CFD模拟及有限元分析在大型气候实验室动态负荷计算中的应用

中国航空规划设计研究总院有限公司 申 剑 傅建勋 刘银萍

0 引言

负荷计算是暖通设计的基础，常规建筑的冷热负荷计算都是基于稳态进行的，而对于气候实验室类项目则不适用。气候实验室的工艺要求，在指定时间里室内温度达到设定值，这个过程中围护结构无法达到稳态，所以瞬时负荷的计算无法采用常规的稳态计算方法。

关于非稳态负荷计算，秦跃平研究了优化的有限体积法计算方法[1]；刘向伟对多孔介质内的热湿耦合传递进行了非稳态模拟[2]；陈艳华采用试算法进行了非稳态导热计算[3]；李向前[4]、周娟[5]探讨了非稳态传热计算的发展过程和新的计算方法。但上述文献大都基于室外温度、太阳辐照度等变化进行非稳态负荷计算，或分析非稳态计算中各种参数的影响因素等，都是从外部条件变化分析对负荷变化的影响和计算方法，未对整体工程进行分析，缺乏实际工程的应用和定量研究，且不适用于气候实验室类建筑。本文以某工程为例，进行非稳态计算研究，并将计算结果应用于工程中。该工程经过1 a运行，满足使用要求。

1 工程概况

该气候实验室为房中房，实验舱尺寸为61.0 m×79.2 m×22.8 m(长×宽×高)，墙体和吊顶采用200 mm厚聚氨酯保温材料，密度为30 kg/m3，导热系数为0.03 W/(m·K)，比热容为1.38 kJ/(kg·K)；大门保温材料为400 mm厚岩棉，密度为80 kg/m3，导热系数为0.05 W/(m·K)，比热容为1.22 kJ/(kg·K)。因工程承载的要求，土建确定地坪采用300 mm厚混凝土+300 mm厚泡沫玻璃+300 mm厚混凝土的结构形式，混凝土密度为2 500 kg/m3，导热系数为1.74 W/(m·K)，比热容为0.92 kJ/(kg·K)；泡沫玻璃密度为120 kg/m3，导热系数为0.04 W/(m·K)，比热容为0.80 kJ/(kg·K)。空调系统采用上送风、侧下回风的气流组织，在上部均匀布置喷口，在距地0.2 m处布置2个回风口，见图1。

图1 实验室剖面图

2 室内空气温度、围护结构内表面温度模拟

根据工艺要求，低温工况要求空态24 h，室温由30 ℃降至工作温度-55 ℃，并维持该工作温度72 h；高温工况要求空态8 h，室温由10 ℃升至工作温度74 ℃，并维持12 h。

课题研究是针对冷热负荷分别进行的，因受篇幅限制，本文仅对冷负荷进行分析。研究思路为：1) 采用Fluent软件进行CFD模拟，得到室内温度场的变化情况；2) 根据计算结果，对墙体、吊顶、大门及地板采用ANSYS软件通过有限元分析方法进行非稳态温度场分析；3) 根据围护结构每个时刻的热流密度计算各时刻的瞬时冷热负荷。

该工程围护结构不稳定传热过程和室内空气温度不稳定变化过程是耦合的，模拟计算同时考虑了这2个因素。

为便于计算，将弧形吊顶简化为折线形，所建模型见图2。

图2 实验室模型

实验室内空气流动为低速、不可压缩流体流动，属于自然对流、强迫对流并存的定常流动混合湍流流动。数值模拟根据实际物理边界进行了合理简化。

1) 固定壁面边界条件，即固定壁面主要是室内的墙壁、天花板、地板等，固定壁面的速度分量为零，温度边界条件按照第三类边界条件给出。

2) 入流和出流边界条件，即入流边界条件给出的是入口处的速度、温度及湍流动能和湍流动能耗散率等参数，出流边界条件按照出口单向流动考虑。

3) 考虑各围护结构表面之间的辐射换热。

4) 围护结构密闭，不考虑空气渗漏。

5) 初始条件，给出计算的初始值。

6) 大门外表面对流换热系数取23 W/(m2·℃)，墙体、吊顶外表面对流换热系数取8.7 W/(m2·℃)。

以低温工况为例。室外条件按夏季设置，分3个阶段送风：第1阶段送风温度为5 ℃，2 h后进入第2阶段；第2阶段送风温度为-32 ℃，送风2 h后进入第3阶段；第3阶段送风温度为-70 ℃。总送风时间为24 h。

第1阶段送风温度设定为5 ℃，是考虑到在降温至冰点前将空气中的水分除去，避免在送冷风时出现结冰现象而影响工作效率或损坏制冷设备。

为了得到较好的室内温度场、速度场，分别按200 000、250 000、300 000 m3/h循环风量进行模拟，再选取较合理的风量进行计算。

根据模拟结果，送风量为200 000 m3/h时，工作区温度无法在规定时间内达到-55 ℃；送风量分别为250 000、300 000 m3/h时，室内温度分别达到-55 ℃和-56 ℃。以300 000 m3/h风量为例进行模拟，结果见图3。

图3 温度场分时截图(竖向、风口处)

在室内工作区选定2个有代表性的空间点位进行温度跟踪，其温度变化情况见图4。

图4 工作区2个选定点温度随时间变化曲线

送风口下方和实验室中心地带温度随高度的变化模拟结果见图5。

图5 送风阶段末期(24 h)实验室中心附近测点温度随高度变化曲线

从图4可以看出，在各送风阶段前期室内空气温度迅速降低，约30 min后温降变缓，然后逐渐趋近送风温度，在各送风阶段末期室内空气温度场基本均匀一致。

把模拟的室内温度作为输入条件，进行围护结构内表面温度模拟。墙体(包括吊顶)、大门、地板各内表面温度变化情况见图6。

图6 墙体(吊顶)、大门、地板内表面温度随时间变化曲线

从模拟结果可以看出，围护结构内表面温度在5.5 h内变化较大，之后趋缓。各送风阶段末期围护结构内表面温度见表1。

表1 各送风阶段末围护结构内表面温度 ℃

3 非稳态负荷计算

根据围护结构内表面温度的变化情况，依据有限元软件进行热流密度的计算，结果见图7。

图7 墙体(吊顶)、大门、地板热流密度随时间变化曲线

在室内大通风量的情况下，内表面对流换热系数较大，对流热阻很小，所以在改变系统送风温度后，围护结构内表面温度会快速变化，而围护结构内部热阻大，导致其内部温度变化较慢，所以各围护结构热流密度先增大，5.5 h达到峰值，然后下降，直至趋于稳定。墙体(吊顶)、大门的主要材料是热容很小的聚氨酯保温材料或岩棉，所以热流密度不大，且达到峰值后迅速下降而后平稳；地板是热容较大的钢筋混凝土，热流密度非常大，达到峰值后下降平缓，在计算时段末期还处于热流密度下降阶段。各送风阶段围护结构热流密度典型时刻数值统计见表2。

表2 各送风阶段典型时刻围护结构热流密度 W/m2

以上模拟主要是针对围护结构进行的，在计算实验室空调负荷时，还需要考虑室内空气的负荷。在计算过程中发现，随着温度的降低，空气密度会增大，体积会变小，为了维持实验室内压力平衡，需要向室内补充新风。所以空气负荷包含室内原有空气的冷负荷和补充的新风负荷。

该实验室采用转轮除湿，所以按照表冷器不承担潜热负荷进行分析，根据式(1)可以计算出各阶段的空气负荷：

(1)

式中q为空气负荷，kW；m为空气质量，kg；Δh为空气比焓差，kJ/kg；Δt为降温时间,s。

第1阶段结束时，空气干球温度为10.5 ℃，含湿量d=0.01 g/kg，第1阶段的空气比焓差为24.8 kJ/kg；第2阶段结束时，空气干球温度为-18 ℃，含湿量不变，第2阶段的空气比焓差为28.8 kJ/kg；第3阶段结束时，空气干球温度为-57 ℃，含湿量不变，第3阶段的空气比焓差为39.4 kJ/kg。

经计算，各阶段最大瞬时动态负荷见表3。

表3 各送风阶段所需的最大负荷 kW

热负荷的计算与冷负荷的计算不完全一样，但计算路径一致，本文不对热负荷计算进行赘述。需要注意的是，加热工况下室内空气因温度升高、密度减小，实验过程中一直处于向外排风(泄压)状态，故空气负荷略有减小。

4 结语

从本文计算结果可以看出，气候实验室地板负荷很大，最大负荷占总负荷的86%，所以地板对负荷的影响最大，对其需重点考虑。另一个值得注意的问题是，空气因为温度变化而引起密度变化，从而导致体积变化，在制冷工况时，需要考虑因补充空气所增加的冷负荷，同时要考虑空气体积变化对围护结构带来的压力变化，应采取相应的压力平衡措施。

该气候实验室在实施阶段根据计算结果进行冷热源选择，项目经过1 a的运行，满足使用要求。说明本文的计算方法可行且相对准确，可供类似项目参考。