楊勇

中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司

0 引言

目前，對(duì)于有溫濕度要求的高大廠房，其空調(diào)系統(tǒng)普遍才用了水平側(cè)送的分層空調(diào)方式，以實(shí)現(xiàn)既保證工作區(qū)空調(diào)要求，又減少空調(diào)能耗[1]。同時(shí)，在工業(yè)廠房中，由于眾多的工業(yè)管道及行車運(yùn)行的工藝要求，分層空調(diào)一般采用噴口側(cè)送的無風(fēng)道送風(fēng)形式。

本文對(duì)于無錫某機(jī)加工車間空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的落地式射流柜機(jī)無法滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝尺寸要求的情況，將落地式改為吊裝式射流機(jī)組，同時(shí)，在吊裝射流機(jī)組后端連接豎向風(fēng)管并在低位設(shè)置回風(fēng)口，使就近區(qū)域的人員處于空調(diào)回流區(qū)域。本文為確定合適的吊裝高度以滿足人員區(qū)域溫度及風(fēng)速要求，利用 CFD 數(shù)值模擬方法分別對(duì)這兩種吊裝高度下的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行氣流組織分析，并通過分析對(duì)比，得到滿足設(shè)計(jì)要求的空調(diào)方案。

1 模型及邊界條件

該機(jī)加工車間空調(diào)溫度要求為制冷季 20～30 ℃，制熱季 14 ℃～30 ℃。要求人員工作區(qū)域末端風(fēng)速在0.5 m/s 左右。單臺(tái)射流機(jī)組風(fēng)量 5000 m3/h，送風(fēng)速度為16.8 m/s。夏天送風(fēng)溫度為15.5 ℃，冬季送風(fēng)溫度為37.5 ℃。本文選擇2 個(gè)柱距的空間進(jìn)行模擬，每個(gè)立柱吊掛2 臺(tái)射流機(jī)組，柱間距離9.0 m，廠房跨度21.5 m，高度11.5 m。選取的模擬范圍如圖1 中方框內(nèi)所示。

圖1 機(jī)加工車間空調(diào)平面圖

本文采用Ansys 19.0 建模并進(jìn)行模擬計(jì)算。單臺(tái)射流機(jī)組有2 個(gè)φ400 噴口，單個(gè)噴口額定風(fēng)量2500 m3/h，回風(fēng)口中心高度1.0 m，尺寸 1200 mm×800 mm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，建立物理模型如圖 2 所示，4 為射流機(jī)組，空調(diào)氣流從1 處進(jìn)入車間，從 2 處回風(fēng)口經(jīng)5 靜壓箱回到機(jī)組，3 處為車間的空間邊界。

圖2 射流機(jī)組安裝模型

（1）數(shù)學(xué)模型

考慮到計(jì)算精度及計(jì)算經(jīng)濟(jì)性及使用范圍，湍流模型選用RNGk-ε模型[2-3]。

（2）邊界條件

計(jì)算域來流邊界按射流機(jī)組出風(fēng)口，設(shè)置采用Ansys 19.0 的INLET 模塊。夏季工況下來流邊界處參考風(fēng)速定16.8 m/s，出風(fēng)溫度為15.5 ℃。冬季工況下來流邊界處參考風(fēng)速定16.8 m/s，出風(fēng)溫度為37.5 ℃。

按照傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)計(jì)方法[4]，傳熱邊界條件按地面：夏季供冷工況下冷負(fù)荷148 W/m2。冬季供暖工況下熱負(fù)荷-67 W/m2。

本次模擬區(qū)域車間截面處采用了 symmetry 邊界條件。

（3）網(wǎng)格劃分及車間氣流組織模擬模型

Ansys 19.0 的計(jì)算網(wǎng)格采用 adaptive 三維網(wǎng)格。在計(jì)算區(qū)域采用非均勻網(wǎng)格。

根據(jù)模型簡(jiǎn)化原則建立的 Ansys 19.0 空調(diào)氣流組織模擬模型如圖3 所示。

圖3 車間氣流組織模擬模型圖

2 模擬結(jié)果分析

2.1 吊裝高度3.5 m 時(shí)模型模擬分析

2.1.1 供冷工況

圖4 為模擬區(qū)域1.5 m 高度處的風(fēng)速云圖。在人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，空調(diào)末端風(fēng)速普遍大于1.25 m/s，不滿足人員工作區(qū)域末端風(fēng)速控制要求。

圖4 供冷時(shí)模擬區(qū)域1.5 m 處風(fēng)速云圖

圖5 供冷時(shí)模擬區(qū)域1.5 m 處溫度云圖

供冷工況下，模擬區(qū)域1.5 m2高度處的溫度云圖如圖5 所示。在人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)，除邊角區(qū)域由于模型的模擬精度外，90%的區(qū)域溫度在20～27 ℃之間，處于控制區(qū)間內(nèi)。

2.1.2 制熱工況

圖6 為模擬區(qū)域1.5 m 高度處的風(fēng)速云圖。在人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，40%以上區(qū)域空調(diào)末端風(fēng)速普遍大于0.975 m/s，不滿足人員工作區(qū)域末端風(fēng)速控制要求。

圖6 制熱時(shí)模擬區(qū)域1.5m 處風(fēng)速云圖

制熱工況下，模擬區(qū)域 1.5 m2高度處的溫度云圖如圖 7 所示。在人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)，除邊角區(qū)域由于模型的模擬精度外，大部分區(qū)域溫度在14 ℃以上。

圖7 制熱時(shí)模擬區(qū)域1.5 m 處溫度云圖

2.2 吊裝高度4.0 m 時(shí)模型模擬分析

2.2.1 供冷工況

圖8 為模擬區(qū)域1.5 m 高度處的風(fēng)速云圖。在人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，90%以上的區(qū)域風(fēng)速均在 0.6 m/s 左右，滿足人員工作區(qū)域末端風(fēng)速控制要求。

圖8 供冷時(shí)模擬區(qū)域1.5 m 處風(fēng)速云圖

供冷工況下，模擬區(qū)域 1.5 m2高度處的溫度云圖如圖9 所示。在人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)，除邊角區(qū)域由于模型的模擬精度外，90%的區(qū)域溫度在20～27 ℃之間，處于控制區(qū)間內(nèi)。

圖9 供冷時(shí)模擬區(qū)域1.5 m 處溫度云圖

2.2.2 制熱工況

圖10 為模擬區(qū)域1.5 m 高度處的風(fēng)速云圖。在人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)，90%以上的區(qū)域風(fēng)速均在 0.5 m/s 左右，滿足人員工作區(qū)域末端風(fēng)速控制要求。

圖10 制熱時(shí)模擬區(qū)域1.5 m 處風(fēng)速云圖

制熱工況下，模擬區(qū)域1.5 m2高度處的溫度云圖如圖11 所示。在人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)，除邊角區(qū)域由于模型的模擬精度外，大部分區(qū)域溫度在14 ℃以上。

圖11 制熱時(shí)模擬區(qū)域1.5 m 處溫度云圖

3 結(jié)論

本文利用CFD 模擬設(shè)計(jì)射流機(jī)組空調(diào)吊裝效果，分析對(duì)比了不同吊裝高度下的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)，得到以下結(jié)論：

1）吊裝高度為3.5 m 時(shí)，供冷工況與制熱工況下，工作人員所處區(qū)域的末端風(fēng)速不滿足設(shè)計(jì)要求。

2）吊裝高度為4.0 m 時(shí)，供冷工況與制熱工況下，室內(nèi)大部分區(qū)域風(fēng)速在1.0 m/s 以下，90%以上風(fēng)速處于0.5 m/s 左右。95%以上的區(qū)域溫度在14～30 ℃之間滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度要求。即室內(nèi)氣流風(fēng)速、室內(nèi)溫度均滿足規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。

3）制熱工況時(shí)，可通過末端控制，適當(dāng)降低室內(nèi)溫度，同樣能滿足設(shè)計(jì)要求。

4）實(shí)際安裝高度可以設(shè)定為 4.0 m，回風(fēng)口中心高度1.0 m。