狹長(zhǎng)空間強(qiáng)擾動(dòng)排熱通風(fēng)量的優(yōu)化研究

劉靜 張旭 羅平

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

狹長(zhǎng)空間強(qiáng)擾動(dòng)排熱通風(fēng)量的優(yōu)化研究

劉靜 張旭 羅平

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

針對(duì)存在強(qiáng)擾動(dòng)氣流的狹長(zhǎng)空間內(nèi)熱量不容易排出的問(wèn)題，本文采用全面通風(fēng)的手段來(lái)消除空間內(nèi)持續(xù)散發(fā)的大量熱量，并依據(jù)相似理論，利用Revit軟件輔助設(shè)計(jì)搭建了模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)不同熱射流溫度及對(duì)應(yīng)不同排熱通風(fēng)量的排熱效果進(jìn)行了優(yōu)化研究。文中以評(píng)價(jià)全面排熱通風(fēng)量效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)——排熱效率為參考，得到熱射流溫度在小于591K的范圍內(nèi)，最優(yōu)的全面排熱通風(fēng)量值約為144.7萬(wàn)m3/h，當(dāng)熱射流溫度位于591～709K時(shí)，最優(yōu)的全面排熱通風(fēng)量值約為159.7萬(wàn)m3/h。

狹長(zhǎng)空間全面通風(fēng)相似原理排熱效率

由于狹長(zhǎng)型建筑橫縱面較大，橫截面積較小，空間內(nèi)如果產(chǎn)生大量的熱量難以有效排出，嚴(yán)重影響了空間內(nèi)部人員的生命安全。對(duì)于這類長(zhǎng)徑比較大的狹長(zhǎng)空間，由于其內(nèi)部的氣流方式的特殊性，所以有必要對(duì)其進(jìn)行專門(mén)的分析與研究[1]。現(xiàn)在常用的控制狹長(zhǎng)空間內(nèi)溫度場(chǎng)方法有底部有進(jìn)風(fēng)柵的置換通風(fēng)方法等[2～4]。在對(duì)這些方法進(jìn)行分析后，針對(duì)本研究課題的特殊性，對(duì)其采用全面排風(fēng)的方式來(lái)及時(shí)消除內(nèi)部的大量熱量，保證人員的可居留性。本研究針對(duì)該狹長(zhǎng)型空間展開(kāi)研究，分析在全面通風(fēng)方式下，不同的通風(fēng)量與不同的熱射流溫度對(duì)排熱效果影響的規(guī)律，并得出不同熱射流溫度下合適的全面通風(fēng)量。

目前對(duì)于矩形狹長(zhǎng)隧道型空間的研究較少，同時(shí)由于其過(guò)程較復(fù)雜，也不可用一般的解析求解方法[5]，故采用相對(duì)原理對(duì)其進(jìn)行近似后使用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)該狹長(zhǎng)空間進(jìn)行研究[6～8]。該研究的實(shí)際問(wèn)題雖然具有一定的特殊性，但研究成果依然可對(duì)諸如采空區(qū)的瓦斯?jié)舛葓?chǎng)等多源匯的通風(fēng)問(wèn)題[9]等有一定的借鑒價(jià)值。

1 復(fù)雜擾量及排熱問(wèn)題的難點(diǎn)分析

該實(shí)際工程為一個(gè)一端開(kāi)啟一端封閉的矩形狹長(zhǎng)隧道型空間，尺寸為132m×16.6m×8.9m，靠近封閉一端兩側(cè)有對(duì)稱排風(fēng)口，對(duì)空間進(jìn)行單向全面排風(fēng)?？臻g內(nèi)存在兩對(duì)強(qiáng)擾動(dòng)氣流，在靠近開(kāi)啟一端放置有一個(gè)不規(guī)則組合體，兩股熱射流與兩股工藝氣流均存在于該組合體的范圍內(nèi)。其中兩股高溫?zé)嵘淞鲄?shù)相同，從空間內(nèi)吸氣，加熱后重新噴到空間內(nèi)，熱射流出口為直徑900mm的圓形風(fēng)口，與垂直方向成30°角，源流進(jìn)口為3m×2.4m的矩形風(fēng)口；該空間內(nèi)同時(shí)存在兩股工藝氣流，空氣由組合體上的條形風(fēng)口吸入，垂直地面方向吹出。工程主要靠全面通風(fēng)的手段來(lái)消除熱射流產(chǎn)生的大量熱量，使其不會(huì)造成空間內(nèi)的人員傷亡。研究對(duì)象狹長(zhǎng)空間及內(nèi)擾布置示意圖如圖1。

在該工程中，強(qiáng)擾動(dòng)氣流中的源特征氣流有熱射流出風(fēng)口、工藝氣流出風(fēng)口，匯特征氣流有熱射流進(jìn)風(fēng)口、工藝氣流進(jìn)風(fēng)口。由于熱射流出口與垂直方向存在一定夾角，工藝氣流出口方向垂直于地面方向，同時(shí)還存在一股由于全面通風(fēng)形成的橫向氣流，所以空間內(nèi)的氣流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布較為復(fù)雜。故本研究的難點(diǎn)在于，如何在無(wú)法進(jìn)行足尺度實(shí)驗(yàn)的條件下，通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)與計(jì)算對(duì)全面通風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化，得出符合實(shí)際的最優(yōu)全面通風(fēng)量。

2 實(shí)驗(yàn)原理及相似變量確定

本文的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且罁?jù)相似理論搭建而成的，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，用于近似地描述實(shí)際問(wèn)題。

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)相似理論，要保證兩個(gè)流動(dòng)問(wèn)題的力學(xué)相似，必須保證兩個(gè)流動(dòng)幾何相似，運(yùn)動(dòng)相似，動(dòng)力相似，以及兩個(gè)流動(dòng)的邊界條件和起始條件相似。由于流體的運(yùn)動(dòng)微分方程是反映著慣性力、質(zhì)量力、壓力、黏性力和彈性力等諸力的平衡關(guān)系，因此，可以從運(yùn)動(dòng)微分方程中導(dǎo)出相似準(zhǔn)則數(shù)。

式中：△p為壓力差，Pa；ρ為密度，kg/m3；u為流速，m/s；l為長(zhǎng)度，m；v為運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，m2/s；μ為動(dòng)力粘滯系數(shù)，kg/(s·m)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；cp為定壓熱容，kJ/(kg·K)。

要使模型與原型的這四個(gè)準(zhǔn)則數(shù)完全相同幾乎是不可能的，需要對(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。由于Pr只包含流體的物理參數(shù)，當(dāng)期原子數(shù)目一定時(shí)，Pr為一個(gè)常數(shù)，與溫度和壓力無(wú)關(guān)，該研究中用常溫空氣來(lái)模擬非等溫?zé)釤煔饬鲃?dòng)，兩者的Pr數(shù)可以認(rèn)為近似相等；由于可以適當(dāng)增大模型熱射流的Re數(shù)，使其進(jìn)入與實(shí)型相同的自動(dòng)模擬區(qū)，Re即可自動(dòng)相等；同時(shí)由定性物理量組成的相似準(zhǔn)數(shù)，相互間存在著函數(shù)關(guān)系。在考慮不可壓縮流體流動(dòng)的動(dòng)力相似時(shí)，根據(jù)力的多邊形相似法則，決定流動(dòng)平衡的四種力：粘滯力、壓力、重力和慣性力之中，必有一力是被動(dòng)的，只要三個(gè)力分別相似，則第四個(gè)力必然相似。因此，在決定動(dòng)力相似的三個(gè)準(zhǔn)則：Eu，F(xiàn)r，Re中，必有一個(gè)是被動(dòng)的，相互之間存在依賴關(guān)系：Eu=F(Fr，Re)。故可認(rèn)為Eu是被動(dòng)準(zhǔn)則數(shù)，當(dāng)其余三個(gè)準(zhǔn)則數(shù)相似時(shí)，Eu數(shù)自動(dòng)相似。故式（1）轉(zhuǎn)化為：

式中：T0為室內(nèi)空氣溫度，K；Tj為熱射流出口溫度，K；ρ為熱射流出口空氣密度，kg/m3；ρ0為室內(nèi)空氣密度，kg/m3；dj為熱射流出口直徑，m；u為熱射流出口風(fēng)速，m/s；△Tc為熱射流與室內(nèi)空氣溫度之差，℃。

2.2 模型比例尺

根據(jù)相似原理，要保證模型實(shí)驗(yàn)與實(shí)型的相似，需要保證相似準(zhǔn)則數(shù)相等，即：Ar，其中Ar’為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)應(yīng)的阿基米德數(shù)。幾何比例尺：Cl=，溫度比例尺：CT0=，溫差比例尺：，速度比例尺：，風(fēng)量比例尺：。

一般經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦字Z數(shù)的第二臨界值為1×104~ 0.5×104，為了使模型實(shí)驗(yàn)的雷諾數(shù)可以進(jìn)入與實(shí)型相同的自動(dòng)模擬區(qū)，同時(shí)考慮到具體的實(shí)驗(yàn)條件，令Cl=1/12；同時(shí)實(shí)型環(huán)境溫度T0為308.15K，實(shí)驗(yàn)工況溫度T0’為300.15K，可以得到CT0=0.974；又根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)所選風(fēng)機(jī)的性能，與實(shí)型風(fēng)速相對(duì)應(yīng)后可以得到Cu= 0.12。

綜上所述，通過(guò)計(jì)算可得模型比例尺（表1）。

考慮到實(shí)際工程中可能達(dá)到的全面通風(fēng)量與熱射流溫度，依據(jù)比例尺，設(shè)定實(shí)驗(yàn)中全面通風(fēng)量與熱射流溫度如表2、3。

2.3 模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)

運(yùn)用RevitArchitecture軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用RevitMEP軟件對(duì)模型的風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)共有3套風(fēng)系統(tǒng)，分別是模擬工藝氣流風(fēng)系統(tǒng)、模擬熱射流風(fēng)系統(tǒng)及位于封閉端全面通風(fēng)系統(tǒng)。

該實(shí)驗(yàn)涉及到對(duì)熱射流溫度、狹長(zhǎng)空間入口處空氣溫度、全面通風(fēng)出口處空氣溫度的測(cè)量，均使用T型銅-康銅熱電偶探頭（測(cè)量范圍-200℃～350℃，測(cè)量精度為±0.1℃）與HYDRA Fluke數(shù)據(jù)采集儀。同時(shí)有工藝氣流流量與全面通風(fēng)量的測(cè)量，使用微壓計(jì)來(lái)測(cè)量。具體模型見(jiàn)圖2～3。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)在不同熱射流溫度、不同全面通風(fēng)量下模型內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量，用來(lái)研究該矩形狹長(zhǎng)型空間內(nèi)熱射流溫度以及全面通風(fēng)量的改變對(duì)排熱效率的影響。

根據(jù)傳熱學(xué)第一定律，在不考慮該狹長(zhǎng)空間向四環(huán)境漏熱量的基礎(chǔ)上，可知該空間內(nèi)熱平衡方程為：

代入各值即為：

由于：mc≈m0；cc≈c0。定義基于熱平衡方程的排熱效率：

式中：Qc為全面通風(fēng)排風(fēng)口排出總熱量，J；Qj為熱射流進(jìn)入總熱量，J；Q0為全面通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入總熱量，J；mc為全面通風(fēng)出口單位時(shí)間質(zhì)量流量，kg/h；Gc為全面通風(fēng)出口單位時(shí)間風(fēng)量，m3/h；Tc為全面通風(fēng)出口溫度，K；mj為熱射流出口單位時(shí)間質(zhì)量流量，kg/h；Gj為熱射流出口單位時(shí)間風(fēng)量，m3/h；m0為進(jìn)風(fēng)口單位時(shí)間質(zhì)量流量，kg/h；G0為進(jìn)風(fēng)口單位時(shí)間風(fēng)量，m3/h；Ta為矩形狹長(zhǎng)隧道型空間內(nèi)空氣溫度，K。

由于存在空間壁面向四周環(huán)境的熱傳遞，可知該排熱效率小于1。同時(shí)，由該式可知，排熱效率E與風(fēng)量比以及溫度比有關(guān)。其中，風(fēng)量比為全面通風(fēng)出口單位時(shí)間風(fēng)量與熱射流出口單位時(shí)間風(fēng)量的比值，溫度比為熱射流出口溫度與室內(nèi)空氣溫度的比值。

3.1 風(fēng)量比對(duì)排熱效率的影響

通過(guò)當(dāng)熱射流溫度一定時(shí)，改變?nèi)嫱L(fēng)量的方法，可以得到不同的全面通風(fēng)量對(duì)排熱效率的影響規(guī)律，結(jié)果如圖4～5。

在不同熱射流溫度下，隨著全面排風(fēng)量的增加，排熱效率的變化規(guī)律基本相同，但波峰值對(duì)應(yīng)的風(fēng)量略有不同，故將五條曲線分為圖4與圖5。由圖4可得，當(dāng)熱射流溫度分別為462K、509K、591K時(shí)，風(fēng)量比為4.5，即全面通風(fēng)量為144.7萬(wàn)m3/h時(shí)，排熱效率達(dá)到一個(gè)波峰，可作為一個(gè)最優(yōu)的全面通風(fēng)量，往后再加大到160萬(wàn)m3/h風(fēng)量時(shí)，排熱效率會(huì)有所降低，這時(shí)單純靠增大全面通風(fēng)量已經(jīng)不能再得到很好的排熱效果，需要加入其他輔助排熱措施，如噴霧降溫等。由圖5可知，當(dāng)熱射流溫度分別為680K、709K時(shí)，風(fēng)量比為5，全面通風(fēng)量為159.7萬(wàn)m3/h時(shí)，排熱效率可達(dá)到峰值，由此可以確定該溫度下對(duì)應(yīng)的最優(yōu)的全面通風(fēng)量。同時(shí)，圖中射流溫度升高，曲線峰值出現(xiàn)位置的后移；也符合內(nèi)部射流溫度越高，所需求的全面通風(fēng)量越大的常識(shí)。

1）tj=462K時(shí)：

2）tj=509K時(shí)：

3）tj=591K時(shí)：

4）tj=680K時(shí)：

5）tj=709K時(shí)：

對(duì)比公式不難發(fā)現(xiàn)，在所研究的熱射流溫度范圍內(nèi)，當(dāng)其在680K左右時(shí)，C2值最大，即該溫度下排熱效率對(duì)全面通風(fēng)量的變化最敏感，可見(jiàn)，在熱射流溫度為680K左右時(shí)，通過(guò)改變?nèi)嫱L(fēng)量來(lái)提高排熱效率可以收到較好的效果。

3.2 溫度比對(duì)排熱效率的影響

通過(guò)當(dāng)全面通風(fēng)量一定時(shí)，改變熱射流溫度的方法，可以得到不同的熱射流溫度對(duì)排熱效率的影響規(guī)律，結(jié)果如6。

由圖6可以看出，在相同全面通風(fēng)量下，熱射流溫度對(duì)排熱效率的影響較為復(fù)雜，無(wú)法得出一致的規(guī)律。但可以看出，在相同的熱射流溫度下，隨著全面通風(fēng)量的增加，排熱效率整體呈增大的趨勢(shì)，這也印證了圖四與圖5中曲線有上升的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出對(duì)于該存在強(qiáng)擾動(dòng)氣流的矩形狹長(zhǎng)型空間，在消除其高溫余熱的過(guò)程中，熱射流溫度與全面通風(fēng)量的改變對(duì)排熱效果的影響規(guī)律。

1）在同一熱射流溫度下，可以得到一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的排熱通風(fēng)量，在該風(fēng)量下，排熱效率達(dá)到最大值。當(dāng)超過(guò)該合理通風(fēng)量時(shí)，風(fēng)量的增加已經(jīng)不能改善排熱效率，需要引入如噴霧降溫、增加氣流誘導(dǎo)等降溫方式。在實(shí)際工程中，當(dāng)熱射流溫度小于591K的范圍內(nèi)，合適的全面通風(fēng)量值約為144.7萬(wàn)m3/h，當(dāng)熱射流溫度位于591～709K時(shí)，合適的全面通風(fēng)量值約為159.7萬(wàn)m3/h。

2）在實(shí)際工程中，同樣使用改變?nèi)媾艧嵬L(fēng)量的方法來(lái)排出存在強(qiáng)擾動(dòng)氣流的狹長(zhǎng)型空間內(nèi)的熱量，當(dāng)熱射流溫度達(dá)到680K左右時(shí)，排熱效率對(duì)全面排熱通風(fēng)量的改變反應(yīng)更加敏感，此時(shí)通過(guò)改變?nèi)媾艧嵬L(fēng)量來(lái)增加排熱效率的方法更為可行。

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Resea rc h on Op tim iza tiono f Hea t Exhaus t Ven tila tion fo r the Strong Hea t Dis tu rban c e in Long and Na rrow Spa c es

LIU Jing,ZHANG Xu,LUO Ping
CollegeofMachinery and Energy Engineering,TongjiUniversity

As heat is hard to be exhausted in the long and narrow spaceswhich has strong heat disturbance,general ventilation is used in this paper to clear up the heat which continual diffuse in the space.According to the sim ilar principles,an experiment system is set up w ith the help of the software-Revit.In this system,the heat efficiencydifference is given out while hot jet temperature and heat exhaust ventilation rate is varied.Based on the comparison of exhaust heat efficiency in this paper,it shows thatwhen the jet temperature is less than 591K,1.447 millionm3/h is theoptimalventilation rate;when the jet temperature isbetween 591K and 709k,1.597millionm3/h is the optimalventilation rate.

long and narrow space,generalventilation,similarprinciples,heatefficiency

1003-0344（2014）03-001-4

2013-5-7

張旭（1955～），男，博士，教授；上海市同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院（201804）；E-mail:zhangxu-hvac@tongji.edu.cn