地下车库诱导通风系统的数值模拟与优化
文章编号: 1005—0329(2004)12—0027—04
地下车库诱导通风系统的数值模拟与优化
蔡 浩1,朱培根2,谭洪卫1,王恩丞1,龙惟定1
(11同济大学,上海 200092;21清华大学,北京 100084)
摘 要: 结合南京市某人防地下车库诱导通风系统的实测数据,利用计算流体动力学(CFD )技术对地下车库的气流分布现状作了数值模拟与分析,提出改进的气流分布方案,并对其C O 浓度场作了进一步的模拟计算,确定了地下车库诱导通风系统的最优化方案。
关键词: 诱导通风系统;气流分布;C O 浓度场;CFD 模拟中图分类号: T U834.5 文献标识码: A
Numerical Simulation and Optimization of the I nductive V entilation System in U nderground G arage
C AI Hao 1,ZH U Pei 2gen 2,T AN H ong 2wei 1,W ANG En 2cheng 1,LONG Wei 2ding 1
(11T ongji University ,Shanghai 200092,China ;21Tsinghua University ,Beijing 100084,China )
Abstract : The air distribution in the garage is numerically simulated by CFD method combining with the practical surveys of the induc 2tive ventilation systems used for a civil air defence underground garage in Nanjing 1Based on the simulation results im proved air flow pat 2terns are proposed and the optimum air flow pattern is determined by further simulations of the C O concentration field.
K ey w ords : inductive ventilation systems ;air flow pattern ;C O concentration field ;CFD (C om putational Fluid Dynamics )simulation
1 问题的提出南京市某人防地下车库建筑面积为2000m 2,层高2.8m ,采用射流诱导通风系统组织车库内的通风。车库原诱导通风系统的设置见图1
。
图1 地下车库原诱导通风系统设置示意
图1示出了射流诱导风机的相对位置和送风方向,新、排风口和汽车通道的位置。其中诱导风机风口与图中Z 方向成30°角向下倾斜送风。通道1为人员紧急出入口,通道2为汽车出入口。
2001年对该地下车库的进排风量、诱导通风机特
性、气流速度、温湿度、C O 2和C O 浓度、噪声、照度
等进行了测定[1]。测试结果表明,工程内工作区的速度场和C O 浓度场符合地下车库的设计要求。
为了确定通过对工作区气流速度的测试能否反映出通风系统的气流组织情况和通风换气效果以及在车流量较大时C O 的浓度是否符合设计要求(测试是在车库内车流量较小的情况下进行的),对车库的通风系统设置作了分析和推测。图1中诱导通风系统将新风口和排风口设置在车库
的同一侧,且绝大多数诱导风机的送风方向为Z 方向。这样有可能造成新风口和排风口之间的送风气流短路,同时由于诱导风机所形成的送风气流的压制可能使送入车库的新风不能有效地进入另一侧的工作区。为了证实这一推测,更清楚地了解地下车库内部的气流和污染物浓度分布情
收稿日期: 2004—01—31 修稿日期: 2004—03—15
况,用CFD 技术对地下车库的气流组织作了数值
模拟分析,并在分析基础上提出了两种可行的改进方案(如图2,3所示)。通过进一步模拟计算和分析,确定了该地下车库的诱导通风系统最佳气流布置方案
。
图2 地下车库改进方案Ⅰ
的诱导通风系统设置
图3 地下车库改进方案Ⅱ的诱导通风系统设置
2 数值模拟方法和模拟工具
采用了k 2
ε两方程模型模拟湍流,计算网格为六面体网格,求解算法为SI MP LE 算法[2]。数值模拟分析采用了CFD 软件Airpak2.1。Airpak 具有自动化的非结构化、结构化网格生成能力(采用F LUE NT 软件作为其核心的求解器[3])。3 原设计方案的CFD 模拟与分析311 CFD 模型
根据地下车库的尺寸建立模型。其中:射流诱导风机模型的风量按实测平均值933.2m 3/(h ?个),风口模型尺寸近似取200mm ×75mm ,送风速度为17.21m/s 。新风口、排风口尺寸为1250mm ×1600mm 。新风总送风量取实测值(34516.8m 3/h ),新风口的风速为4.794m/s ;排风量取实测值(39596m 3/h ),排风口的风速为5.50m/s 。为了保证整个空间的质量守恒,通道1,2都采用和周围环境保持相同静压值的风口模型。
312 C O 释放量的确定及污染源模型
地下车库的主要有害物有C O ,HC 和NOx ,它们的比例大约为7∶1.5∶0.2,因此C O 是地下停车场的主要有害物,当C O 的浓度稀释到标准规定的范围以下时,足可以将其他有害物的浓度也稀释到标准规定的范围以下。因此,目前各种地下停车库通风量计算的各种方法都是以C O 释放量为标准的。关于C O 的释放量计算,由于地下车库的汽车类型和各种类型汽车的数量难以准确确定,现有的计算方法,当选择不同的计算参数时,计算结果有很大的差异[3～5]。故本文采用文献[6]提供的实测结果作为计算C O 释放量的依据。
为了模拟汽车怠速运行释放的C O 在空间的分布,在CFD 模型中均匀分布了10个体积污染源,每个污染源的C O 释放量为0.605kg/h ,热流强度为1.83kW (见图1)。313 计算结果分析
图4,5给出了地下车库诱导通风系统原设计
条件下的模拟结果。
图4 原设计Y
断面气流速度场
图5 原设计Y 断面C O 浓度场
工作区的气流速度分布均匀,无明显的空气停滞死区。从图中的模拟结果可以看出,诱导风
机在空间形成接力式的多股射流,整个空间的空气由于风机的诱导和卷吸作用被扰动起来;新风在新风口和排风口之间有较明显的短路现象。送入的新风以及由通道1带入的室外空气以较高的
速度分别被排风口和通道2排出,难以有效地进入图示左侧的工作区,通风换气的效果较差。
从图5的计算结果可以看出,大部分区域的C O 浓度符合设计的要求<0.01%(125mg/m 3),但同时也发现污染物集中在空间的左侧,大部分的污染物并没有得到稀释。而且左上角和左下角有局部区域C O 浓度偏高的现象。这种现象主要是因为大部分的室外新鲜空气没有流经工作区就被直接排放到车库外而导致的。4 改进方案Ⅰ的CFD 模拟与分析411 改进方案Ⅰ及其CFD 模型
为了解决新风气流的短路问题,尝试改变新
风口和排风口的相对位置。由于实际工程新风口的位置不可变,故可以考虑改变排风口的位置。在CFD 模型中增设一段排风管,将排风口的位置移至空间的左侧,其它条件不变(见图2)。412 计算结果分析
图6,7给出了地下车库改进方案Ⅰ的计算结果
。
图6 改进方案Ⅰ断面Y
的气流速度场
图7 改进方案Ⅰ断面Y 的C O 浓度场
由图6,7可知:
(1)工作区的气流速度分布均匀,无明显的空气停滞死区,气流速度符合设计要求,见图6;
(2)比较图4和图6,可以看出新风短路的现
象得到一定的改善。由于排风口位置的调整,更多的新风流向图6中左下角的工作区;射流诱导风机在空间形成的Z 方向上气流对新风气流向-X 方向的运动形成了一定的压制,新风气流难以有效的到达图6中左上角的工作区域;
(3)比较图5和图7可以看出,改进方案Ⅰ的通风换气效果得到了一定的改善,图7中左下角一部分区域的污染物得到了稀释,但左上角仍有相当面积的区域污染物难以有效稀释,同时左下角局部区域CO 浓度偏高的现象得到缓解,但左上角没有明显改变。
改变排风口的位置后,空间内的气流组织和通风换气效果比原有设计方案有所改善。但并未达到预期的效果,其主要原因是射流诱导风机在空间形成气流压制了新风气流,影响新风气流有效到达图中所示左上部的工作区域。因此,在设计和实际运行过程中应当充分考虑射流诱导风机的送风方向及其和新风气流的相互作用。5 改进方案Ⅱ的CFD 模拟及分析511 改进方案ⅡCFD 模型
通过对改进方案Ⅰ的数值模拟和分析,考虑
尽量不改变原有通风系统的设置,通过调整射流诱导风机的送风方向来组织空间内的气流,将新风诱引至左侧的工作区域,以实现对该区域污染物的充分稀释。在原有设计方案的CFD 模型中,只改变射流诱导风机的送风方向。在水平面上,右起前三排为X 轴负方向;第四排∠XOZ =135°;第五排为Z 轴正方向。垂直面上的风向仍然保持向下倾斜与水平方向成30°角(见图3)。512 计算结果分析
图8,9给出了改进方案Ⅱ的计算结果。可以得到以下结论:
(1)新风气流被射流诱导风机所形成的气流
诱导,并深入到图示左上角的工作区,无新风短路
的现象。工作区的气流速度分布均匀,无空气停滞死区,气流速度符合设计要求,见图8。
(2)比较图7和图9可以看出,改进方案Ⅱ的通风换气效果明显优于改进方案Ⅰ。图中左侧的污染物得到明显稀释,左侧区域C O 浓度偏高的现象基本消除。
图8 改进方案Ⅱ断面Y
的气流分布
图9 改进方案Ⅱ断面Y 的C O 浓度场
通过上述分析可以看出,单个诱导风机所形
成的气流可以改善其作用范围内局部气流分布,而多个射流诱导风机共同作用所形成的气流对新风在空间内的有效分配起着十分重要的作用。6 结论
(1)对于采用诱导风机的地下车库来说,工作
区的气流速度测试并不能完全反映通风系统的气流组织情况和通风换气效果。即使原方案在工作区的气流速度符合了设计要求,但整个空间的气流组织仍可能存在较大的问题。
(2)在大部分新风短路的情况下,原有设计方案在工作区(除局部区域外)的C O 浓度仍能符合
<0.01%(125mg/m 3)的设计要求。由此可以看
出,如果采用改进的设计方案Ⅱ,工程的通风量可
以进一步减少,以降低风机的运行能耗。
(3)在设计时应注意合理设置新风口和排风口的位置,避免发生新风气流短路;同时还应充分考虑诱导风机的送风方向及其和新风气流的相互作用,应尽量避免两股气流的相互压制或相互抵消。
(4)单个诱导风机所形成气流可以改善其作用范围内局部气流分布,而多个射流诱导风机共同作用所形成的气流对新风在空间内的有效分配起着十分重要的作用。因此,需要确定诱导风机合理的位置和送风方向来组织空间内的气流,尽量将新风气流诱导至工作区域,以实现对污染物的充分稀释与排出。
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作者简介:蔡浩(19762),男,在读博士研究生,通讯地址:
210007江苏南京市光华门外海福巷1号解放军理工大学内设教
研室。
(上接第71页)
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作者简介:王耀春(19792),男,在读硕士研究生,通讯地址:
200092上海市四平路1239号同济大学机械工程学院制冷与热工
教研室。