CFD模擬及有限元分析在大型氣候實驗室動態負荷計算中的應用

中國航空規劃設計研究總院有限公司 申 劍 傅建勛 劉銀萍

0 引言

負荷計算是暖通設計的基礎，常規建筑的冷熱負荷計算都是基于穩態進行的，而對于氣候實驗室類項目則不適用。氣候實驗室的工藝要求，在指定時間里室內溫度達到設定值，這個過程中圍護結構無法達到穩態，所以瞬時負荷的計算無法采用常規的穩態計算方法。

關于非穩態負荷計算，秦躍平研究了優化的有限體積法計算方法[1]；劉向偉對多孔介質內的熱濕耦合傳遞進行了非穩態模擬[2]；陳艷華采用試算法進行了非穩態導熱計算[3]；李向前[4]、周娟[5]探討了非穩態傳熱計算的發展過程和新的計算方法。但上述文獻大都基于室外溫度、太陽輻照度等變化進行非穩態負荷計算，或分析非穩態計算中各種參數的影響因素等，都是從外部條件變化分析對負荷變化的影響和計算方法，未對整體工程進行分析，缺乏實際工程的應用和定量研究，且不適用于氣候實驗室類建筑。本文以某工程為例，進行非穩態計算研究，并將計算結果應用于工程中。該工程經過1 a運行，滿足使用要求。

1 工程概況

該氣候實驗室為房中房，實驗艙尺寸為61.0 m×79.2 m×22.8 m(長×寬×高)，墻體和吊頂采用200 mm厚聚氨酯保溫材料，密度為30 kg/m3，導熱系數為0.03 W/(m·K)，比熱容為1.38 kJ/(kg·K)；大門保溫材料為400 mm厚巖棉，密度為80 kg/m3，導熱系數為0.05 W/(m·K)，比熱容為1.22 kJ/(kg·K)。因工程承載的要求，土建確定地坪采用300 mm厚混凝土+300 mm厚泡沫玻璃+300 mm厚混凝土的結構形式，混凝土密度為2 500 kg/m3，導熱系數為1.74 W/(m·K)，比熱容為0.92 kJ/(kg·K)；泡沫玻璃密度為120 kg/m3，導熱系數為0.04 W/(m·K)，比熱容為0.80 kJ/(kg·K)。空調系統采用上送風、側下回風的氣流組織，在上部均勻布置噴口，在距地0.2 m處布置2個回風口，見圖1。

圖1 實驗室剖面圖

2 室內空氣溫度、圍護結構內表面溫度模擬

根據工藝要求，低溫工況要求空態24 h，室溫由30 ℃降至工作溫度-55 ℃，并維持該工作溫度72 h；高溫工況要求空態8 h，室溫由10 ℃升至工作溫度74 ℃，并維持12 h。

課題研究是針對冷熱負荷分別進行的，因受篇幅限制，本文僅對冷負荷進行分析。研究思路為：1) 采用Fluent軟件進行CFD模擬，得到室內溫度場的變化情況；2) 根據計算結果，對墻體、吊頂、大門及地板采用ANSYS軟件通過有限元分析方法進行非穩態溫度場分析；3) 根據圍護結構每個時刻的熱流密度計算各時刻的瞬時冷熱負荷。

該工程圍護結構不穩定傳熱過程和室內空氣溫度不穩定變化過程是耦合的，模擬計算同時考慮了這2個因素。

為便于計算，將弧形吊頂簡化為折線形，所建模型見圖2。

圖2 實驗室模型

實驗室內空氣流動為低速、不可壓縮流體流動，屬于自然對流、強迫對流并存的定常流動混合湍流流動。數值模擬根據實際物理邊界進行了合理簡化。

1) 固定壁面邊界條件，即固定壁面主要是室內的墻壁、天花板、地板等，固定壁面的速度分量為零，溫度邊界條件按照第三類邊界條件給出。

2) 入流和出流邊界條件，即入流邊界條件給出的是入口處的速度、溫度及湍流動能和湍流動能耗散率等參數，出流邊界條件按照出口單向流動考慮。

3) 考慮各圍護結構表面之間的輻射換熱。

4) 圍護結構密閉，不考慮空氣滲漏。

5) 初始條件，給出計算的初始值。

6) 大門外表面對流換熱系數取23 W/(m2·℃)，墻體、吊頂外表面對流換熱系數取8.7 W/(m2·℃)。

以低溫工況為例。室外條件按夏季設置，分3個階段送風：第1階段送風溫度為5 ℃，2 h后進入第2階段；第2階段送風溫度為-32 ℃，送風2 h后進入第3階段；第3階段送風溫度為-70 ℃。總送風時間為24 h。

第1階段送風溫度設定為5 ℃，是考慮到在降溫至冰點前將空氣中的水分除去，避免在送冷風時出現結冰現象而影響工作效率或損壞制冷設備。

為了得到較好的室內溫度場、速度場，分別按200 000、250 000、300 000 m3/h循環風量進行模擬，再選取較合理的風量進行計算。

根據模擬結果，送風量為200 000 m3/h時，工作區溫度無法在規定時間內達到-55 ℃；送風量分別為250 000、300 000 m3/h時，室內溫度分別達到-55 ℃和-56 ℃。以300 000 m3/h風量為例進行模擬，結果見圖3。

圖3 溫度場分時截圖(豎向、風口處)

在室內工作區選定2個有代表性的空間點位進行溫度跟蹤，其溫度變化情況見圖4。

圖4 工作區2個選定點溫度隨時間變化曲線

送風口下方和實驗室中心地帶溫度隨高度的變化模擬結果見圖5。

圖5 送風階段末期(24 h)實驗室中心附近測點溫度隨高度變化曲線

從圖4可以看出，在各送風階段前期室內空氣溫度迅速降低，約30 min后溫降變緩，然后逐漸趨近送風溫度，在各送風階段末期室內空氣溫度場基本均勻一致。

把模擬的室內溫度作為輸入條件，進行圍護結構內表面溫度模擬。墻體(包括吊頂)、大門、地板各內表面溫度變化情況見圖6。

圖6 墻體(吊頂)、大門、地板內表面溫度隨時間變化曲線

從模擬結果可以看出，圍護結構內表面溫度在5.5 h內變化較大，之后趨緩。各送風階段末期圍護結構內表面溫度見表1。

表1 各送風階段末圍護結構內表面溫度 ℃

3 非穩態負荷計算

根據圍護結構內表面溫度的變化情況，依據有限元軟件進行熱流密度的計算，結果見圖7。

圖7 墻體(吊頂)、大門、地板熱流密度隨時間變化曲線

在室內大通風量的情況下，內表面對流換熱系數較大，對流熱阻很小，所以在改變系統送風溫度后，圍護結構內表面溫度會快速變化，而圍護結構內部熱阻大，導致其內部溫度變化較慢，所以各圍護結構熱流密度先增大，5.5 h達到峰值，然后下降，直至趨于穩定。墻體(吊頂)、大門的主要材料是熱容很小的聚氨酯保溫材料或巖棉，所以熱流密度不大，且達到峰值后迅速下降而后平穩；地板是熱容較大的鋼筋混凝土，熱流密度非常大，達到峰值后下降平緩，在計算時段末期還處于熱流密度下降階段。各送風階段圍護結構熱流密度典型時刻數值統計見表2。

表2 各送風階段典型時刻圍護結構熱流密度 W/m2

以上模擬主要是針對圍護結構進行的，在計算實驗室空調負荷時，還需要考慮室內空氣的負荷。在計算過程中發現，隨著溫度的降低，空氣密度會增大，體積會變小，為了維持實驗室內壓力平衡，需要向室內補充新風。所以空氣負荷包含室內原有空氣的冷負荷和補充的新風負荷。

該實驗室采用轉輪除濕，所以按照表冷器不承擔潛熱負荷進行分析，根據式(1)可以計算出各階段的空氣負荷：

(1)

式中q為空氣負荷，kW；m為空氣質量，kg；Δh為空氣比焓差，kJ/kg；Δt為降溫時間,s。

第1階段結束時，空氣干球溫度為10.5 ℃，含濕量d=0.01 g/kg，第1階段的空氣比焓差為24.8 kJ/kg；第2階段結束時，空氣干球溫度為-18 ℃，含濕量不變，第2階段的空氣比焓差為28.8 kJ/kg；第3階段結束時，空氣干球溫度為-57 ℃，含濕量不變，第3階段的空氣比焓差為39.4 kJ/kg。

經計算，各階段最大瞬時動態負荷見表3。

表3 各送風階段所需的最大負荷 kW

熱負荷的計算與冷負荷的計算不完全一樣，但計算路徑一致，本文不對熱負荷計算進行贅述。需要注意的是，加熱工況下室內空氣因溫度升高、密度減小，實驗過程中一直處于向外排風(泄壓)狀態，故空氣負荷略有減小。

4 結語

從本文計算結果可以看出，氣候實驗室地板負荷很大，最大負荷占總負荷的86%，所以地板對負荷的影響最大，對其需重點考慮。另一個值得注意的問題是，空氣因為溫度變化而引起密度變化，從而導致體積變化，在制冷工況時，需要考慮因補充空氣所增加的冷負荷，同時要考慮空氣體積變化對圍護結構帶來的壓力變化，應采取相應的壓力平衡措施。

該氣候實驗室在實施階段根據計算結果進行冷熱源選擇，項目經過1 a的運行，滿足使用要求。說明本文的計算方法可行且相對準確，可供類似項目參考。