動(dòng)車檢修庫(kù)無(wú)罩引風(fēng)系統(tǒng)性能研究

陳 方，廖義德，郭 敏，談文鑫，鄒軍軍

(武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

動(dòng)車基地的檢修庫(kù)可對(duì)多輛動(dòng)車組同時(shí)進(jìn)行拆裝和檢修，動(dòng)車組在進(jìn)庫(kù)檢修的過(guò)程中，其變電柜和空調(diào)裝置是處于工作狀態(tài)的，散熱器通過(guò)兩個(gè)熱風(fēng)出口向外排出45 ℃左右的熱空氣，其排量之和約為6 000 m3/h，而通常一列動(dòng)車組有16節(jié)車廂，熱風(fēng)總排量高達(dá)96 000 m3/h.在炎熱的夏季，當(dāng)動(dòng)車組數(shù)量增多時(shí)，庫(kù)內(nèi)氣溫將非常高，即使采用空調(diào)制冷措施也難以有效控制庫(kù)內(nèi)氣溫，給檢修工作帶來(lái)不利.

1 無(wú)罩引風(fēng)系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

無(wú)罩引風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示，動(dòng)車組排氣口與地面的垂直距離為1.2 m，排出的熱空氣吹向地面，通過(guò)在地面創(chuàng)建對(duì)應(yīng)吸氣口(與排氣口錯(cuò)位0.4 m左右)并在內(nèi)部安裝風(fēng)機(jī)，從而達(dá)到排出熱空氣、通風(fēng)散熱的目的.

圖1 無(wú)罩引風(fēng)系統(tǒng)示意圖

1.2 射流理論分析

排氣口排出熱空氣屬于氣體紊動(dòng)射流，由于存在速度不等的間斷面，周圍靜止的氣體會(huì)被卷入射流，并因獲得動(dòng)量而隨原射流向前流動(dòng)，而熱空氣速度則會(huì)衰減，并形成一定的速度梯度，這稱為卷吸作用，結(jié)果導(dǎo)致射流斷面不斷擴(kuò)大，流速不斷降低，流量因周圍空氣的卷入而沿程增加，需要加大吸氣能耗才能保證通風(fēng)效果.

1.3 通風(fēng)原理

利用房屋內(nèi)外的壓力差增加空氣流動(dòng)是一種較為普遍的房屋換氣原理：既可使屋內(nèi)氣壓相對(duì)屋外較低(即產(chǎn)生負(fù)壓)，則屋內(nèi)熱空氣會(huì)被吸走；也可使屋內(nèi)氣壓相對(duì)屋外較高(即產(chǎn)生正壓)，如向屋內(nèi)吹風(fēng)以吹散熱空氣，使混合后的空氣從門窗縫隙溢出，但由于檢修庫(kù)內(nèi)部空間巨大，采用這種方法能量消耗大且效果不好，若在熱空氣與庫(kù)內(nèi)空氣混合前就將其單獨(dú)引走，引風(fēng)量和能量消耗就會(huì)減少很多，因此可在吸氣口處安裝風(fēng)機(jī)，當(dāng)熱空氣被引至吸氣口時(shí)利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓差將其排出[1].

引風(fēng)存在有罩和無(wú)罩兩種方案.有罩方案利用吸氣罩和管道引導(dǎo)熱空氣，但管道連接會(huì)對(duì)檢修工作產(chǎn)生影響，且動(dòng)車組隨機(jī)停車時(shí)排氣口與管道的錯(cuò)位補(bǔ)償問(wèn)題也難以解決；無(wú)罩方案則利用氣體動(dòng)能和吸氣口的壓差引導(dǎo)熱空氣，因此，不會(huì)影響檢修工作，但由于卷吸作用的存在，風(fēng)機(jī)需要消耗更多的能量[2].

2 Fluent仿真

2.1 仿真目的

無(wú)罩引風(fēng)方案優(yōu)缺點(diǎn)并存，因此整個(gè)系統(tǒng)的通風(fēng)效果和能量消耗就成為主要研究?jī)?nèi)容，由于還沒(méi)有較為完善的理論計(jì)算方法，因此采用目前常用的Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行建模和仿真[3].

2.2 仿真參數(shù)與模型

已知排氣口流量為0.833 m3/s，面積為0.16 m2，利用Fluent6.3[4-5]對(duì)系統(tǒng)建立2D仿真模型并劃分網(wǎng)格：由圖1可知，略去車輪和檢修軌道，在車身輪廓和地面之間建立內(nèi)部充滿空氣的密閉空間，排氣口為速度進(jìn)口，吸氣口為出口，地面與車身輪廓的邊界條件設(shè)為wall，左右兩邊界因敞開(kāi)環(huán)境而設(shè)為outflow，得到圖2.

圖2 仿真模型及網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 仿真結(jié)果分析

以排氣口排出的熱空氣速度為初始化條件，設(shè)定不同的吸氣口壓差和尺寸，得到仿真結(jié)果，整體速度矢量圖如圖3所示，吸氣口速度矢量圖如圖4所示，吸氣口速度分布圖如圖5所示.

從圖3可看出，大部分熱空氣被順利引至吸氣口.

從圖4可看出，吸氣口處的熱空氣由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓差排出.

圖5顯示了吸氣口速度分布情況，取其平均值作為吸氣口氣體流速.

2.3.1 吸氣流量與能量消耗隨壓差變化情況 當(dāng)吸氣口尺寸固定為0.24 m2時(shí)，分別設(shè)定壓差為500 Pa、700 Pa、900 Pa和1 100 Pa，計(jì)算得到吸氣口流量值和能量消耗功率，如表1和圖6所示.

圖3 整體速度矢量圖

圖4 吸氣口速度矢量圖

圖5 吸氣口速度分布圖

表1不同壓差下吸氣口流量與能耗對(duì)比

Table 1 Deviation of air flow and energy consumption with differential pressure

吸氣口壓差/Pa5007009001 100吸氣口流量/m3·s2.142.322.622.93能量消耗功率/kw1.071.632.353.22

圖6 吸氣口流量與能量消耗功率隨壓差變化圖

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)壓差增大時(shí)，吸氣流量隨之增加，但能量消耗增加得更快，因此需要選擇合適的壓差.

2.3.2 吸氣流量與能量消耗隨尺寸變化情況 當(dāng)吸氣口壓差固定為700 Pa時(shí)，分別設(shè)定其寬度為0.2 m、0.3 m、0.4 m和0.5 m，長(zhǎng)度0.8 m保持不變，計(jì)算得到吸氣口流量值和能量消耗功率，如表2和圖7所示.

圖7 吸氣口流量與能量消耗功率隨尺寸變化圖

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)吸氣口尺寸增加時(shí)，吸氣流量會(huì)增加較快，而能量消耗的增加卻較為緩慢，這是一種較為節(jié)能的增加流量的方法，但需綜合實(shí)際情況而定.

表2 不同尺寸下吸氣口流量與能耗對(duì)比

總體上看，隨著壓差和吸氣口尺寸的增加，吸氣流量會(huì)越來(lái)越大，通風(fēng)效果將更加明顯，但能量消耗也在同時(shí)增大，合理選擇吸氣口尺寸和壓差才是保證無(wú)罩引風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到高效、節(jié)能的關(guān)鍵.

3 無(wú)罩引風(fēng)排熱實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氣溫變化情況驗(yàn)證無(wú)罩引風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際效果.

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

無(wú)罩引風(fēng)排熱實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示.

圖8 無(wú)罩引風(fēng)排熱實(shí)驗(yàn)裝置

空調(diào)排風(fēng)口尺寸為420×250 mm2，熱風(fēng)速度2.9 m/s，熱風(fēng)功率8.4 kw；

引風(fēng)機(jī)風(fēng)管尺寸為340×340 mm2，引風(fēng)量1 635 m3/h，風(fēng)壓500 Pa，電機(jī)功率0.37 kw.

3.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)室空間尺寸為4 300×1 600×2 800 mm3，初始?xì)鉁?1.3 ℃，將空調(diào)排風(fēng)口設(shè)在距離引風(fēng)機(jī)吸氣口1 m，錯(cuò)位0.4 m的位置，先開(kāi)啟空調(diào)不開(kāi)引風(fēng)機(jī)，記錄一小時(shí)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室氣溫隨時(shí)間的變化，得到數(shù)據(jù)1；關(guān)閉空調(diào)，待室內(nèi)氣溫恢復(fù)至自然狀態(tài)后再同時(shí)開(kāi)啟空調(diào)和引風(fēng)機(jī)，記錄一小時(shí)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室氣溫隨時(shí)間的變化，得到數(shù)據(jù)2.將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比如表3和圖9所示.

表3 引風(fēng)機(jī)開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)室內(nèi)溫度的對(duì)比

圖9 引風(fēng)機(jī)開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)的室內(nèi)溫度變化圖

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從以上數(shù)據(jù)可看出，引風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)室內(nèi)氣溫上升幅度較大，1 h內(nèi)上升了10 ℃左右；而開(kāi)啟引風(fēng)機(jī)后室內(nèi)氣溫在1 h內(nèi)僅增加4 ℃，并趨于穩(wěn)定，這直觀地說(shuō)明無(wú)罩引風(fēng)系統(tǒng)具有良好的排熱降溫性能.

4 結(jié) 語(yǔ)

a.無(wú)罩引風(fēng)系統(tǒng)具有良好的排熱降溫性能，但相比有罩系統(tǒng)其能量消耗較大.

b.隨著壓差和吸氣口尺寸的增加，吸氣流量和能量消耗也隨之增大.壓差增大時(shí)能量消耗增幅明顯，而適當(dāng)增加吸氣口尺寸既可保證流量，也不會(huì)使能量消耗增加過(guò)多.因此,需要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇壓差和吸氣口尺寸，保證無(wú)罩引風(fēng)系統(tǒng)的高效和節(jié)能.

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃雪,張慎言. 地下汽車庫(kù)通風(fēng)系統(tǒng)和防排煙設(shè)計(jì)[J].暖通空調(diào),2002(5):66-67.

[2] 黃玉蘭. 風(fēng)機(jī)節(jié)能的方法及途徑[J].洛陽(yáng)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),1999(3):59.

[3] 萬(wàn)鑫,蘇亞欣. 工業(yè)廠房自然通風(fēng)的數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2008(8):103-108.

[4] 郭敏. 基于煙囪效應(yīng)的地下建筑通風(fēng)系統(tǒng)研究[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010，32(11):85-87,90.

[5] 常玉鋒，陳鋒. 排煙方式對(duì)火場(chǎng)人員疏散影響的數(shù)值模型[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010, 32(9):46-49.