送風入射角對機械通風的影響研究

唐長江

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送風入射角對機械通風的影響研究

唐長江

（中機中聯工程有限公司 重慶 400039）

采用CFD技術對某火電廠配電間的機械通風降溫效果進行了數值模擬分析，重點探討了送風入射角度對設備散熱的影響。研究結果表明，送風入射角度對室內溫度場和速度場以及熱源換熱有較大影響。送風入射角為60°時，送風氣流大部分直接流向熱源區，此時速度分布較為均勻，且配電間各典型位置溫度最低；綜合配電間溫度場、速度場和各典型位置溫度分布情況，可以認為送風入射角為60°時，通風降溫的效果最佳。

火電廠配電間；機械通風；送風入射角度；CFD模擬

0 引言

配電間是電廠內重要的設備房間，室內一般布置一套至多套配電系統。配電系統一般包括配電盤、變壓器及母線橋等，其中配電盤和變壓器為主要的發熱設備，需通風降溫。配電間為封閉式房間，室內設備發熱量較大，且電廠空氣含塵量較大，僅自然通風無法滿足設備的通風降溫要求；所以配電間通常采用正壓送風加機械排風的方式通風降溫。目前在工程實踐和設計中，配電間通風量按照熱平衡且采用均勻混合通風假設來確定，送風入射角多憑經驗取值；這種設計方法沒有充分考慮有限空間強熱源擾動引起的氣流和溫度分布不均的影響，實際的通風效果不能達到理想狀態。因此，通過理論研究尋求合理的送風方式是配電間通風系統設計和優化的重要前提。

另一方面，計算流體力學CFD是通過數值模擬方法，分析流體流動和傳熱等物理現象的技術[1]；隨著計算機技術的發展，CFD技術也日趨成熟，目前已廣泛地用來解決各種工程流動和傳熱問題[2]。而且近幾年來，數值模擬方法越來越多地應用到暖通空調領域，用于分析工程問題的速度場、溫度場、污染物濃度場等，成為了工程設計領域不可缺少的手段和方法[3]。

本文將采用CFD模擬技術對某火電廠配電間機械通風進行數值模擬分析，研究其室內溫度場、速度場分布規律，并在此基礎上分析不同的入角度送風對室內通風降溫效果的影響特征，從而得出最佳通風方案。本文研究結果將為火電廠配電間通風設計提供技術參考[4-7]。

1 配電間通風的CFD模擬方法

1.1 物理模型

某火電廠配電間建筑尺寸為7.5m（長）×15m（寬）×4.2m（高）。室內有1m（長）×1m（寬）×2.2m（高）的配電盤10個；1m（長）×0.8m（寬）×2.2m（高）配電盤12個；1.45m×（長）2.2m（寬）×2.2m（高）的變壓器2個，上述設備均為熱源。用一臺送風機和四臺排風機進行機械排風，送風機風口尺寸為510mm×360mm（長×寬）3個，排風口尺寸為460mm×460mm（長×寬）4個。在CFD模擬過程中進行了部分簡化，具體如下：

（1）配電盤和變壓器均為對稱排列，各自定義為兩個整體。

（2）因為相對于配電盤和變壓器，室內的照明，電線等發熱量較小，不予考慮。

（3）由于建筑體量較大，且設備均為對稱布置，所以本次模擬建模取實際模型一半即可[8]。

根據以上簡化，建立物理模型如圖1所示。送風口設置在送風管上，距地面3.1m；排風口設在建筑的側墻上，距地面2.77m處。圖中Inlet 為送風口，out let 為排風口；pei dian pan和bian ya qi為內熱源。

圖1 物理模型

1.2 數學模型

采用控制方程包括連續性方程、動量方程和能力方程，如下所述：

（1）連續性方程

（2）動量方程

（3）能量方程

（4）紊流能量耗散方程

（5）紊流能量傳遞方程

紊流模型采用-雙方程紊流模型。壁面按照固體壁面無滑移邊界條件處理，-模型的近壁面處理采用標準壁面函數法[9]。由于房間壁面換熱較小，采用絕熱邊界條件；送風口采用速度入口邊界條件（Velocity inlet），風速為9m/s，室外通風溫度取306K；取送風入射方向與垂直立面之間的角度為送風角度；排風口采用壓力出口邊界條件（Pressure outlet）；內熱源采用除地面外的其余五個面為面熱源邊界條件，配電盤熱流密度為57.6W/m2，變壓器熱流密度為758.4W/m2；地面（包括熱源底面）和墻體為絕熱邊界條件（wall）；中心面為對稱面邊界條件（symmetry）。另外根據本通風設計參數，出口溫度定為313K[10]。

基于以上的模型和邊界條件，采用有限體積法對方程進行離散，其中對流項采用二階迎風格式，離散方程的求解采用速度和壓力的藕合采SIMPLEC算法進行求解[11,12]。

2 模擬結果分析與討論

2.1 室內溫度場分布

圖2～圖7給出了送風入射角在15°～90°范圍內的室內高度2.2m斷面的溫度場。

可以看到，溫度場分布距熱源位置越近溫度越高，且在變壓器周圍溫度達到最高。另一方面，當送風入射角在15°～60°范圍內變化時，斷面平均溫度隨著送風入射角度的增大呈下降趨勢，入射角在60°時降至最低值；當送風入射角在60°～90°范圍變化時，斷面平均溫度隨著送風入射角的增大呈上升趨勢，入射角在90°時達到最大值。其中送風入射角15°時，室內環境最為惡劣，遠遠超出設計要求。

圖2 入射角15度時2.2米溫度分布

圖3 入射角30度時2.2米溫度分布圖

圖4 入射角45度時2.2米溫度分布

圖5 入射角60度時2.2米溫度分布

圖6 入射角75度時2.2米溫度分布

圖7 入射角90度時2.2米溫度分

2.2 室內速度場分布

圖8～圖10分別是送風入射角為15°、60°、90°時的熱源中心垂直面的空氣流場分布圖。從圖中可以看到，送風入射角為15°和90°的空氣流場中有較多的漩渦區，整體分布不均勻；當入射角為15°時送風氣流大部分向下流動，產生漩渦，水平方向流動較弱；當入射角為90°時送風氣流大部分朝水平方向流動，垂直方向流動較弱，且在水平方向上產生回流。當入射角為60°時送風氣流分布較為均勻，在熱源集中區域的風速普遍較高，效果明顯，氣流組織更合理。

圖8 入射角15度時X=2.1m流場分布

圖9 入射角60度時X=2.1m流場分布圖

圖10 入射角90度時X=2.1m流場分布圖

2.3 模擬數據討論

針對模擬結果：（1）取可代表熱源周圍溫度的三個平面的平均溫度（Z=0.1m平面、Z=1.1m平面，Z=2.1m平面）；（2）取離高溫面熱源變壓器附近中心點作平均溫度（點1：X=1.1m，Y=2.1m，Z=1.1m；點2：X=2.7m，Y=2.1m，Z=1.1m）；（3）取X方向典型平面（X=2.7m平面）平均溫度。

對上述（1）、（2）、（3）三種方式所取典型面和點的溫度進行比較分析，結果如圖11所示。

圖11 各溫度隨不同入射角的分布圖

3 結論

（1）當送風入射角在60°～90°范圍內時，通風效果能達到設計要求。

（2）當送風入射角在15°～90°范圍內變化時，各垂直斷面的平均溫度先下降再升高；送風入射角為60°時該位置溫度最低。

（3）當入射角為60°時送風氣流大部分直接流向熱源區，且速度分布較為均勻。

（4）綜合配電間溫度場、速度場及各典型溫度分布情況，可以認為送風入射角為60°時，通風降溫的效果最佳。

總之，不同的送風入射角度對室內通風降溫影響很大，在工程中需要結合實際，選擇最優的送風入射角度，才能達到更好的通風效果。

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Influence of Incident Angle of Supply Air on Mechanical Ventilation

Tang ChangJiang

( CMCU engineering Co., Ltd, Chongqing, 400039 )

The numerical simulation analysis method was used to study the cooling effect of mechanical ventilation in a heat-engine plant distribution room. The influence of incident Angle of supply air on equipment cooling was mainly discussed. Research results showed that the incidence angle of supply air had a great influence on indoor temperature field, velocity field and heat transfer of equipment. When the incident angle of air supply was 60°, most of the supply air flowed directly into the heat source area, and the velocity distribution was relatively of uniformity. Besides, there was the lowest temperature in the typical positions of the room. Thus, it can be deduced from the temperature field, velocity field and the temperature distribution of typical position that when the incidence angle is 60°, the ventilation cooling effect is best.

heat-engine plant distribution room; mechanical ventilation; incident Angle; CFD simulation

1671-6612（2016）05-577-05

TU834.29

A

2015-08-20

作者（通訊作者）簡介：唐長江（1987-），男，碩士，助理工程師，E-mail：tchangjiang@126.com