有壓差空間之間墻洞的氣流分析

曲志君

0 引言

在很多工業(yè)和民用建筑中，為防止氣體從污染區(qū)流向潔凈區(qū)，或者為防止火災(zāi)情況下火勢向逃生通道蔓延，會用到加壓送風(fēng)等方法使相鄰空間形成壓力差［1］，從而實(shí)現(xiàn)空氣單向流動。為保證相鄰兩空間固定的壓力差，在建筑設(shè)計時常設(shè)置壓差閥調(diào)節(jié)兩室壓力。但有時兩室之間需在隔墻處開孔洞以用于物品傳送。此情況下，如何保證兩室壓差，并避免墻洞處高風(fēng)速氣流對低壓室引起的不利影響，成為暖通設(shè)計的重要問題。

1 實(shí)際案例

天津某食品加工廠內(nèi)有生鮮區(qū)和食品加工區(qū)兩種存儲加工區(qū)域。因工藝要求，需將食品從生鮮區(qū)傳送至熟食加工區(qū)，兩區(qū)之間隔墻有5個400mm×250mm的矩形傳送孔，傳送孔中心距為1.4 m，孔洞距地面1.2 m。因兩區(qū)潔凈等級不同，要求熟食加工間與生鮮儲藏間保持5 Pa～10 Pa的壓差(熟食區(qū)為高潔凈等級側(cè))，并要求給出低壓側(cè)風(fēng)速小于0.5 m/s的區(qū)域。現(xiàn)兩區(qū)的正壓狀態(tài)通過潔凈送風(fēng)量控制。熟食加工間尺寸為10 m×8 m×6 m，生鮮儲存間尺寸為10 m×25 m×6 m(L×W×H)。隔墻長度10 m，高度6 m，厚度240mm。加工區(qū)域示意圖見圖1。

圖1 加工區(qū)域示意圖

圖2 傳送孔周圍網(wǎng)格

2 墻洞處氣流理論分析

2.1 墻洞阻力分析

墻洞處有氣流通過，存在阻力損失，其中包括從高壓空間進(jìn)入墻洞的局部阻力損失Δpjj，氣流通過墻洞的沿程阻力損失Δpm，從墻洞流出進(jìn)入低壓側(cè)的局部阻力損失Δpjc。

局部阻力計算公式［2］為:

其中，ζ為局部阻力系數(shù);ρ為空氣密度，kg/m3;v為ζ與之對應(yīng)的斷面流速，m/s。

沿程阻力計算公式［2］為:

其中，λ為摩擦阻力系數(shù);Rs為風(fēng)道的水利半徑，m;l為風(fēng)道長度，m;v為風(fēng)道內(nèi)空氣平均流速，m/s。

2.2 墻洞射流分析

墻洞中的氣體射流入低壓空間后，射流氣體與低壓空間的空氣相互作用，不斷摻混室內(nèi)空氣，使射流速度不斷下降。并受到室內(nèi)空氣粘滯性作用，射流氣體的動能逐漸損失，最終速度降低為零。

等溫自由射流計算公式［4］為:

射流橫斷面直徑計算公式［4］為:

其中，x為射流的射程，m;vx為射程x處射流軸心速度，m/s;v0為射流出口速度，m/s;a為噴口的紊流系數(shù);d0為射流出口直徑或當(dāng)量直徑，m;dx為射程x處射流直徑，m。

2.3 空間壓差與墻洞之間的關(guān)系

因?yàn)橥ㄟ^墻洞氣流的能量均是由壓差引起的，在流動的過程中存在動能與勢能的轉(zhuǎn)化，符合伯諾里方程，所以氣流通過墻洞的阻力損失和氣流動能之和等于壓差的值。

空氣從高壓空間進(jìn)入墻洞，為從大空間進(jìn)入小空間。而空氣從墻洞進(jìn)入低壓空間，為從小空間進(jìn)入大空間。從書籍［2］查表可得從高壓空間進(jìn)入墻洞的局部阻力系數(shù)ζj為0.5;從低壓空間進(jìn)入墻洞的局部阻力系數(shù)ζc為0。將值代入式(5)可得:

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 數(shù)值計算控制方程及網(wǎng)格劃分

數(shù)值計算模型的通用控制方程［5］為:

本文模擬采用商業(yè)軟件FLUENT，采用κ—ε兩方程模型。計算中假設(shè)兩側(cè)空氣溫度一致，因此沒有能量交換，所以在計算時關(guān)閉能量項。

因?yàn)閭魉涂紫鄬煞块g對稱(見圖2)，為簡化數(shù)值計算，只對房間的一半劃分體網(wǎng)格。傳送孔處采用邊界層網(wǎng)格，孔周圍網(wǎng)格最密，向周圍逐漸變粗。

3.2 邊界條件的設(shè)置

熟食加工區(qū)除隔墻以外墻壁設(shè)為壓力入口邊界，入口壓力為5 Pa;生鮮儲藏間除隔墻以外墻壁設(shè)為壓力出口邊界，出口壓力為0 Pa。兩房間中間垂直面設(shè)置為對稱面。其他壁面設(shè)為絕熱。

4 墻洞氣流的理論計算與數(shù)值計算

4.1 理論計算

由于工程上的風(fēng)道內(nèi)氣流一般為紊流，因此在計算時，首先假設(shè)傳送孔內(nèi)空氣為紊流，從而可得出摩擦阻力系數(shù)λ=0.715。

根據(jù)兩空間壓差和傳送孔的尺寸，由式(6)可得出傳送孔平均風(fēng)速 v=2.2 m/s。

因低壓側(cè)為生鮮儲藏區(qū)，如果長時間有氣流吹過生鮮食品，容易使食品失水變質(zhì)。因此需計算出儲物間風(fēng)速低，適于放置生鮮食品的區(qū)域。

現(xiàn)計算空洞氣流速軸心風(fēng)速為0.5 m/s處的位置，由式(3)可得x=6.06 m。由式(4)可得vx=0.5 m/s時射流斷面直徑dx=4.42 m。傳送孔間距為1.4 m，因此此時射流之間已經(jīng)相互交叉。同樣由式(3)和式(4)可以計算出射流交叉位置x=1.606 m。

4.2 數(shù)值計算

用數(shù)值計算得到熟食加工區(qū)和生鮮儲藏區(qū)的壓力場和速度場。由數(shù)值計算結(jié)果可以看出，由于傳送孔兩側(cè)存在壓差，空氣從高壓側(cè)射流入低壓側(cè)。

圖3 數(shù)值模擬射流軸心速度

圖3給出了射流軸心速度隨射程的變化關(guān)系?？諝膺M(jìn)入低壓側(cè)后，隨著射程的增大，射流軸心速度迅速衰減。但當(dāng)?shù)竭_(dá)一定速度后(0.5 m/s)，速度衰減很慢。

圖4 數(shù)值模擬速度云圖

圖4給出了傳送孔處水平和豎直方向的速度云圖。從圖4a)看出空氣從傳送孔射出后，各傳送孔處射流雖然有交叉，但交叉區(qū)域風(fēng)速較低，最高風(fēng)速也只有0.6 m/s左右。最后，五個傳送孔中氣體匯合，形成一股大的低速氣流。從圖4b)看出在豎直方向射流幾乎沒有受到地面的影響，因此在理論計算中視為自由射流是合適的。

4.3 理論與數(shù)值計算結(jié)果的比較

數(shù)值計算得出傳送孔平均風(fēng)速2.147 m/s。理論值與數(shù)值計算值相近，誤差僅為2.5%。

數(shù)值計算得到墻洞射流軸心風(fēng)速為0.5 m/s，所達(dá)到的位置為距離隔墻4.9 m處。距離隔墻6 m處風(fēng)速為0.45 m/s。從圖3可以看到，風(fēng)速達(dá)到0.6 m/s后，墻洞射流軸心風(fēng)速隨距離的變化很緩慢，在此情況下理論計算得出準(zhǔn)確值是有困難的，因此數(shù)值解與理論解存在略微的偏差。由射流理論可以得出，在射流斷面直徑處，氣流速度遠(yuǎn)小于射流軸心速度，這在數(shù)值模擬中得到肯定。因此暖通設(shè)計中可以用射流斷面直徑的方法估算低壓側(cè)的氣流速度。

5 工程實(shí)例的設(shè)計

5.1 熟食加工區(qū)和生鮮儲藏區(qū)壓差的實(shí)現(xiàn)

從前面4.1的分析中已經(jīng)得到傳送孔內(nèi)的風(fēng)速，且已知傳送孔的尺寸(400mm×250mm)與個數(shù)(5個)，便可以得到從熟食加工區(qū)進(jìn)入生鮮儲藏區(qū)的風(fēng)量。

從熟食加工區(qū)進(jìn)入生鮮儲藏區(qū)的風(fēng)量為:

因此只要保證兩區(qū)域的風(fēng)量差，便可以保證兩區(qū)域的壓力差為5 Pa。

5.2 生鮮儲藏區(qū)低風(fēng)速區(qū)域計算

從4.1已經(jīng)計算出vx=0.5 m/s時射流斷面直徑為4.42 m。因此可以估算生鮮區(qū)低風(fēng)速區(qū)域?yàn)樽钔鈧?cè)傳送孔中心2.21 m以外的區(qū)域?yàn)榈陀?.5 m/s的低速區(qū)域。

6 結(jié)語

由理論與數(shù)值計算的比較，理論值與數(shù)值計算值接近，因此式(5)的推導(dǎo)是準(zhǔn)確的，可以用于工程計算，以及用于判斷兩壓差房間隔墻墻洞內(nèi)的軸心風(fēng)速和洞孔尺寸的設(shè)計。

為保證食品質(zhì)量，防止食品長期處于風(fēng)速下而風(fēng)化，低壓空間側(cè)的食品應(yīng)遠(yuǎn)離墻洞軸線的高風(fēng)速區(qū)域。在工程應(yīng)用中，為判斷低風(fēng)速區(qū)域的范圍，可先計算出符合工程要求的射流軸心風(fēng)速的位置，后計算此位置處的斷面直徑。此斷面直徑外區(qū)域?yàn)榉瞎こ桃蟮牡惋L(fēng)速的區(qū)域。

［1］ GB 50016-2006，建筑設(shè)計防火規(guī)范［S］.

［2］ 薛殿華.空氣調(diào)節(jié)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1991:239-250.

［3］ 蔡增基，龍?zhí)煊?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［4］ 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1993:1886-1964.

［5］ S.V.Patankar.傳熱與流體流動的數(shù)值計算［M］.北京:科學(xué)出版社，1984:84-86.