狭长空间强扰动排热通风量的优化研究

刘静 张旭 罗平

同济大学机械与能源工程学院

狭长空间强扰动排热通风量的优化研究

刘静 张旭 罗平

同济大学机械与能源工程学院

针对存在强扰动气流的狭长空间内热量不容易排出的问题，本文采用全面通风的手段来消除空间内持续散发的大量热量，并依据相似理论，利用Revit软件辅助设计搭建了模型实验台，对不同热射流温度及对应不同排热通风量的排热效果进行了优化研究。文中以评价全面排热通风量效果的评价指标——排热效率为参考，得到热射流温度在小于591K的范围内，最优的全面排热通风量值约为144.7万m3/h，当热射流温度位于591～709K时，最优的全面排热通风量值约为159.7万m3/h。

狭长空间全面通风相似原理排热效率

由于狭长型建筑横纵面较大，横截面积较小，空间内如果产生大量的热量难以有效排出，严重影响了空间内部人员的生命安全。对于这类长径比较大的狭长空间，由于其内部的气流方式的特殊性，所以有必要对其进行专门的分析与研究[1]。现在常用的控制狭长空间内温度场方法有底部有进风栅的置换通风方法等[2～4]。在对这些方法进行分析后，针对本研究课题的特殊性，对其采用全面排风的方式来及时消除内部的大量热量，保证人员的可居留性。本研究针对该狭长型空间展开研究，分析在全面通风方式下，不同的通风量与不同的热射流温度对排热效果影响的规律，并得出不同热射流温度下合适的全面通风量。

目前对于矩形狭长隧道型空间的研究较少，同时由于其过程较复杂，也不可用一般的解析求解方法[5]，故采用相对原理对其进行近似后使用实验方法对该狭长空间进行研究[6～8]。该研究的实际问题虽然具有一定的特殊性，但研究成果依然可对诸如采空区的瓦斯浓度场等多源汇的通风问题[9]等有一定的借鉴价值。

1 复杂扰量及排热问题的难点分析

该实际工程为一个一端开启一端封闭的矩形狭长隧道型空间，尺寸为132m×16.6m×8.9m，靠近封闭一端两侧有对称排风口，对空间进行单向全面排风。空间内存在两对强扰动气流，在靠近开启一端放置有一个不规则组合体，两股热射流与两股工艺气流均存在于该组合体的范围内。其中两股高温热射流参数相同，从空间内吸气，加热后重新喷到空间内，热射流出口为直径900mm的圆形风口，与垂直方向成30°角，源流进口为3m×2.4m的矩形风口；该空间内同时存在两股工艺气流，空气由组合体上的条形风口吸入，垂直地面方向吹出。工程主要靠全面通风的手段来消除热射流产生的大量热量，使其不会造成空间内的人员伤亡。研究对象狭长空间及内扰布置示意图如图1。

在该工程中，强扰动气流中的源特征气流有热射流出风口、工艺气流出风口，汇特征气流有热射流进风口、工艺气流进风口。由于热射流出口与垂直方向存在一定夹角，工艺气流出口方向垂直于地面方向，同时还存在一股由于全面通风形成的横向气流，所以空间内的气流场与温度场的分布较为复杂。故本研究的难点在于，如何在无法进行足尺度实验的条件下，通过模型实验与计算对全面通风量进行优化，得出符合实际的最优全面通风量。

2 实验原理及相似变量确定

本文的实验模型是依据相似理论搭建而成的，并在其基础上进行了实验，用于近似地描述实际问题。

2.1 实验原理

根据相似理论，要保证两个流动问题的力学相似，必须保证两个流动几何相似，运动相似，动力相似，以及两个流动的边界条件和起始条件相似。由于流体的运动微分方程是反映着惯性力、质量力、压力、黏性力和弹性力等诸力的平衡关系，因此，可以从运动微分方程中导出相似准则数。

式中：△p为压力差，Pa；ρ为密度，kg/m3；u为流速，m/s；l为长度，m；v为运动粘滞系数，m2/s；μ为动力粘滞系数，kg/(s·m)；λ为导热系数，W/(m·K)；cp为定压热容，kJ/(kg·K)。

要使模型与原型的这四个准则数完全相同几乎是不可能的，需要对模型进行一定的简化。由于Pr只包含流体的物理参数，当期原子数目一定时，Pr为一个常数，与温度和压力无关，该研究中用常温空气来模拟非等温热烟气流动，两者的Pr数可以认为近似相等；由于可以适当增大模型热射流的Re数，使其进入与实型相同的自动模拟区，Re即可自动相等；同时由定性物理量组成的相似准数，相互间存在着函数关系。在考虑不可压缩流体流动的动力相似时，根据力的多边形相似法则，决定流动平衡的四种力：粘滞力、压力、重力和惯性力之中，必有一力是被动的，只要三个力分别相似，则第四个力必然相似。因此，在决定动力相似的三个准则：Eu，Fr，Re中，必有一个是被动的，相互之间存在依赖关系：Eu=F(Fr，Re)。故可认为Eu是被动准则数，当其余三个准则数相似时，Eu数自动相似。故式（1）转化为：

式中：T0为室内空气温度，K；Tj为热射流出口温度，K；ρ为热射流出口空气密度，kg/m3；ρ0为室内空气密度，kg/m3；dj为热射流出口直径，m；u为热射流出口风速，m/s；△Tc为热射流与室内空气温度之差，℃。

2.2 模型比例尺

根据相似原理，要保证模型实验与实型的相似，需要保证相似准则数相等，即：Ar，其中Ar’为实验模型对应的阿基米德数。几何比例尺：Cl=，温度比例尺：CT0=，温差比例尺：，速度比例尺：，风量比例尺：。

一般经验模型的雷诺数的第二临界值为1×104~ 0.5×104，为了使模型实验的雷诺数可以进入与实型相同的自动模拟区，同时考虑到具体的实验条件，令Cl=1/12；同时实型环境温度T0为308.15K，实验工况温度T0’为300.15K，可以得到CT0=0.974；又根据实验台所选风机的性能，与实型风速相对应后可以得到Cu= 0.12。

综上所述，通过计算可得模型比例尺（表1）。

考虑到实际工程中可能达到的全面通风量与热射流温度，依据比例尺，设定实验中全面通风量与热射流温度如表2、3。

2.3 模型实验台

运用RevitArchitecture软件对实验台模型进行设计，并使用RevitMEP软件对模型的风系统进行设计。该实验台共有3套风系统，分别是模拟工艺气流风系统、模拟热射流风系统及位于封闭端全面通风系统。

该实验涉及到对热射流温度、狭长空间入口处空气温度、全面通风出口处空气温度的测量，均使用T型铜-康铜热电偶探头（测量范围-200℃～350℃，测量精度为±0.1℃）与HYDRA Fluke数据采集仪。同时有工艺气流流量与全面通风量的测量，使用微压计来测量。具体模型见图2～3。

3 实验结果分析

本实验分别对实验台在不同热射流温度、不同全面通风量下模型内各测点的温度进行测量，用来研究该矩形狭长型空间内热射流温度以及全面通风量的改变对排热效率的影响。

根据传热学第一定律，在不考虑该狭长空间向四环境漏热量的基础上，可知该空间内热平衡方程为：

代入各值即为：

由于：mc≈m0；cc≈c0。定义基于热平衡方程的排热效率：

式中：Qc为全面通风排风口排出总热量，J；Qj为热射流进入总热量，J；Q0为全面通风进风口进入总热量，J；mc为全面通风出口单位时间质量流量，kg/h；Gc为全面通风出口单位时间风量，m3/h；Tc为全面通风出口温度，K；mj为热射流出口单位时间质量流量，kg/h；Gj为热射流出口单位时间风量，m3/h；m0为进风口单位时间质量流量，kg/h；G0为进风口单位时间风量，m3/h；Ta为矩形狭长隧道型空间内空气温度，K。

由于存在空间壁面向四周环境的热传递，可知该排热效率小于1。同时，由该式可知，排热效率E与风量比以及温度比有关。其中，风量比为全面通风出口单位时间风量与热射流出口单位时间风量的比值，温度比为热射流出口温度与室内空气温度的比值。

3.1 风量比对排热效率的影响

通过当热射流温度一定时，改变全面通风量的方法，可以得到不同的全面通风量对排热效率的影响规律，结果如图4～5。

在不同热射流温度下，随着全面排风量的增加，排热效率的变化规律基本相同，但波峰值对应的风量略有不同，故将五条曲线分为图4与图5。由图4可得，当热射流温度分别为462K、509K、591K时，风量比为4.5，即全面通风量为144.7万m3/h时，排热效率达到一个波峰，可作为一个最优的全面通风量，往后再加大到160万m3/h风量时，排热效率会有所降低，这时单纯靠增大全面通风量已经不能再得到很好的排热效果，需要加入其他辅助排热措施，如喷雾降温等。由图5可知，当热射流温度分别为680K、709K时，风量比为5，全面通风量为159.7万m3/h时，排热效率可达到峰值，由此可以确定该温度下对应的最优的全面通风量。同时，图中射流温度升高，曲线峰值出现位置的后移；也符合内部射流温度越高，所需求的全面通风量越大的常识。

1）tj=462K时：

2）tj=509K时：

3）tj=591K时：

4）tj=680K时：

5）tj=709K时：

对比公式不难发现，在所研究的热射流温度范围内，当其在680K左右时，C2值最大，即该温度下排热效率对全面通风量的变化最敏感，可见，在热射流温度为680K左右时，通过改变全面通风量来提高排热效率可以收到较好的效果。

3.2 温度比对排热效率的影响

通过当全面通风量一定时，改变热射流温度的方法，可以得到不同的热射流温度对排热效率的影响规律，结果如6。

由图6可以看出，在相同全面通风量下，热射流温度对排热效率的影响较为复杂，无法得出一致的规律。但可以看出，在相同的热射流温度下，随着全面通风量的增加，排热效率整体呈增大的趋势，这也印证了图四与图5中曲线有上升的趋势。

4 结论

本文通过实验，得出对于该存在强扰动气流的矩形狭长型空间，在消除其高温余热的过程中，热射流温度与全面通风量的改变对排热效果的影响规律。

1）在同一热射流温度下，可以得到一个经济合理的排热通风量，在该风量下，排热效率达到最大值。当超过该合理通风量时，风量的增加已经不能改善排热效率，需要引入如喷雾降温、增加气流诱导等降温方式。在实际工程中，当热射流温度小于591K的范围内，合适的全面通风量值约为144.7万m3/h，当热射流温度位于591～709K时，合适的全面通风量值约为159.7万m3/h。

2）在实际工程中，同样使用改变全面排热通风量的方法来排出存在强扰动气流的狭长型空间内的热量，当热射流温度达到680K左右时，排热效率对全面排热通风量的改变反应更加敏感，此时通过改变全面排热通风量来增加排热效率的方法更为可行。

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Resea rc h on Op tim iza tiono f Hea t Exhaus t Ven tila tion fo r the Strong Hea t Dis tu rban c e in Long and Na rrow Spa c es

LIU Jing,ZHANG Xu,LUO Ping
CollegeofMachinery and Energy Engineering,TongjiUniversity

As heat is hard to be exhausted in the long and narrow spaceswhich has strong heat disturbance,general ventilation is used in this paper to clear up the heat which continual diffuse in the space.According to the sim ilar principles,an experiment system is set up w ith the help of the software-Revit.In this system,the heat efficiencydifference is given out while hot jet temperature and heat exhaust ventilation rate is varied.Based on the comparison of exhaust heat efficiency in this paper,it shows thatwhen the jet temperature is less than 591K,1.447 millionm3/h is theoptimalventilation rate;when the jet temperature isbetween 591K and 709k,1.597millionm3/h is the optimalventilation rate.

long and narrow space,generalventilation,similarprinciples,heatefficiency

1003-0344（2014）03-001-4

2013-5-7

张旭（1955～），男，博士，教授；上海市同济大学机械与能源工程学院（201804）；E-mail:zhangxu-hvac@tongji.edu.cn