(diǎn)的溫度均降低至一穩(wěn)定值，此后空間內(nèi)溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，溫度穩(wěn)定時(shí)觀測(cè)點(diǎn)中管溝中段頂部點(diǎn)(50，0，1.9)的溫度最高，約為49 ℃，小室內(nèi)溫度較低，觀測(cè)點(diǎn)(0，0，3)溫度約為27 ℃.

圖5 觀測(cè)點(diǎn)溫度隨通風(fēng)時(shí)間變化曲線

Fig.5 Temperature of different observation points as a function of time

3.3 氧氣體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律

以風(fēng)機(jī)風(fēng)量6 000 m3·h-1為例，通風(fēng)10 min時(shí)，管溝和小室不同截面氧氣體積分?jǐn)?shù)分布如圖6所示.沿管溝走向，不同高度氧氣體積分?jǐn)?shù)沿程分布如圖7所示.通風(fēng)過(guò)程中不同觀測(cè)點(diǎn)處的氧氣體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)曲線如圖8所示.

圖6 不同截面氧氣體積分?jǐn)?shù)分布云圖

Fig.6 Oxygen content contours of different cross sections along the tunnel

圖7 管溝內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)沿程變化曲線

Fig.7 Oxygen content curves alongx-direction line at different height from the tunnel floor

由6～8可以看出：1)在通風(fēng)過(guò)程中氧氣體積分?jǐn)?shù)分布與風(fēng)速分布基本一致，在小室內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)較快且分布均勻，在管溝內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)呈明顯底部高頂部低的分層現(xiàn)象.2)沿著管溝走向，z=0.5 m高度氧氣體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)逐漸線性減小，隨著離底面高度增加，氧氣體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，特別是z=1.9 m高度的沿線，在距小室65 m處，氧氣體積分?jǐn)?shù)最低，為15.2%.氧氣體積分?jǐn)?shù)的沿程分布說(shuō)明，管溝內(nèi)原始熱空氣的熱升力影響了風(fēng)流場(chǎng)的分布，進(jìn)而影響了氧氣體積分?jǐn)?shù)的恢復(fù).3)各觀測(cè)點(diǎn)的氧氣體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始恢復(fù)較快，隨后上升速率逐漸減緩，直至氧氣體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)至20.9%.其中小室內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)(0,0,5.9)處氧氣體積分?jǐn)?shù)在10 min時(shí)達(dá)到19.5%(低于該值即為缺氧)，40 min時(shí)恢復(fù)到正常值20.9%；管溝中部觀測(cè)點(diǎn)(50,0,1.9)處氧氣體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)最慢，20 min時(shí)達(dá)19.5%，40 min時(shí)恢復(fù)到正常值20.9%.可以看出小室和管溝內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)速率不同，但氧氣體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)至正常值的時(shí)間基本一致.

圖8 不同觀測(cè)點(diǎn)氧氣體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)曲線

Fig.8 Oxygen content histories of different observation points as a function of time

3.4 二氧化碳體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律

以風(fēng)機(jī)風(fēng)量6 000 m3·h-1為例，通風(fēng)10 min時(shí)，管溝和小室不同截面二氧化碳體積分?jǐn)?shù)分布如圖9所示，沿管溝走向，不同高度二氧化碳體積分?jǐn)?shù)沿程分布如圖10所示，不同觀測(cè)點(diǎn)處的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)曲線如圖11所示.

圖9 不同截面二氧化碳分布云圖

Fig.9 Carbon dioxide content contours of different cross sections along the tunnel

由圖9～11可以看出：1)通風(fēng)過(guò)程中二氧化碳體積分?jǐn)?shù)分布與氧氣體積分?jǐn)?shù)分布正好相反，沿著管溝走向，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)底部低頂部高的分布規(guī)律.2)沿著管溝走向，離底面0.5 m高度二氧化碳體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)逐漸線性增大，隨著離底面高度的增加，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)沿程呈現(xiàn)明顯的先增大后減小的趨勢(shì).3)小室和管溝內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)降低速率不同，但各點(diǎn)二氧化碳體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)到正常值的時(shí)間基本一致，且與氧氣體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)到正常值相同.

圖10 管溝內(nèi)二氧化碳體積分?jǐn)?shù)沿程變化曲線

Fig.10 Carbon dioxide content curves alongx-direction line at different height from the tunnel floor

圖11 不同觀測(cè)點(diǎn)二氧化碳體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)曲線

Fig.11 Carbon dioxide content histories of different observation points as a function of time

3.5 風(fēng)機(jī)風(fēng)量對(duì)換氣效果的影響

為研究不同的風(fēng)量下供熱有限空間內(nèi)溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化，分別模擬風(fēng)量為6 000、8 000、10 000、12 000、14 000 m3·h-1時(shí)的通風(fēng)過(guò)程.根據(jù)前文分析，選取管溝內(nèi)溫度降低較慢、氧氣體積分?jǐn)?shù)和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)較慢的觀測(cè)點(diǎn)V6(50,0,1.9)為分析點(diǎn)，其溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化曲線如圖12～14所示.

由圖12～14可以看出：1)隨著通風(fēng)風(fēng)量的加大，管溝內(nèi)溫度降低越快，且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫度也越低.對(duì)于該供熱有限空間，通風(fēng)量為6000、8 000、1 0000、12 000、14 000 m3·h-1時(shí)，溫度降到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間分別為25、18、15、12、10 min，穩(wěn)定時(shí)的溫度為48、46、43、40、37 ℃.2)氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的降低隨時(shí)間變化基本一致，即在通風(fēng)過(guò)程中空間內(nèi)低體積分?jǐn)?shù)氣體回升和高體積分?jǐn)?shù)氣體下降均在相同的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常值.對(duì)于該供熱有限空間，所模擬的幾種風(fēng)量下氣體成分體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)到正常值的時(shí)間分別為45、32、22、15、10 min.3)從通風(fēng)過(guò)程中溫度場(chǎng)降到穩(wěn)定,氧氣體積分?jǐn)?shù)、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)到正常值所需的時(shí)間，及穩(wěn)定時(shí)內(nèi)部溫度等方面考慮，該供熱有限空間通風(fēng)換氣風(fēng)量為6 000、8 000、10 000、12 000、14 000 m3·h-1時(shí)，通風(fēng)時(shí)間應(yīng)分別不小于45、32、22、15、10 min.

圖12 不同通風(fēng)量下溫度恢復(fù)曲線

Fig.12 Temperature histories of different ventilation flow rate as a function of time

圖13 不同通風(fēng)量下氧氣體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)曲線

Fig.13 Oxygen content histories of different ventilation flow rate as a function of time

圖14 不同通風(fēng)量下二氧化碳體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)曲線

Fig.14 Carbon dioxide content histories of different ventilation flow rate as a function of time

4 模擬結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際通風(fēng)測(cè)試.軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量為12 000 m3·h-1，選用英思科GasBadge Pro氧氣檢測(cè)記錄儀記錄通風(fēng)過(guò)程中氧氣體積分?jǐn)?shù)，通風(fēng)前測(cè)試人員佩戴正壓式空氣呼吸器進(jìn)入管溝，將檢測(cè)儀固定在管溝中段頂部位置.通風(fēng)30 min后進(jìn)入取出，檢測(cè)結(jié)果如圖15所示.可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本一致.數(shù)值模擬中氧氣體積分?jǐn)?shù)初始值按照第一次檢測(cè)結(jié)果設(shè)置為12.0%，而通風(fēng)試驗(yàn)時(shí)所測(cè)為12.6%，因此，在通風(fēng)過(guò)程前6 min數(shù)值模擬結(jié)果小于實(shí)測(cè)值；之后數(shù)值模擬結(jié)果大于實(shí)測(cè)值，且數(shù)值模擬比實(shí)際先恢復(fù)到正常值.主要是由于試驗(yàn)中風(fēng)機(jī)與井口存在漏風(fēng)，有效通風(fēng)量小于12 000 m3·h-1，因此，在實(shí)際通風(fēng)過(guò)程中應(yīng)盡量保證風(fēng)機(jī)與井口間的嚴(yán)密性.

圖15 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

Fig.15 Comparison of oxygen concentration between simulated model and field measurement

5 結(jié) 論

1)數(shù)值模擬方法能夠全面、直觀地反映通風(fēng)換氣過(guò)程，評(píng)估通風(fēng)換氣效果，結(jié)果可為實(shí)際作業(yè)提供理論參考和技術(shù)支撐.

2)供熱有限空間通風(fēng)換氣過(guò)程中，內(nèi)部風(fēng)流場(chǎng)的分布不僅受內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，還受溫度場(chǎng)的影響，在兩種因素的共同作用下，管溝內(nèi)風(fēng)流主要沿著管溝底部流動(dòng)，而管溝頂部風(fēng)流相對(duì)較小.

3)通風(fēng)過(guò)程中內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布一方面影響著風(fēng)流場(chǎng)的分布，另一方面受風(fēng)流場(chǎng)分布的影響，在二者的相互作用下，管溝內(nèi)溫度呈現(xiàn)底部低、頂部高的分布規(guī)律.

4)通風(fēng)過(guò)程中氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)隨時(shí)間變化較為一致，二者恢復(fù)至正常值所需時(shí)間相同，在實(shí)際通風(fēng)過(guò)程中可僅以氧氣體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)情況作為衡量通風(fēng)效果的代表氣體.管溝中段頂部氣體成分體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)較慢，通風(fēng)過(guò)程中宜將該區(qū)域的氣體成分體積分?jǐn)?shù)值作為衡量通風(fēng)效果的關(guān)鍵參數(shù).

5)針對(duì)所研究的供熱有限空間，通風(fēng)換氣風(fēng)量為6 000、8 000、10 000、12 000、14 000 m3·h-1時(shí)，通風(fēng)時(shí)間應(yīng)分別不小于45、32、22、15、10 min，實(shí)際作業(yè)中還應(yīng)乘以合適的安全系數(shù).

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(編輯 劉 彤)

Numerical simulation of ventilation protection technology in confined space of municipal heating

TAN Cong, LIU Yan, WANG Tong, QIN Yan

(Beijing Municipal Institute of Labour Protection，Beijing 100054，China)

In order to provide effective guidance to the construction and to ensure the safety of workers, numerical simulations were performed on distributions of airflow, temperature fields, oxygen content, and carbon dioxide content during the process of mechanical ventilation using the CFD software. The results demonstrated that, in the course of mechanical ventilation, compared with the pipe trench, the recovery of environmental condition such as temperature and gas volume fraction including oxygen and carbon dioxide were more rapid in the heat chamber. The air flow was mainly along the bottom of the pipe trench and the air velocity at the top of the pipe trench was small because of the internal structure and thermal lift in the pipe trench. For the pipe aforementioned, when the ventilation volume was 6 000, 8 000, 10 000, 12 000, 14 000 m3·h-1, the minimum ventilation time needed should not be less than45, 32, 22, 15, 10 minutes, respectively. In practical operation, oxygen content at the top of the central part of the trench should be regarded as the key parameter to evaluate the ventilation effects.

municipal heating; confined space; ventilation; gas concentration; numerical simulation

10.11918/j.issn.0367-6234.201605093

2016-05-21

北京市自然科學(xué)基金(8152014)； 北京市博士后科研活動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2016ZZ-82)； 北京市科學(xué)技術(shù)研究院青年骨干資助項(xiàng)目(201407)

譚 聰(1985—)，男，博士后

譚 聰，hbtczzdx@163.com

X928.03

A

0367-6234(2017)08-0123-06