謝玉良 張旭葉蔚 邰彥寰

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

狹長(zhǎng)的空間中很難準(zhǔn)確測(cè)量通風(fēng)量，如飛機(jī)客艙、火車車廂、隧道等。由于狹長(zhǎng)空間的橫截面小、縱向距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，房間的氣流組織難以直接得出，對(duì)于狹長(zhǎng)空間中排熱排污等問(wèn)題所需的排風(fēng)量也難以確定，若是排風(fēng)量計(jì)算不足，則直接威脅到內(nèi)部人員和設(shè)備的安全。當(dāng)前文獻(xiàn)中對(duì)此研究較少，一般采用CFD模擬計(jì)算并通過(guò)相似原理進(jìn)行模型試驗(yàn)的驗(yàn)證[1]。Chao[2]等人提出了一種與遺傳算法相結(jié)合的多區(qū)技術(shù)改進(jìn)的示蹤氣體濃度衰減法來(lái)確定狹長(zhǎng)空間的通風(fēng)率。楊立軍[3]等人通過(guò)繪制并聯(lián)風(fēng)機(jī)性能曲線分析了不同條件下對(duì)并聯(lián)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性的影響，通過(guò)引入集群因子，得到軸流風(fēng)機(jī)群的性能曲線，阻力特性和空冷系統(tǒng)的工作點(diǎn)。王峰[4]等人基于不可壓縮粘性流體湍流模型，采用CFD方法對(duì)曲線隧道通風(fēng)沿程阻力損失進(jìn)行模擬計(jì)算。論證了曲線隧道斷面形式和通風(fēng)速度與沿程阻力系數(shù)之間的關(guān)系。梁彥超[5]利用SC/Tetra軟件對(duì)集裝箱船機(jī)艙內(nèi)狹長(zhǎng)空間空氣流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和模擬，獲得整個(gè)機(jī)艙的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，針對(duì)性的提出了通風(fēng)系統(tǒng)布置的優(yōu)化方案。Bredell[6]等人FLUENT模擬，研究了風(fēng)機(jī)入口流場(chǎng)變化時(shí)對(duì)并聯(lián)風(fēng)機(jī)群性能的影響，并且對(duì)比了兩種不同類型風(fēng)機(jī)的性能。Duvenhage[7]等人利用CFD數(shù)值模擬考慮了縱向軸（長(zhǎng)軸）風(fēng)對(duì)并聯(lián)風(fēng)機(jī)性能的影響。劉廣強(qiáng)[8]等人利用CFD方法對(duì)不同環(huán)量指數(shù)所設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行模擬對(duì)比。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)驗(yàn)證物理模型的正確性。本文將狹長(zhǎng)空間的通風(fēng)問(wèn)題簡(jiǎn)化成通風(fēng)管網(wǎng)的水力計(jì)算，通過(guò)得出風(fēng)機(jī)與管路匹配的工作點(diǎn)來(lái)計(jì)算所需要開(kāi)啟的風(fēng)機(jī)數(shù)量。

1 狹長(zhǎng)空間排風(fēng)問(wèn)題的簡(jiǎn)化分析

1.1 狹長(zhǎng)空間的簡(jiǎn)化分析

本文的研究對(duì)象為特殊實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡乃淼佬酮M長(zhǎng)空間，內(nèi)部構(gòu)造較為復(fù)雜，簡(jiǎn)化模型如圖1所示，其中AB段長(zhǎng) 76 m，寬 18 m，高 9.2 m，BC段長(zhǎng) 82 m，寬18 m，高5.2 m。A端為開(kāi)敞端，中部B處設(shè)有兩邊對(duì)稱布置的離心排風(fēng)機(jī)8臺(tái)風(fēng)量140000 m3/h，全壓935 Pa，C端設(shè)有6臺(tái)對(duì)稱布置的6臺(tái)軸流送風(fēng)機(jī)，風(fēng)量 60000 m3/h，全壓 635 Pa。

圖1 狹長(zhǎng)空間排風(fēng)模型

對(duì)此研究對(duì)象進(jìn)行分析后，進(jìn)行如下簡(jiǎn)化，如圖2所示。即簡(jiǎn)化為一定長(zhǎng)度的通風(fēng)管道，左端自由流動(dòng)、中部機(jī)械排風(fēng)、右端機(jī)械進(jìn)風(fēng)的流體管網(wǎng)問(wèn)題。同時(shí)做如下假設(shè)：所有相同管道橫截面積相等，故流量比等于速度比。

圖2 簡(jiǎn)化通風(fēng)模型

對(duì)圖2進(jìn)行簡(jiǎn)要分析：

1）令 a、b、c三點(diǎn)（斷面）連接為大氣環(huán)境，即 a、b、c三點(diǎn)靜壓Psa=Psb=Psc=0。同時(shí)令A(yù)、B、C三個(gè)斷面均緊鄰a、b、c三個(gè)斷面。其中A、B兩個(gè)斷面分別在風(fēng)機(jī)之前和之后。此外，令b點(diǎn)的坐標(biāo)為0，a點(diǎn)和c點(diǎn)的坐標(biāo)分別為l1和l2。

2）因?yàn)閍處風(fēng)機(jī)為送風(fēng)機(jī)，A斷面靜壓PsA＞0、動(dòng)壓為。同時(shí)，因b處風(fēng)機(jī)為排風(fēng)機(jī)，B斷面靜壓 PsB＜0、動(dòng)壓為。

1.2 風(fēng)機(jī)并聯(lián)特性

以某公司生產(chǎn)的T4-72XX型離心風(fēng)機(jī)為例，根據(jù)樣本給出的風(fēng)機(jī)特性曲線的典型工況點(diǎn)，通過(guò)最小二乘擬合得到風(fēng)機(jī)特性曲線公式。采用多項(xiàng)式的形式表示風(fēng)機(jī)增壓△P和空氣流量Q的關(guān)系式[3]：

式中：fn為多項(xiàng)式系數(shù)；△P風(fēng)機(jī)增壓，Pa；Q風(fēng)機(jī)流量，m3/s。

管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力特性曲線通常為二次拋物線，對(duì)于本文的簡(jiǎn)化模型，管網(wǎng)的壓降△Ps和流量Qs的關(guān)系式為：

式中：S為管道綜合阻力系數(shù)，kg/m7。

對(duì)于單臺(tái)風(fēng)機(jī)及其與外部管網(wǎng)組成的系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)性能曲線與管網(wǎng)阻力特性曲線的交點(diǎn)，即為風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)。當(dāng)多臺(tái)性能相同的風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的全壓不變，流量累加，即在相同的全壓情況，流量變成原來(lái)單臺(tái)風(fēng)機(jī)的多倍。而外部管網(wǎng)的阻力特性不發(fā)生變化。對(duì)于T4-72XX型離心風(fēng)機(jī)擬合的性能曲線系數(shù)如表 1（R2=0.9987）：

2 狹長(zhǎng)空間阻力系數(shù)的影響

2.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

研究對(duì)象是狹長(zhǎng)空間內(nèi)風(fēng)機(jī)啟停工況下排風(fēng)效果的問(wèn)題，故模型模擬的區(qū)域?yàn)榘ㄋ团棚L(fēng)機(jī)在內(nèi)的整個(gè)區(qū)域。幾何模型按照某狹長(zhǎng)空間實(shí)際尺寸建立，利用商業(yè)CFD軟件進(jìn)行三維模型的建立及網(wǎng)格劃分。采用的四面體網(wǎng)格，并對(duì)送、排風(fēng)機(jī)及開(kāi)敞端進(jìn)行局部加密處理。

2.2 邊界條件

入口及出口：將機(jī)械進(jìn)排風(fēng)的入口及出口進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，C處機(jī)械送風(fēng)按照壓力入口進(jìn)行設(shè)置，需確定全壓大小，入口方向，總溫以及湍流參數(shù)情況。本次模擬主要查看下場(chǎng)空間內(nèi)流場(chǎng)的分布，則空氣入口溫度的設(shè)定對(duì)模擬的結(jié)果沒(méi)有影響，可將其設(shè)為與外界溫度一致。B處機(jī)械排風(fēng)按照壓力出口設(shè)置，需要確定出口處?kù)o壓。A處敞開(kāi)口按照壓力入口設(shè)置，出口靜壓為0 Pa。

湍流模型使用對(duì)流線曲率大，有漩渦和旋轉(zhuǎn)的內(nèi)部流場(chǎng)的模擬更加適用的RNG k－ε湍流模型，使用Scalable壁面函數(shù)。計(jì)算方法：計(jì)算過(guò)程中采用亞松弛因子，Coupled算法，在動(dòng)量方程，k方程和ε方程選項(xiàng)中均采用二階迎風(fēng)格式。

2.3 結(jié)果分析

Case1：將送風(fēng)機(jī)C關(guān)閉，僅設(shè)置成壓力入口，表壓P=0 Pa。圖2的通風(fēng)模型即可簡(jiǎn)化為兩端自然進(jìn)風(fēng)，中部排風(fēng)的三通模型。收斂后各進(jìn)排風(fēng)口風(fēng)量如下：Qa=242.35 m3/s，Qc=10.33 m3/s，Qb=-252.65 m3/s。

由管網(wǎng)并聯(lián)計(jì)算公式：

聯(lián)立式（3）～（5），解出管網(wǎng)系統(tǒng)阻力系數(shù)S=0.0148 kg/m7。改變排風(fēng)機(jī)全壓后，不同全壓下對(duì)應(yīng)的個(gè)排風(fēng)口風(fēng)量不同，但管網(wǎng)系統(tǒng)阻力系數(shù)S的計(jì)算誤差＜1%，認(rèn)為本次實(shí)驗(yàn)中阻力數(shù)S計(jì)算正確。

Case2：按實(shí)際中狹長(zhǎng)空間標(biāo)準(zhǔn)工況下，B處排風(fēng)機(jī)及C處送風(fēng)機(jī)全部開(kāi)啟，設(shè)B處壓力出口全壓P=-945Pa，C處壓力入口全壓P=635Pa，A處壓力入口P=0 Pa。收斂后各進(jìn)排風(fēng)口風(fēng)量如下：Qa=156.02 m3/s，Qc=96.95 m3/s，Qb=-252.74 m3/s。

對(duì)比Case1和Case2結(jié)論：

1）兩次計(jì)算并聯(lián)管道阻力系數(shù)S的誤差＜1%，認(rèn)為S計(jì)算正確，因此管網(wǎng)系統(tǒng)阻力方程為：

2）總排風(fēng)量?jī)H取決于B處離心排風(fēng)機(jī)，C出送風(fēng)機(jī)的工況不能改變總排風(fēng)量，僅能改變并聯(lián)管段AB、AC流量分配比。

3）當(dāng)前工況B出口單離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量11.37萬(wàn)m3/h，與理論風(fēng)量14萬(wàn)m3/h對(duì)比減少了17.76%；C處單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量5.81萬(wàn)m3/h，與理論風(fēng)量6萬(wàn)m3/h對(duì)比減少了3.1%。

由結(jié)論可知實(shí)際工況下相同風(fēng)機(jī)并聯(lián)后風(fēng)量不會(huì)出現(xiàn)多臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量相疊加的情況，而是有一定損失。B處單臺(tái)離心排風(fēng)機(jī)模擬風(fēng)量與理論相比減少2.63萬(wàn)m3/h。根據(jù)case2模擬結(jié)果，考慮B處離心風(fēng)機(jī)并聯(lián)損失，即可得到8臺(tái)離心風(fēng)機(jī)并聯(lián)的性能曲線，離心風(fēng)機(jī)擬合的性能曲線系數(shù)如表2（R2=0.9987）：

即，模擬風(fēng)機(jī)性能曲線為

聯(lián)立式（6）和（7），即可得到風(fēng)機(jī)性能曲線與管路性能曲線的焦點(diǎn)為該工況下風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，如圖3所示。圖中工作點(diǎn)的坐標(biāo)為 （907818 m3/h，941.2 Pa），與Case2中模擬得到的風(fēng)量90.96萬(wàn)m3/h相比誤差為0.2%。

圖3 并聯(lián)性能曲線與工作點(diǎn)

當(dāng)狹長(zhǎng)空間系統(tǒng)阻力改變時(shí)，管網(wǎng)阻力系數(shù)S將增大。通過(guò)對(duì)圖1狹長(zhǎng)空間AB段和BC段分別增加一定數(shù)量的車輛時(shí)，得到的并聯(lián)性能曲線與工作點(diǎn)如圖4所示。其中系統(tǒng)阻力特性Ⅲ與風(fēng)機(jī)性能曲線Ⅳ的交點(diǎn)是圖3所述的工況。曲線Ⅱ與風(fēng)機(jī)性能曲線Ⅳ的交點(diǎn)是狹長(zhǎng)空間AB段增加一臺(tái)大車、BC段增加兩臺(tái)小車時(shí)的工作點(diǎn)。曲線Ⅰ與風(fēng)機(jī)性能曲線Ⅳ的交點(diǎn)是狹長(zhǎng)空間AB段增加兩臺(tái)大車、BC段增加四臺(tái)小車時(shí)的工作點(diǎn)。大車的長(zhǎng)寬高分別為29.2 m、7.5 m、6.9 m，小車的長(zhǎng)寬高分別為9.5 m、3.4 m、2.3 m。圖4中工作點(diǎn) B 的坐標(biāo)為（889682 m3/h，1009.3 Pa），工作點(diǎn) B 的坐標(biāo)為（836823 m3/h，1085.8 Pa）。

圖4 管網(wǎng)變化后并聯(lián)性能曲線與工作點(diǎn)

利用阻塞比來(lái)分析上圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的工況，阻塞比即實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趯?shí)驗(yàn)風(fēng)道截面上的投影面積與風(fēng)道截面積之比。擬合得到管道阻力系數(shù)S與管段阻塞比的關(guān)系式 S=f(β)，擬合系數(shù)如表 3（R2=1）。

即管道阻力系數(shù)與阻塞比的關(guān)系式為：

式中：S為管道綜合阻力系數(shù)，kg/m7；β為管道阻塞比。

式（8）表明，在當(dāng)前并聯(lián)管段中，管道阻力系數(shù)S與管道阻塞比β近似成平方關(guān)系，且隨著阻塞比的增加而增大。

3 中部排風(fēng)模型實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了更準(zhǔn)確確定不同工況下狹長(zhǎng)空間中部排風(fēng)系統(tǒng)排除污染物所需要的時(shí)間，本文通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，定常粘性流體的量綱關(guān)系式可以簡(jiǎn)化為：

原型和模型試驗(yàn)中很難保證同時(shí)滿足上述4個(gè)準(zhǔn)則數(shù)。歐拉（Eu）是待定準(zhǔn)則并且是弗勞德（Fr）準(zhǔn)則和雷諾（Re）準(zhǔn)則的函數(shù)，本文研究對(duì)象為等溫定常流動(dòng)，忽略弗勞德（Fr）準(zhǔn)則數(shù)模型與原型的流動(dòng)介質(zhì)是空氣，則認(rèn)為（Pr）準(zhǔn)則數(shù)相等，因此考慮雷諾（Re）準(zhǔn)則數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]中關(guān)于狹長(zhǎng)空間多源匯合溫度擴(kuò)散的模型實(shí)驗(yàn)研究，本實(shí)驗(yàn)選取的幾何縮尺為1∶13，風(fēng)速比例尺為 1∶1.82。AB 斷面尺寸為 1.4 m×0.8 m，BC斷面尺寸為1.4 m×0.4 m，模型中AB和BC兩段的Re數(shù)分別為4.32×104和2.49×104，模型已進(jìn)入自動(dòng)模型區(qū)。

圖5 模型送風(fēng)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括送風(fēng)、排風(fēng)風(fēng)機(jī)，風(fēng)管，變頻器，CO2發(fā)煙機(jī)以及測(cè)試儀器。測(cè)試儀器包括風(fēng)速儀、CO2濃度測(cè)量?jī)x、微壓計(jì)等。送風(fēng)機(jī)型號(hào)為4-72-2.8A，風(fēng)量1131～2356 m3/h，風(fēng)壓 606～994 Pa，轉(zhuǎn)速 2900 r/min，功率1.5 kW；排風(fēng)機(jī)型號(hào)為4-72-NO3.6A，風(fēng)量2664～5268 m3/h，風(fēng)壓 989～1578 Pa，轉(zhuǎn)速 2900 r/min，功率3 kW。分別由1.5 kW和3.7 kW的變頻器控制。送風(fēng)口尺寸為70 cm×15 cm，排風(fēng)口尺寸為15 cm×15 cm。模型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖5、6所示。

圖6 模型排風(fēng)系統(tǒng)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

CO2氣體示蹤實(shí)驗(yàn)中所用工況都為AB段中1臺(tái)大車，BC段兩臺(tái)小車，共有關(guān)閉、開(kāi)啟射流風(fēng)機(jī)兩種工況，每種工況有4組實(shí)驗(yàn)，射流風(fēng)機(jī)布置在BC中間，風(fēng)量2中部排風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)開(kāi)啟8、7、6、4臺(tái)，模型實(shí)驗(yàn)對(duì) 應(yīng) 排 風(fēng) 量 為 4140 m3/h、3623 m3/h、3105 m3/h、2070 m3/h，對(duì)應(yīng)工況編號(hào)為 A-1、B-1、C-1、D-1，開(kāi)啟射流風(fēng)機(jī)時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)編號(hào)為 A-2、B-2、C-2、D-2。CO2濃度測(cè)量?jī)x記錄間隔為10 s，圖7顯示了不同中部風(fēng)機(jī)排風(fēng)量下排風(fēng)口處CO2氣體濃度變化。圖8顯示了開(kāi)啟射流風(fēng)機(jī)時(shí)不同中部風(fēng)機(jī)排風(fēng)量下排風(fēng)口CO2氣體濃度變化。CO2氣體從0s開(kāi)始在C斷面釋放，150 s時(shí)停止。

圖7 排風(fēng)口處CO2氣體濃度變化

從圖7中可以看出：1）每條曲線均有陡峭上升階段，緩慢增長(zhǎng)階段，加速下降階段和緩慢下降階段。2）中部風(fēng)機(jī)排風(fēng)量的不同會(huì)導(dǎo)致CO2濃度變化有響應(yīng)的提前或滯后，A-1與D-1相比中部排風(fēng)量增加一倍，CO2濃度升到最高值的時(shí)間和降低至環(huán)境值的時(shí)間都提前約40 s。3）各工況最高CO2濃度基本相同，都在6000 ppm左右。

從圖8中可以看出：1）開(kāi)啟射流風(fēng)機(jī)時(shí)中部排風(fēng)口CO2濃度達(dá)到峰值時(shí)間比不開(kāi)啟時(shí)減少20 s。2）除A-2工況外其余工況CO2濃度最高值變化不大。

圖8 增加射流風(fēng)機(jī)后排風(fēng)口處CO2氣體濃度變化

4 結(jié)論

針對(duì)某狹長(zhǎng)空間橫截面小、縱向距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，空間的氣流組織難以利用流體管網(wǎng)方式得出，文章通過(guò)對(duì)房間阻力系數(shù)的模擬，得出如下結(jié)論。

1）管網(wǎng)性能曲線與擬合風(fēng)機(jī)性能曲線的交點(diǎn)即風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)與數(shù)值模擬得出的工況點(diǎn)誤差為1%，本方法有一定可行性。兩段式中部機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)中，若一端為自由端，另一端自由或加機(jī)械送風(fēng)，則總排風(fēng)量?jī)H取決于中部排風(fēng)機(jī)狀態(tài)，機(jī)械送風(fēng)端風(fēng)機(jī)變化不能改變總排風(fēng)量，僅能改變兩管段流量分配比。在當(dāng)前并聯(lián)管段中，管道阻力系數(shù)S與管道阻塞比β近似成平方關(guān)系，且隨著阻塞比的增加而增大。

2）通過(guò)CO2氣體示蹤實(shí)驗(yàn)得出在當(dāng)前模型下，排除CO2所需要時(shí)間為200 s，當(dāng)開(kāi)啟射流風(fēng)機(jī)時(shí)所需要時(shí)間為180 s。