黃龍龍 強天偉 張 卓 裴雨露

（西安工程大學(xué) 西安 710048）

0 引言

貼附射流在暖通空調(diào)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用日益增多[1]，近年來，西安建筑科技大學(xué)李安桂教授團(tuán)隊對此類通風(fēng)方式進(jìn)行了詳細(xì)的研究，貼附射流原理如圖1所示。在參數(shù)一定的條件下，相對于完整射流，貼附射流可輸送到壁面處的風(fēng)速度更快、空氣溫度更低，利于設(shè)備散熱。貼附射流可以視為完整射流的一半，可以按照出口的流速不變，風(fēng)口寬度加倍來計算[2-4]。

圖1 貼壁射流和完整射流分析圖Fig.1 Analysis diagram of wall jet and complete jet

因此，針對某種高溫設(shè)備進(jìn)行局部通風(fēng)降溫，本文對設(shè)備進(jìn)行貼壁送風(fēng)時，氣流僅對設(shè)備上表面降溫，同時增加送風(fēng)口，對兩側(cè)面進(jìn)行送風(fēng)。已知設(shè)備各個表面的散熱量，根據(jù)需要到達(dá)工作地點的氣流寬度公式，可以求得風(fēng)口截面積，中間送風(fēng)口選用條縫風(fēng)口貼壁射流吹覆設(shè)備上表面，左右兩邊的風(fēng)口選擇可調(diào)節(jié)角度的百葉風(fēng)口各吹向左右兩個側(cè)面；風(fēng)管距離設(shè)備的水平距離設(shè)置500mm，如圖2所示。

圖2 設(shè)備貼附送風(fēng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of air supply attached to equipment

本文利用CFD（Computational Fluid Dynamics）數(shù)值模擬方法，分析貼壁射流送風(fēng)角度以及切向送風(fēng)角度等因素對設(shè)備降溫效果的影響。為以后更多學(xué)者對貼附射流送風(fēng)研究提供參考。

1 數(shù)值計算模型建立及參數(shù)設(shè)置

1.1 物理模型建立

根據(jù)廠房設(shè)備的布置情況進(jìn)行建模，設(shè)備尺寸如表1所示[5]。

表1 房間及設(shè)備尺寸大小Table 1 Room and equipment size

對于本文來說，需要對北墻和東墻的送風(fēng)口、不同運行設(shè)備表面、窗戶、門處進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格加密。機房內(nèi)部網(wǎng)格0.1m，局部加密網(wǎng)格0.05m，共計生成了2053380 個網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 設(shè)備局部網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of local meshing of equipment

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

認(rèn)為機房氣流流態(tài)為湍流流動。目前工程應(yīng)用中的數(shù)值模擬方法主要有：直接數(shù)值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）和基于雷諾平均N-S方程組（RANS）的模型。筆者選用適用于模擬室內(nèi)氣流流動的RANS 中的K-?模型對機房室內(nèi)氣流組織進(jìn)行模擬，數(shù)學(xué)模型控制方程包括：連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍動能方程、耗散率方程，其通式為：

式中：ρ為空氣密度；t為時間；V為速度矢量；φ為速度在x、y、z 方向的分量，當(dāng)φ=1 時，方程變?yōu)檫B續(xù)性方程； ΓΦ為各應(yīng)變量的有效擴散系數(shù)；SΦ為廣義源項。

1.3 邊界條件定義

送風(fēng)口設(shè)為速度入口邊界條件，速度設(shè)為3m/s，溫度設(shè)為26.5℃；湍流動能k=0.18 和湍流耗散率E=0.42[7]；本文設(shè)備在運行時，所有門窗均開啟，這里將門窗設(shè)置為自由出流邊界條件；房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用溫度熱邊界，運行設(shè)備的外表面設(shè)置為定熱流量的壁面熱邊界條件，不運行設(shè)備的外表面設(shè)置為固定壁邊界。邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件Table 2 Boundary conditions

1.4 求解器參數(shù)設(shè)置

FLUENT 求解器各求解參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 求解器參數(shù)設(shè)置表Table 3 Solver parameter setting table

2 貼壁射流送風(fēng)角度對設(shè)備降溫效果的影響

對于貼壁射流來說，送風(fēng)射流的角度會影響貼壁射流對壁面的降溫效果。本文需要分別送風(fēng)角度進(jìn)行模擬，貼壁射流送風(fēng)角度A 選擇0°、5°、10°三個角度進(jìn)行模擬計算。貼壁射流送風(fēng)角度示意圖如圖3所示。送風(fēng)速度選為5m/s、風(fēng)口距離設(shè)備的水平距離為500mm，只改變送風(fēng)角度，計算結(jié)果如圖所示。

圖4 貼壁射流送風(fēng)角度示意圖Fig.4 Schematic diagram of air supply angle of wall-mounted jet

在空壓機的表面處取A、B、C、D 四個點，分別距離送風(fēng)口水平距離500mm、1000mm、1500mm、2000mm，如圖5（a）所示。用FLUENT后處理分別提取出不同送風(fēng)角度下，各個測點空氣流速，如圖6所示。

圖5 貼壁射流不同送風(fēng)角度速度分布圖Fig.5 Velocity distribution diagram of wall jet at different air supply angles

圖6 不同送風(fēng)角度下的各測點空氣流速Fig.6 Air velocity at each measuring point under different air supply angles

從圖中可以看到，隨著貼壁射流送風(fēng)角度的增加，壁面處空氣速度衰減的更快。送風(fēng)角度為0°的時候，各個測點的空氣速度最大。

圖7 貼壁射流不同送風(fēng)角度溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution diagram of wall jet at different air supply angles

用FLUENT 后處理分別提取出不同送風(fēng)角度下，各個測點溫度，如圖8所示。

圖8 不同送風(fēng)角度下的各測點溫度值Fig.8 The temperature value of each measuring point under different air supply angles

可以看到，送風(fēng)角度為0°的時候，各個測點溫度相對來說較低，通風(fēng)降溫效果好。送風(fēng)角度為10°的時候，測點溫度高，通風(fēng)降溫效果差。主要是因為貼壁射流角度小的時候，速度衰減慢，壁面處的空氣速度較大，可以較快的帶走設(shè)備散發(fā)的熱量。

3 切向射流送風(fēng)角度對設(shè)備降溫效果的影響

切向射流角度是指設(shè)備對應(yīng)的左右兩側(cè)送風(fēng)口的角度，因為左右兩側(cè)呈對稱，這里僅需討論一側(cè)的送風(fēng)角度[7]。對于側(cè)面送風(fēng)口來說，有兩個角度需要確定，分別是向下的吹風(fēng)角度，和吹向設(shè)備側(cè)面的切向角度。

3.1 向下射流送風(fēng)角度

分別選取切向角度B 為5°、15°、30°三個角度，進(jìn)行模擬計算，送風(fēng)角度示意圖如9所示。送風(fēng)速度選為5m/s、風(fēng)口距離設(shè)備的水平距離為500mm，左側(cè)送風(fēng)口距離貼壁送風(fēng)口距離0.1m，改變送風(fēng)角度，計算結(jié)果如圖所示。

圖9 向下射流送風(fēng)角度示意圖Fig.9 Schematic diagram of downward jet air supply angle

根據(jù)圖10 可以看出，隨著向下射流送風(fēng)角度的不斷增加，送風(fēng)射流輻射空壓機側(cè)面的區(qū)域越大，但是角度增大到30°的時候，送風(fēng)氣流會與地面發(fā)生碰撞，改變氣流的流動方向，在室內(nèi)形成渦流，無法從室內(nèi)的窗戶、門排出。圖11 表明，隨著向下送風(fēng)角度的增加，送風(fēng)射流末端覆蓋的區(qū)域發(fā)生了變化，在一定角度范圍內(nèi)，送風(fēng)角度增加，氣流輻射區(qū)域越廣。但是角度過大，氣流會與地面發(fā)生碰撞，方向偏移，綜上兩側(cè)送風(fēng)口向下的送風(fēng)角度選擇15°為宜。

圖10 向下射流不同送風(fēng)角度速度矢量圖Fig.10 Vector diagram of downward jet velocity at different air supply angles

圖11 向下射流不同送風(fēng)角度溫度分布圖Fig.11 Temperature distribution diagram of downward jet at different air supply angles

3.2 切向射流送風(fēng)角度

送風(fēng)口間距不是氣流組織的主要影響因素[8]。只要在能夠滿足夏季空壓機房基本熱環(huán)境的范圍內(nèi)即可。要求不高的精度下，送風(fēng)口間距范圍也比較大。在滿足空調(diào)區(qū)域基本參數(shù)的要求下，送風(fēng)口間距的適當(dāng)縮小更有利于氣流特性的分布，這里選取了三個風(fēng)口間距0.1m、0.2m、0.3m 進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)改變送風(fēng)口間距對于空壓機表面周圍的溫度影響不大，所以這里選用空壓機左右兩側(cè)送風(fēng)口距離中間送風(fēng)口的間距為0.1m 作為計算標(biāo)準(zhǔn)。分別選取切向角度C 為5°、10°、15°三個角度，進(jìn)行模擬計算，送風(fēng)角度示意圖如圖12所示。送風(fēng)速度、風(fēng)口距離保持不變，改變送風(fēng)角度。計算結(jié)果如圖所示。

圖12 切向射流送風(fēng)角度示意圖Fig.12 Schematic diagram of the air supply angle of the tangential jet

從圖13 中可以看到，隨著切向送風(fēng)角度的不斷增加，兩側(cè)送風(fēng)口到達(dá)設(shè)備側(cè)表面的位置越提前（見圖13 A 點），直到切向角度為15°的時候，送風(fēng)射流剛好到達(dá)空壓機兩個側(cè)面交接處，此時部分氣流盤旋在空壓機側(cè)表面（見圖13（c）），這部分的氣流無法排出室外。隨著角度的增加，送風(fēng)射流末端覆蓋的區(qū)域發(fā)生了變化（見圖13），角度較小的時候，送風(fēng)氣流到達(dá)側(cè)表面較晚，角度過大的時候，送風(fēng)氣流會吹向設(shè)備的另一個面。綜上所述，兩側(cè)的切向送風(fēng)角度選擇10°為宜。

圖13 切向射流不同送風(fēng)角度速度矢量圖Fig.13 Vector diagrams of tangential jet velocity at different air supply angles

4 總結(jié)

采用貼附送風(fēng)的通風(fēng)方式，把氣流直接送到各個設(shè)備表面，進(jìn)行通風(fēng)降溫。分析不同的貼壁射流送風(fēng)角度以及切向送風(fēng)角度對設(shè)備降溫效果的影響。結(jié)果表明：

（1）隨著貼壁射流送風(fēng)角度的增加，壁面處空氣速度衰減的更快。送風(fēng)角度為0°的時候，各個測點的空氣速度最大。

（2）隨著向下射流送風(fēng)角度的不斷增加，送風(fēng)射流輻射空壓機側(cè)面的區(qū)域越大；隨著向下送風(fēng)角度的增加，在一定角度范圍內(nèi)，送風(fēng)角度增加，氣流輻射區(qū)域越廣。但角度過大，氣流會與地面發(fā)生碰撞，方向偏移，兩側(cè)送風(fēng)口向下的送風(fēng)角度選擇15°為宜。

（3）隨著切向送風(fēng)角度的不斷增加，兩側(cè)送風(fēng)口到達(dá)設(shè)備側(cè)表面的位置越提前；角度較小時，送風(fēng)氣流到達(dá)側(cè)表面較晚，角度過大送風(fēng)氣流則會吹向設(shè)備的另一個面。綜上所述，兩側(cè)的切向送風(fēng)角度選擇10°為宜。