077诱导风机喷嘴风速对地下车库速度场和浓度场的影响

诱导风机喷嘴风速对地下车库速度场和浓度场的影响武汉科技大学鲁文周传辉摘要近几年诱导式通风得到了较为广泛的应用。本文利用数值模拟软件Phoenics建立小空间物理模型，通过设置不同边界条件下的算例，分析了喷嘴风速的变化对不同层高车库气流分布的影响，总结出相关数据并得出相应的结论，为以后实际的设计提供理论依据。关键词诱导式通风数值模拟CFD1引言随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，中小型汽车的数量也在飞速地增长。按国家有关部门的初步预测，中国汽车产量的年增长率会维持在10%以上，我国的汽车数量每年将以20%的速度增长。2009年，中国第一季度汽车销量已经超越美国跃居世界第一。国内汽车业“产销两旺”，使得大城市面临着交通、环保的巨大压力，停车难的问题也越来越突出。为了解决停车难这一问题，地下停车场以其面积大、节约建筑用地、管理集中等优势越来越受到业主的青睐，成为各建筑群体中不可或缺的一部分。对于地下车库，保持适当的温度和不超过标准的CO浓度，是衡量空气环境质量的两个重要内容。诱导风机喷嘴的风速大小对诱导通风效果有一定的影响：风速太小，到达地面处风速太小，不足以对室内气流和污染物起到足够的扰动和推动作用；反之，风速太大，近地面处的风速过大会使人产生吹风感，而且易使地面尘埃飞扬，影响车库内的环境。因此应该根据喷嘴距地高度不同选择合适的送风速度。本文通过CFD数值模拟软件PHOENICS模拟了一个简单的喷流诱导通风系统。在模拟软件中改变不同的边界条件，研究不同层高条件下，相应的下倾角度恒定时不同送风速度对地下车库速度场及浓度场的影响，最后得出相应的结论。2数值模拟2.1物理模型的建立建立一个常见且简单的物理模型，如图1所示。诱导风机喷嘴采用PHOENICS自带的jetfan模型，喷流送风口轴心位于Y轴正中部，离左边壁面2m处，距地面高度随层高而定。出风口壁面按自由边界处理，其他所有壁面均按绝热面处理。基本边界条件如表1所示。污染源假定为近地面0.2m均匀散发，布置了4个体积污染源，给定其污染体积百分数为1。图1:模拟空间示意图表1模拟计算的基本边界条件名称相关参数备注模型尺寸12.48m×9.48m×3.6m长度×宽度×层高风机喷嘴尺寸0.08m×0.08m×0.08m回风口尺寸9.48m×3.6m长度×高度污染源尺寸0.2m×0.2m×0.1m长度×宽度×高度2.2物理模型的简化假设地下车库的通风问题为三维非稳态湍流流动问题，为了满足现在的计算条件，对物理模型做了相应的简化假设，条件如下：1）喷嘴射流视为等温射流，所有围护结构绝热;2）室内气流作不可压缩气体处理，空气和污染物的参数为常数;3）车库气流流动视为三维稳态流动，各变量参数不随时间变化;4)污染物浓度场模拟计算时，将污染物视为体积污染源释放，室内污染物发生率为恒定。2.3数学模型本文采用工程中广泛应用的标准k-ε模型，室内气流的流动状态为湍流，利用有限容积法对三维稳态不可压缩粘性流体流动方程离散，采用不等间距网格（射流风机处局部加密），SIMPLE算法等进行迭代计算，模拟采用的数学模型通用表达式如下：()()divudivgradS式中：div—散度；—流体的密度（kg/m3）；u—速度矢量;—通用变量；—广义扩散系数；grad—梯度；S—广义源项。3数值模拟结果及分析为了便于模拟结果的分析，本文以成年人的呼吸高度Z方向1.6m作为典型截面来反映整个地下车库的气流分布和污染物浓度分布。3.1不同边界条件分析为了模拟出不同层高相应倾角条件下，喷嘴风速变化对车库内流场及浓度场的影响，设置了15组算例进行模拟。模拟算例边界条件如表2。表2模拟算例边界条件层高（m）喷嘴风速(m/s)喷嘴倾角喷嘴中心离地面的距离（m）2.58.010.012.014.016.05°2.23.615°3.34.530°4.2由于在15组算例中典型截面的流场特性一样，最大风速区域和浓度最大区域基本都一致，变化的只是数值的大小。因而我们可以选取一组作为典型算例，不妨选取层高3.6m、倾角15°，喷嘴风速14m/s为例，如图2～图4。图2Y=4.74m射流中心断面速度等值线图图3Z＝1.6m呼吸断面速度等值线图图4Z＝1.6m呼吸断面污染物浓度图3.2模拟结果分析图2为Y=4.74m射流中心断面速度等值线图，可以看出模拟结果符合等温射流理论：射流断面的速度场从射流中心开始逐渐向边界衰减，并沿射程不断变化。由于射流边界与周围介质间的紊流动量交换，周围空气不断被卷入，射流不断扩大，流量沿射程方向不断增加，从而形成持续的气流卷吸和导引作用，使整个作用空间产生持续流动的速度场。图3为Z＝1.6m呼吸断面速度等值线图，可以看出Y轴中央有一处椭圆深色区域，即呼吸断面最大风速区域。从模拟过程中发现，同一层高不同风速条件下此区域大致相同，同一风速不同层高条件下此区域有些差异。取风速14m/s,则层高2.5m时，最大风速区域为x=6.1m到9.5m;层高3.6m时，最大风速区域为x=7.5m到10.5m;层高4.5m时，最大风速区域为x=5.8m到9.1m。不难发现，风速区域长度都为3m左右，区域位置的变化主要是由于喷嘴倾角不同而引起的。图4为Z＝1.6m呼吸断面污染物浓度图，可以看出四个污染源上方的浓度都较高，周边的浓度都相对较低。另外，在模拟过程中发现前二个污染物上方的浓度相对后方的要高，而实际车库诱导通风运行后应该是后方区域的浓度更高一些。通过分析发现是由于污染源左边无水平风速，且污染源不在诱导风机倾斜射流主体段所致。图5～6分别给出了15组算例中呼吸断面最大风速分布及最大浓度分布。随着风速的增大，呼吸断面最大风速也随之增大，最大浓度随之减小。层高2.5m时，整个呼吸断面风速分布偏大;而层高3.6m时，整个区域浓度分布较高。一般呼吸区域的风速宜取0.5m/s左右，以免造成“吹风感”。结合二图比较，地下车库中喷嘴风速取10m/s—12m/s左右较合适，此时呼吸断面最大风速在0.6m/s-0.7m/s之间，最大浓度也相对较低。图5呼吸断面最大风速分布图6呼吸断面最大浓度分布4结论诱导式通风在一些大型及商用地下车库已经得到了较为广泛的应用。本文通过改变喷嘴风速进行数值模拟，得出喷嘴风速一般取10m/s—12m/s，此时车库内呼吸断面风速及污染物相对浓度满足要求。在实际工程应用中，可根据实际层高相应调整喷嘴的下倾角度，使整个呼吸区域处于射流的主体段来获得较好的气流分布。参考文献：[1]SpaldingDB.ThePHOENICSEncyclopaedia[M].London:CHAM.Ltd,2006.[2]王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].清华大学出版社,2004.[3]陶文铨．数值传热学（第二版）[M].西安：西安交通大学出版社，2002.[4]何开远等.地下车库诱导式通风与风管式通风系统的数值模拟分析[J]，建筑科学2008年第10期.