送风入射角对机械通风的影响研究

唐长江



送风入射角对机械通风的影响研究

唐长江

（中机中联工程有限公司 重庆 400039）

采用CFD技术对某火电厂配电间的机械通风降温效果进行了数值模拟分析，重点探讨了送风入射角度对设备散热的影响。研究结果表明，送风入射角度对室内温度场和速度场以及热源换热有较大影响。送风入射角为60°时，送风气流大部分直接流向热源区，此时速度分布较为均匀，且配电间各典型位置温度最低；综合配电间温度场、速度场和各典型位置温度分布情况，可以认为送风入射角为60°时，通风降温的效果最佳。

火电厂配电间；机械通风；送风入射角度；CFD模拟

0 引言

配电间是电厂内重要的设备房间，室内一般布置一套至多套配电系统。配电系统一般包括配电盘、变压器及母线桥等，其中配电盘和变压器为主要的发热设备，需通风降温。配电间为封闭式房间，室内设备发热量较大，且电厂空气含尘量较大，仅自然通风无法满足设备的通风降温要求；所以配电间通常采用正压送风加机械排风的方式通风降温。目前在工程实践和设计中，配电间通风量按照热平衡且采用均匀混合通风假设来确定，送风入射角多凭经验取值；这种设计方法没有充分考虑有限空间强热源扰动引起的气流和温度分布不均的影响，实际的通风效果不能达到理想状态。因此，通过理论研究寻求合理的送风方式是配电间通风系统设计和优化的重要前提。

另一方面，计算流体力学CFD是通过数值模拟方法，分析流体流动和传热等物理现象的技术[1]；随着计算机技术的发展，CFD技术也日趋成熟，目前已广泛地用来解决各种工程流动和传热问题[2]。而且近几年来，数值模拟方法越来越多地应用到暖通空调领域，用于分析工程问题的速度场、温度场、污染物浓度场等，成为了工程设计领域不可缺少的手段和方法[3]。

本文将采用CFD模拟技术对某火电厂配电间机械通风进行数值模拟分析，研究其室内温度场、速度场分布规律，并在此基础上分析不同的入角度送风对室内通风降温效果的影响特征，从而得出最佳通风方案。本文研究结果将为火电厂配电间通风设计提供技术参考[4-7]。

1 配电间通风的CFD模拟方法

1.1 物理模型

某火电厂配电间建筑尺寸为7.5m（长）×15m（宽）×4.2m（高）。室内有1m（长）×1m（宽）×2.2m（高）的配电盘10个；1m（长）×0.8m（宽）×2.2m（高）配电盘12个；1.45m×（长）2.2m（宽）×2.2m（高）的变压器2个，上述设备均为热源。用一台送风机和四台排风机进行机械排风，送风机风口尺寸为510mm×360mm（长×宽）3个，排风口尺寸为460mm×460mm（长×宽）4个。在CFD模拟过程中进行了部分简化，具体如下：

（1）配电盘和变压器均为对称排列，各自定义为两个整体。

（2）因为相对于配电盘和变压器，室内的照明，电线等发热量较小，不予考虑。

（3）由于建筑体量较大，且设备均为对称布置，所以本次模拟建模取实际模型一半即可[8]。

根据以上简化，建立物理模型如图1所示。送风口设置在送风管上，距地面3.1m；排风口设在建筑的侧墙上，距地面2.77m处。图中Inlet 为送风口，out let 为排风口；pei dian pan和bian ya qi为内热源。

图1 物理模型

1.2 数学模型

采用控制方程包括连续性方程、动量方程和能力方程，如下所述：

（1）连续性方程

（2）动量方程

（3）能量方程

（4）紊流能量耗散方程

（5）紊流能量传递方程

紊流模型采用-双方程紊流模型。壁面按照固体壁面无滑移边界条件处理，-模型的近壁面处理采用标准壁面函数法[9]。由于房间壁面换热较小，采用绝热边界条件；送风口采用速度入口边界条件（Velocity inlet），风速为9m/s，室外通风温度取306K；取送风入射方向与垂直立面之间的角度为送风角度；排风口采用压力出口边界条件（Pressure outlet）；内热源采用除地面外的其余五个面为面热源边界条件，配电盘热流密度为57.6W/m2，变压器热流密度为758.4W/m2；地面（包括热源底面）和墙体为绝热边界条件（wall）；中心面为对称面边界条件（symmetry）。另外根据本通风设计参数，出口温度定为313K[10]。

基于以上的模型和边界条件，采用有限体积法对方程进行离散，其中对流项采用二阶迎风格式，离散方程的求解采用速度和压力的藕合采SIMPLEC算法进行求解[11,12]。

2 模拟结果分析与讨论

2.1 室内温度场分布

图2～图7给出了送风入射角在15°～90°范围内的室内高度2.2m断面的温度场。

可以看到，温度场分布距热源位置越近温度越高，且在变压器周围温度达到最高。另一方面，当送风入射角在15°～60°范围内变化时，断面平均温度随着送风入射角度的增大呈下降趋势，入射角在60°时降至最低值；当送风入射角在60°～90°范围变化时，断面平均温度随着送风入射角的增大呈上升趋势，入射角在90°时达到最大值。其中送风入射角15°时，室内环境最为恶劣，远远超出设计要求。

图2 入射角15度时2.2米温度分布

图3 入射角30度时2.2米温度分布图

图4 入射角45度时2.2米温度分布

图5 入射角60度时2.2米温度分布

图6 入射角75度时2.2米温度分布

图7 入射角90度时2.2米温度分

2.2 室内速度场分布

图8～图10分别是送风入射角为15°、60°、90°时的热源中心垂直面的空气流场分布图。从图中可以看到，送风入射角为15°和90°的空气流场中有较多的漩涡区，整体分布不均匀；当入射角为15°时送风气流大部分向下流动，产生漩涡，水平方向流动较弱；当入射角为90°时送风气流大部分朝水平方向流动，垂直方向流动较弱，且在水平方向上产生回流。当入射角为60°时送风气流分布较为均匀，在热源集中区域的风速普遍较高，效果明显，气流组织更合理。

图8 入射角15度时X=2.1m流场分布

图9 入射角60度时X=2.1m流场分布图

图10 入射角90度时X=2.1m流场分布图

2.3 模拟数据讨论

针对模拟结果：（1）取可代表热源周围温度的三个平面的平均温度（Z=0.1m平面、Z=1.1m平面，Z=2.1m平面）；（2）取离高温面热源变压器附近中心点作平均温度（点1：X=1.1m，Y=2.1m，Z=1.1m；点2：X=2.7m，Y=2.1m，Z=1.1m）；（3）取X方向典型平面（X=2.7m平面）平均温度。

对上述（1）、（2）、（3）三种方式所取典型面和点的温度进行比较分析，结果如图11所示。

图11 各温度随不同入射角的分布图

3 结论

（1）当送风入射角在60°～90°范围内时，通风效果能达到设计要求。

（2）当送风入射角在15°～90°范围内变化时，各垂直断面的平均温度先下降再升高；送风入射角为60°时该位置温度最低。

（3）当入射角为60°时送风气流大部分直接流向热源区，且速度分布较为均匀。

（4）综合配电间温度场、速度场及各典型温度分布情况，可以认为送风入射角为60°时，通风降温的效果最佳。

总之，不同的送风入射角度对室内通风降温影响很大，在工程中需要结合实际，选择最优的送风入射角度，才能达到更好的通风效果。

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Influence of Incident Angle of Supply Air on Mechanical Ventilation

Tang ChangJiang

( CMCU engineering Co., Ltd, Chongqing, 400039 )

The numerical simulation analysis method was used to study the cooling effect of mechanical ventilation in a heat-engine plant distribution room. The influence of incident Angle of supply air on equipment cooling was mainly discussed. Research results showed that the incidence angle of supply air had a great influence on indoor temperature field, velocity field and heat transfer of equipment. When the incident angle of air supply was 60°, most of the supply air flowed directly into the heat source area, and the velocity distribution was relatively of uniformity. Besides, there was the lowest temperature in the typical positions of the room. Thus, it can be deduced from the temperature field, velocity field and the temperature distribution of typical position that when the incidence angle is 60°, the ventilation cooling effect is best.

heat-engine plant distribution room; mechanical ventilation; incident Angle; CFD simulation

1671-6612（2016）05-577-05

TU834.29

A

2015-08-20

作者（通讯作者）简介：唐长江（1987-），男，硕士，助理工程师，E-mail：tchangjiang@126.com