工业厂房气流组织的CFD数值模拟

工业厂房气流组织的CFD数值模拟

任杉

深圳市新城市规划建筑设计股份有限公司广东省深圳市518000

摘要：本文以CFD为辅助工具，分析了设备所在位置的排风、补风、岗位送风气流的影响，对卤鸭车间进行气流组织模拟设计，并用Airpak软件对其进行求解，并对模拟数据与调整后的方案进行比较，结果表明方案调整后的气流对卤鸭设备的气流影响较小；由于CFD技术只能模拟稳态的气流组织，无法模拟动态情况下人流和物流对车间气流组织及温湿度的影响，模拟数据虽然存在一定偏差，但有助于设计师选择合适的气流组织。

关键词：厂房；数值模拟；气流组织；温湿度；CFD

1工程简介

本工程是位于广东省广州市，本次模拟麻涌华南总部某项目综合车间的气流组织。

图1车间平面图

Fig1Workshopplan

2厂房气流组织设计原则

1）系统的送风气流应以最短距离，不受污染地直接送到工作区，并且尽量覆盖工作区，使污染物在扩散之前就被携带到排风口；

2）减少涡流，避免把工作区以外的污染物带入工作区；

3）控制上升气流的产生，防止灰尘的二次飞扬，以减少对工件的污染；

4）工作区的气流力求均匀，工作区的气流速度应满足生产工艺和卫生的要求。

车间内的气流受洁净室的几何形状，送风和回风的相关参数，送风口排风口的布局和敷设方式等因素制约，在不同的气流组织形式以及送排风参数条件下，室内气流都会有不一样的表现形式。本次设计采用上送、侧送、排风罩排风的不同的气流组织方式，借送出空气的不均匀扩散来稀释室内气味，增加室内空气舒适度。

3CFD数值模拟

3.1物理模型

本文对卤鸭车间热环境进行Airpak数值模拟，车间尺寸为50m×40m×5m，见图1。为保证车间送排风口平衡和气流组织不影响卤鸭设备，送风口置于车间顶棚和侧墙，其中上送风口1000X800共4个，800X800共17个，600X600共5个，每台设备设置立风管250x200，并设置∅110电动可调球形送风喷口调节岗位送风，设备中间设置双层百叶送口600x600，送风百叶离地0.3m安装，为保证送风量平衡，在侧墙上增加1000X1000风口共11个，1000x500送风口共6个，余压阀800X300共12个；排风罩800X1600共2个，接排风罩排风李冠立管630X400共78个，排风口800X600共12个。

3.2数学模型

基于对室内不可压缩气体的连续性、动量、能量守恒微分方程的离散化处理及其数值解析，用TwoEquation作为紊流附加方程。用CFD软件Airpak进行数值仿真模拟。

1）连续性方程

对不可压缩性的流体，其密度为常数，连续性方程简化为

Sh为体积热源项；

Cp为质量定压热容；

μt为湍流黏度；

Prt为湍流普朗特常数。

3.3计算网格划分

网格单元最大x，y，z尺寸分别为0.2，0.2，0.2，为提

图2车间网格模型

Fig2Workshopgridmodel

高计算速度和计算精度，模拟送风口网格局部加密，网格总数约210万个。压力、动量、温度松弛因子分别为0.7，0.3，1.0，其他求解参数均为默认值，多次进行求解运算约1000次后达到收敛，模型详见图2。

图3Y=0.3m气流速度场云图

Fig3Y=0.3mAirflowvelocitycloudchart

3.4模拟分析

有了以上的物理模型、数学模型、及相应的初始条件和边界条件后，模拟分析结果见如下图3和图4；图中图3为高度为0.3m处速度场云图，结果发现在南侧和东侧的下送风口对、及西侧的顶棚送风口（送风速度小于3m/s）

图4Y=1.5m气流速度场云图

Fig4Y=1.5mAirflowvelocitycloudchart

对气流组织的影响很大.虽然控制了送风速度，但是影响了附近位置的卤鸭设备的气流，中间区域的排风和岗位送风及补风风速小且气流在低位，对排风影响较小，由于设备和风口参数对气流的影响，气流速度分布不太理想，

图5Z=28.5m气流速度场云图

Fig5Z=28.5mAirflowvelocitycloudchart

在1.5m高处，部分设备区域气流速度达到1.5~1.8m/s，不仅仅会造成工作人员不适，且过高的送风速度将使得室内涡流区扩大，导致污染物随气流扩散到更大区域。因此，在一些人员较多的车间，由于没有考虑风口和工作人员操作位置，使得风口下面的工作人员舒适性比较差，如图5。

图6Z=28.5m气流速度场矢量图

Fig6Z=28.5mAirflowvelocityvectorgraph

3.5改进方案

由于气流影响卤鸭设备区域，因此在方案上需要做一些改进，降低侧送风速度2.8m/s改为速度2.0m/s，或者在送风口出增加货架或者柜子之类，使得气流不能直接影响卤鸭设备区域，如图7，图8。

图中看出在侧送风处增加障碍物，使得气流不得影响卤鸭设备区，西侧顶棚上送风口风速仍然过大，会影响附近设备，建议在此处降低送风速度或者将送风口移至房间最远端。

图7Y=0.3m气流速度场云图

图7Y=0.3mAirflowvelocitycloudchart

图8Y=1.5m气流速度场云图

图8Y=1.5mAirflowvelocitycloudchart

5总结

为减小送风对车间气流流场的影响，送风口一般选用为有一定角度的百叶风口；为减小施工时造成的误差，在安装期间需考虑气流的角度对设备区域的影响，设计时考虑采用孔板送风、双层百叶送风口或降低送风口风速；在南侧和东侧下送风口不宜直接对着设备方向，在送风口和设备中间增加障碍物，使得气流不会影响设备区域。

1）系统的送风气流应以最短距离，不受污染地直接送到工作区，并且尽量覆盖工作区，使污染物在扩散之前就被携带到排风口；

2）减少涡流，避免把工作区以外的污染物带入工作区；

3）控制上升气流的产生，防止灰尘的二次飞扬，以减少对工件的污染；

4）工作区的气流组织力求均匀，以满足生产工艺和卫生的要求。

参考文献：

1、中华人民共和国信息产业部.洁净厂房设计规范GB50073-2013[S]，北京：中国计划出版社2013-09-01

2、中华人民共和国建设部.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB50736-2012[S]，北京：中国建筑工业出版社2012-08-01

3、薛殿华.空气调节[M].北京：清华大学出版社1999.05

4、冯树根两种高效空气过滤器送风口特性分析比较.建筑热能通风空调2008.8

5、陶文铨.数值传热学（第三版）[M]，西安：西安交通大学出版社.1988