紹興某印染廠染色廠房冬季自然通風數值模擬分析

鄭現昱 狄育慧 郝振東

（1.西安工程大學城市規劃與市政工程學院 西安 710048；2.西安工程大學柯橋紡織產業創新研究院 紹興 312030）

0 引言

印染廠印染過程中各工序都不同程度地使用蒸汽、燃氣，其染色廠房中密集排布的高溫熱源染色機，更容易導致溫度分布不均和空氣流通不暢。南方印染廠在冬季一般停用機械通風，采用自然通風[1]。自然通風是利用室內外溫差造成的熱壓或風力作用造成的風壓來實現通風換氣，作為一種經濟節能的通風方式被廣泛應用在各類建筑中。

萬鑫等探究了具有內熱源的工業廠房自然通風系統進風口離地高度等建筑結構參數對自然通風的影響[2,3]。折倩娜等研究了不同熱源條件下通風口面積對自然通風的影響[4]。Wang 等研究了對流和輻射作用對工業廠房熱壓通風的影響[5]。趙福云等認為科學合理的通風口位置不僅使廠房獲得良好的通風效果，同時還能保障工作人員健康，降低企業生產成本[6,7]。目前對具有內部熱源工業廠房的研究大多是在夏季通風方面，對于冬季通風研究較少。

本文以浙江省紹興市某印染廠染色廠房為研究對象，利用Fluent 軟件研究該廠房冬季采用自然通風在不同通風口位置、不同熱源強度條件下的溫度與氣流分布情況。

1 物理模型及模擬方法

1.1 物理模型及控制方程

以紹興市某印染廠染色廠房為研究對象（見圖1），廠房占地面積12160m2，空間尺寸為160m×76m×7.7m（長×寬×高）。該廠房通風系統的幾何參數如表1所示。

圖1 染色廠房三維物理模型Fig.1 3D physical model of dyeing workshop

表1 染色廠房通風系統的幾何參數Table 1 Geometric parameters of the ventilation system of the dyeing workshop

廠房沿x 方向分為兩個區域，東側為白胚存放A 區，西側為染色工作B 區。將染色工作B 區的染色機簡化為矩形形狀[8]，其中染色1 區（見圖2）和染色2 區的染色機尺寸為11m×3m×2.5m（長×寬×高），染色3 區的染色機尺寸為10m×3m×2m（長×寬×高），染色4 區的染色機尺寸為6m×3m×3m（長×寬×高）。進風窗底部距地面高度為1m。

圖2 染色區域劃分Fig.2 Division of dyeing area

自然通風情況下廠房內不可壓縮空氣流動和傳熱問題滿足流體力學控制方程[9,10]組：

連續性方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；τ為時間，s；xi和xj為速度u分量的方向；ui和uj為速度u在不同方向上的分量，m/s；p為平均壓力，Pa；τij為應力張量，Pa；g為自由落體加速度，m/s2；Fi為浮升力，Pa/m；h為流體比焓，J/kg；k為導熱系數，W/(m·K)；kt為湍流脈動動能，W/(m·K)；T為流體的熱力學溫度，K；Sh為用戶自定義的體積熱源項，W/m3。

1.2 數值模擬方法

本文利用計算流體力學軟件Fluent 對模型進行模擬計算。計算模型采用Realizablek-ε湍流模型[4]，由于溫差引起的浮升力的影響，選用Boussinesq假設[11]；近壁面采用標準壁面函數法；考慮到熱源對周圍空氣有存在輻射作用，因此選用Rosseland輻射模型[12]。選擇SIMPLEC 算法進行求解，方程的離散選用二階迎風格式。計算區域采用非結構網格，網格在進風口、排風口及染色機熱源處進行加密處理，網格總數為230 萬。

1.3 邊界條件

冬季工況下實測室外環境溫度為7.4℃，氣壓為1 個標準大氣壓；廠房南北兩側門窗均開啟，為自然通風的進風口，設置為速度入口邊界條件，進風口風速取測試平均值（門風速1.53m/s、窗風速2.2m/s）；屋頂排風口的邊界條件設置為壓力出口；染色機熱源設為定壁溫邊界條件，取現場測量平均值45.8℃。

1.4 模型驗證

選擇該廠房生產工作者操作和經常停留地點作為測量點位置，其中立姿作業高度為1.5m。廠房內部測量點如圖3所示。

圖3 高度1.5m 處染色工作B 區測量點布置Fig.3 Layout of measurement points in dyeing work area B at a height of 1.5m

在通風口位置不變的情況下，對染色廠房內部進行數值模擬，并將各個測量點的模擬空氣溫度值與實際測量數據進行對比驗證及誤差分析。由圖4可知，模擬溫度變化規律基本與實際測量值一致，最小相對誤差為0.55%，最大相對誤差7.21%，平均誤差為4.95%，誤差處于可接受范圍內，因此本文模擬方法是比較可靠的。

圖4 模擬值與實測值對比Fig.4 Comparison of simulated and measured values

2 模擬結果分析

在通風口面積不變的前提下通過控制變量法改變廠內熱源強度及進出風口高度差，研究不同工況下高度1.5m 處截面上各點的溫度和氣流分布。根據染色布料種類不同以及工藝不同，依次設定熱源強度為40℃，60℃，80℃；由于受到廠房結構限制通過改變北墻進風窗高度位置來改變進出風口中心高度差，進出風口中心高度差依次為2m，4m，6m。

2.1 進出風口中心高度差為2m 不同熱源強度下的模擬結果

冬季工況下實測室外溫度為7.4℃，當北墻進出風口中心高度差為2m，熱源強度從40℃到80℃時，高度1.5m 截面上的溫度云圖、速度云圖如圖5所示。可以看出高溫區（溫升大于3℃）主要集中在染色1 區和染色2 區之間的走廊，染色3 區和染色4 區之間的走廊以及染色機周圍。

圖5 進出風口中心高度差為2m 時的模擬結果Fig.5 Simulation results when the center height difference between inlet and outlet is 2m

從速度云圖中看出，染色1 區中間位置空氣流速低于0.3m/s。當熱源強度為40℃時，染色1 區和染色2 區之間走廊的中心區域的氣流速度低于0.4m/s，空氣流通性較差，出現流通死區，走廊大部分區域溫度在16.2～20.7℃之間，隨著熱源強度的提高，空氣流通得到一定改善，但熱源強度為80℃時，走廊大部分區域溫度高于32.5℃，中心區域溫度更是超過36℃，較大的溫度梯度，給工作人員帶來極大的影響。由于受到染色4 區染色機設備的阻擋，染色3 區和染色4 區之間走廊的空氣流速較低，大部分區域的空氣流速低于0.4m/s，局部空氣流速低于0.1m/s，導致該區域溫度較高。分布密集的染色機容易阻礙空氣的流動，熱源產生的大量熱量不能及時被帶走，當熱源強度為80℃時，染色機之間形成了43℃以上的局部高溫區。染色工作B 區東西兩側走廊溫度分布比較合理，高溫區域主要分布在染色機周圍。

2.2 進出風口中心高度差為4m 不同熱源強度下的模擬結果

當北墻進出風口中心高度差為4m，熱源強度從40℃到80℃時，高度1.5m 截面上的溫度云圖、速度云圖如圖6所示。此工況下高溫區與進出風口高度差2m 工況下高溫區分布規律基本相同。北墻進風窗高度的降低，使附近區域溫度有所降低，當熱源強度為80℃時，染色1 區溫度超過43℃的高溫區臨近進風窗的周圍出現溫度低于39.5℃以及局部空氣流速小于0.4m/s 的區域；染色1 區和染色2區之間走廊中心區域溫度高于37.5℃的面積較大。染色機之間狹窄的空間導致的高溫區依舊存在。從速度云圖中看出，隨著熱源強度的減小，染色1 區和染色2 區之間走廊空氣流速低于0.4m/s的區域面積逐步增大，染色B 區東西兩側走廊和染色4 區周圍空氣流通性也逐漸降低。

圖6 進出風口中心高度差為4m 時的模擬結果Fig.6 Simulation results when the center height difference between inlet and outlet is 4m

2.3 進出風口中心高度差為6m 不同熱源強度下的模擬結果

當北墻進出風口中心高度差為6m，熱源強度從40℃到80℃時，高度1.5m 截面上的溫度云圖、速度云圖如圖7所示。該工況下高溫區域與前兩種工況下分布規律基本相似。北墻進風窗中心距地面高度為1.7m（底部距地面高度為1m），染色1 區靠近進風窗口處空氣流速高于1.2m/s，局部溫度小于16℃，遠離窗口的染色機周圍出現大面積空氣流速小于0.4m/s 的區域。染色1 區和染色2 區之間走廊中心區域空氣流通性能相對較差，三種熱源強度模擬結果中，都出現了局部氣流速度低于0.1m/s 的區域，熱源強度40℃時最為明顯，當熱源強度為80℃時，臨近染色機的區域溫度超過39.5℃。當熱源強度為80℃時，染色工作B 區西側走廊靠近染色3 區的周圍局部空氣流速低于

圖7 進出風口中心高度差為6m 時的模擬結果Fig.7 Simulation results when the center height difference between inlet and outlet is 6m

0.3m/s。

2.4 不同進出風口中心高度差的模擬結果對比

將冬季工況下不同進出風口中心高度差模擬結果進行比較發現：相同熱源強度條件下，北墻進風窗中心高度降低，染色1 區染色機周圍空氣流速低于0.3m/s 的區域面積擴大；室外風由進風窗進入染色1 區，經過靠近窗口的染色機時能更好的帶走熱源產生的熱量，然后在染色1 區和染色2 區之間走廊中心區域匯聚，并與多股氣流相互干擾，通過速度云圖看出，走廊中心區域空氣流通性隨進出風口中心高度差增大（進風口中心高度降低）而降低，該區域溫度也隨之增加，表2 給出了染色1 區和染色2 區之間走廊區域平均溫度模擬值，說明同一熱源強度條件下，進出風口中心高度差的提升，導致走廊溫度梯度增大，染色廠房工作環境更加糟糕。進風口中心高度降低時，染色工作B 區西側走廊溫度隨之增高，局部空氣流速逐步降低，但東側走廊的溫度場和速度場并未發生明顯變化。染色3區和染色4 區及其中間走廊區域由于遠離北墻進風窗以及染色1 區和染色2 區染色機設備的阻礙，進出風口高度差的改變對該區域影響較小。

表2 染色1 區和染色2 區之間走廊區域平均溫度模擬值Table 2 Simulation values of average temperature in the corridor between dyeing zone 1 and dyeing zone 2

3 結論

（1）冬季工況下采用自然通風，熱源強度為60℃和80℃時大片區域溫度高于28℃，不能滿足設計規范[13]要求。

（2）增加進出風口中心高度差能夠一定程度上改善染色1 區局部區域空氣流動和溫度，但擾亂了染色1 區和染色2 區之間走廊中心區域的空氣流動，導致該區域熱量無法及時被帶走，在冬季北墻應盡量少開窗。

（3）除染色4 區以外的其他三個染色區的染色機由于分布比較密集周圍空間狹窄，小范圍空氣流速過低，容易出現熱量堆積，形成局部高溫區。

（4）當熱源強度為60℃和80℃時，可以考慮在染色工作B 區采用局部送風，特別是染色1 區和染色2 區之間走廊區域，從而降低工作區溫度。