某工業廠房車間室內風環境模擬分析

王增凱,周慧文

(1.廈門鼎泰和金融中心開發有限公司 福建廈門 361012;2.杭州華電華源環境工程有限公司 浙江杭州 310030)

某工業廠房車間室內風環境模擬分析

王增凱1,周慧文2

(1.廈門鼎泰和金融中心開發有限公司 福建廈門 361012;2.杭州華電華源環境工程有限公司 浙江杭州 310030)

工業廠房車間的空氣質量是影響生產效率和人體熱舒適的一個重要因素，利用自然通風改善一般性生產廠房車間的空氣環境有著重要的意義，在滿足人體熱舒適要求的前提下，能節約生產成本，降低建筑能耗。通過采用STAR-CCM+軟件，對浙江某一般性生產工業廠房車間的室內風環境進行了模擬分析，分析顯示該車間外圍護結構布局合理，空氣流動暢通，可形成穿堂風，車間的換氣效率較高，該廠房利用自然通風能滿足生產使用要求。結果表明為一般性生產工業廠房做自然通風模擬分析可用于指導工業廠房車間合理布局與建設。

工業廠房;室內風環境;數值模擬;STAR-CCM+

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引 言

隨著社會經濟的不斷發展，工業廠房的建設也越來越受到人們的重視。目前，對于大多數工業廠房來說，通風既能夠改善車間內空氣環境，還是保證產品質量、保證車間作業人員熱舒適及促進生產發展的重要措施之一[1]。

工業廠房的通風方式主要有兩種：一種是自然通風，另一種是機械通風[2]。目前，很多地區的一般性生產(即正常環境下生產)工業廠房在夏季和過渡季節都采用自然通風的形式,以節約建筑運行能耗、降低生產成本[3]。自然通風是一種利用室外新鮮空氣來改善室內空氣品質的被動式節能技術。眾多國內外優秀的綠色、節能、生態建筑都采用此項技術作為其亮點之一。自然通風不僅能滿足過渡季室內通風換氣的要求，同時也可大幅度降低機械通風設備的能耗。機械通風是以風機為動力，效果比較穩定，但設備費用高。

對于生產過程中基本沒有有害廢氣產生，散熱量小的廠房，僅分析風壓作用下的自然通風的效果，不考慮熱壓作用下的自然通風。通過采用STAR-CCM+軟件對廠房車間進行車間內風環境模擬。對風速和空氣齡兩大因素的分析，得出該廠房有較好的自然通風效果。

1 STAR-CCM+介紹

STAR-CCM+(Computational Continuum Mechanics)是CD-adapco集團推出的新一代CFD軟件。其采用連續介質力學數值技術 (computational continuum mechanics algorithms)，并和卓越的現代軟件工程技術結合在一起，擁有出色的圖形處理性能和數據分析能力，是熱流體分析工程師強有力的工具。它搭載了CD-adapco獨創的最新網格生成技術，可以完成復雜形狀數據輸入、表面準備、表面網格重構、自動體網格生成(包括多面體網格、六面體核心網格、十二面體核心網格、四面體網格)等生成網格所需的一系列作業[4]。

STAR-CCM+使用CD-adapco倡導的多面體網格，相比于原來的四面體網格，在保持相同計算精度的情況下，可以實現計算性能約3～10倍的提高。

2 模擬概述

2.1 廠房概況

圖1 廠房幾何模型

廠房位于浙江臺州，占地面積約3500，其幾何模型如(圖1)所示，長72m,寬48m，高13m，其勞動定員20人，生產班制為2班制，年工作時間為130d。主要分布在過渡季節。該廠房主要作為塑料管材設備堆料、貼標和中轉庫使用，基本無設備散熱。車間內沒有高大障礙物阻擋，生產過程中基本不釋放粉塵和有害氣體，設備散熱量可忽略不計，該廠房迎風面和背風面的開孔面積占外墻面積的25%以上，廠房內主要熱源為人體和機器，為了提高模擬的精度，假定車間內熱源為理想的面熱源，主要位于地面，最大發熱量為10W/，其他四面墻和屋頂絕熱。依據廠房所在地區累年氣象數據，假設在過渡季節室外氣溫為27℃，風向為過渡季主導風向，東北偏北風，風速為5.25m/s。

2.2 計算方法

本次模擬采用Standard k-e湍流模型對本廠房的室外車間內自然通風進行分析計算。CFD的控制方程由連續性方程、動量方程、能量方程和組分方程組成。

連續性方程：

動量方程X、Y、Z三個方向：

X方向

Y方向

Z方 向

能量方程：

湍流模型中的湍動能k和湍動耗散率e的控制方程為

離散方程采用有限容積法(FiniteVolumeMethod，FVM)。

2.3 邊界條件設置

(1)梯度風邊界設置

建筑物附近的風速可以按照大氣邊界層理論和地形條件來確定。不同地形下的風速梯度也不一樣，可以用以下的公式表示：

式中：

Vh—高度為h處的風速，m/s；

V0—基準高度h0處的風速，m/s，一般取10 m處的風速；

n—指數。根據《建筑結構荷載規范》GB 50009—2012，本廠房車間內自然通風模擬中設置n值為0.22。

(2) 出口邊界條件

計算區域的出口為自由出口，壓力設置為環境壓力值

(3)計算收斂判斷

CFD數值模擬的終止標準按連續性方程與動量方程殘差為10-3以下，能量方程殘差為10-6以下，收斂曲線如(圖2)所示：

圖2 計算收斂曲線

3 模擬分析

3.1 物理模型與網格劃分

圖3 工業廠房車間三維建模模型

由于實際廠房車間內配置比較復雜，完全按照實際建立模型對計算機硬件配置要求較高，所以對該車間廠房進行了合理的簡化，具體模型如(圖3)所示。

網格的生成對軟件計算有著至關重要的作用，決定模擬能否成功。最主要的網格有結構化網格、非結構化網格與自適應笛卡爾網格[5]。由于本廠房模型尺寸較大，采用非結構化網格生成的網格數要遠遠大于結構化網格數，對計算機硬件的配置就比較高，相對計算的時間也長，所以本文采用六面體結構網格劃分計算區域，網格總數為200萬。

3.2 計算結果及分析

圖4 距地1.5m高度的溫度分布云圖

圖5 距地1.5m高度的速度矢量圖

圖6 距地1.5m高度的速度分布云圖

圖7 距地1.5m高度的空氣齡分布云圖

(圖4～圖7)分別給出了廠房車間距地1.5米高的溫度云圖,速度矢量圖，速度云圖和空氣齡分布云圖。

由(圖4)可以看出，當室外溫度為27℃，車間內最大發熱量為10W/的情況下，通過自然通風能迅速帶走熱量使車間內的溫度控制在27.00至27.89℃。

結合(圖5)和(圖6)可看出：在過渡季主導方向NNE，5.25m/s的風速作用下，該廠房主要使用空間空氣流通較為順暢。風從廠房東北側進入，穿過車間，由西南側離開廠房。車間內風速基本在0.30-2.80m/s之間。東北側風速在1.00-2.80m/s；西南側風速較小，在0.30-0.60m/s之間。

由(圖7)可以看出整體車間車間內空氣流通較為順暢，東北側車間空氣齡較小，在60-120s之間；西南側車間空氣齡較大,在120-220s之間。總體上可以滿足車間內空氣更新的需求。

4 結論

通過采用STAR-CCM+軟件對浙江某廠房的自然通風狀況做模擬分析，結果顯示車間的朝向與主導風向具備較大的夾角，有利于廠房外空氣進入車間。當車間最大發熱量10W/，室外溫度為27℃，車間內溫度保持在27.00至27.89℃，能起到很好的降溫目的。車間主要使用空間有較好的氣流組織，能夠形成“穿堂風”的通風方式，滿足車間生產使用要求，。迎風側的主要使用空間平均風速均在0.6-2.5m/s左右，車間內空氣流通順暢，車間空氣齡較小，基本滿足車間內空氣換氣次數的要求，上述幾點都達到了《工業企業設計衛生標準》第6條所述對工業廠房通風散熱的要求。

綜上分析，由于該車間生產過程中基本不產生粉塵和有害氣體，車間生產過程中散熱量也可忽略不計，且車間一年中使用時段基本分布在室外環境基本滿足人體熱舒適的過渡季節，因此可通過合理的廠房設計布局，利用自然通風即能使廠房滿足生產使用要求。該廠房無需設置通風和空調系統，大大節約了生產成本和建筑能耗。

[1]任春霞．工業廠房通風設計淺談[J]．城市建設理論研究(電子版)，2011，(33)．

[2]申要飛．工業廠房通風設計探析[J]．山西建筑，2013，4(10)：114-115．

[3]薛宇峰．太陽能煙囪對工業廠房自然通風影響的數值研究[D]．東華大學，2011．

[4]邱靜，王國志，李玉輝．基于STAR-CCM+的簡單流體模型CFD研究[J]．液壓氣動與密封，2010，30(10)：8-10．

[5]谷現良．鋁電解廠房自然通風模擬及設計方法研究[D]．哈爾濱工業大學，2005．

Indoor Wind Environment Simulation Analysis of an Industrial Plant Workshop

WANGZengkai1,ZHOUHuiwen2

(1. Ding Tai he financial center of Xiamen Development Co., Ltd. Xiamen 3610122. Hangzhou Huadian Huayuan Environmental Engineering Co., Ltd. Hangzhou 310030)

Industrial plant workshop air quality is an important factor which affecting the productivity and human thermal comfort, it has important significance to improve general production factory workshop air environment by use of natural ventilation, to meet the thermal comfort requirements of the premise, it can reduce production costs and reduce building energy consumption. By using STAR-CCM + software, Zhejiang, a general production of industrial plant workshop indoor air environment is simulated and analyzed, the analysis showed that the external structure workshop rational layout, the air flow unimpeded, which can form drafts, with High ventilation efficiency in workshop, the use of natural ventilation plant can meet the production requirements in this plant. The results show that the simulation analysis for the general production of industrial plants can be used to guide the rational distribution of industrial plants and construction of the workshop.

Industrial plant workshop;Indoor wind environment;Numerical simulation;STAR-CCM+

王增凱(1982- )，男，工程師。

2015-04-11

TU96+2

A

1004-6135(2015)06-0101-03