极端温度下帐篷内部热环境适应性实验及模拟研究*

2022-12-14宋舆涵兰明强李亚运林虹霞刘小勇

中国安全生产科学技术 2022年11期

宋舆涵，兰明强，李亚运，郭贤，林虹霞，刘小勇

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥 230022；2.清华大学合肥公共安全研究院灾害环境人员安全安徽省重点实验室，安徽合肥 230601；3.安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601 )

0 引言

帐篷是1种简单快捷的特殊建筑形式，多用于旅游、工程施工和救援等方面，尤其对于突发灾害救援，帐篷因其搭建快速的优点，在抢险救援方面扮演重要角色[1]。由于帐篷经常作为过渡性建筑而非常规性建筑使用，考虑其运输成本和生产方式，市面上的民用救灾帐篷多使用PVC 或PU涂料层面料制作，这使得帐篷透气性较差，帐篷室内环境恶劣。因此，针对救灾帐篷开展环境适应性研究，对于提升帐篷技术含量，改善帐篷内部居住环境，提高灾民过渡时期的生活质量具有十分重要的意义[2]。

对于建筑物内部热环境分布研究，一般采取自然环境下测量与观察的手段，即在一段时间周期内，对目标建筑物不间断地测量获得数据，该方法在帐篷热环境分布研究中得到广泛应用。Zhang等[3]使用特制后向反射材料作为帐篷的外表面开展实验，发现该材料可有效降低帐篷外表面温度，改善帐篷内外环境；Xu等[4]使用缩小模型的方法优化帐篷结构，减少热传递，并从理论上分析不同结构优化帐篷散热原理;Crawford等[5]通过低温严寒实验开展帐篷内部温湿度变化研究，建立评估帐篷内环境居住改善与生活舒适度的实验手段;王涛[6]通过实际灾区调研，结合当地气候对帐篷湿热环境划分不同季节、不同材质与不同天气工况，详细研究灾害环境中帐篷湿热环境舒适性能;李源等[7]结合风雨雪等天气条件，对整体折叠框架式帐篷进行研究，分析不同雪荷与风荷作用下帐篷结构的应力分布规律，为优化帐篷结构提供理论依据;于海龙等[8]基于大风自然条件开展大尺寸救灾避难帐篷实验，并在此基础上进行风荷与雪荷应力实验的数值模拟。目前，针对帐篷的研究大部分在自然条件下进行，需要在一段时间内不间断测量，以保证数据的有效性，导致时间成本较高且易受未知因素如天气、季节、风速等影响。此外，传统实验需要较长实验周期，在1个实验周期内，每天太阳辐射能和温度都在不断变化，不易精准控制周围环境温度，不能同时开展多种温度工况实验。

鉴于此，本文拟综合考虑我国常出现的高低温度环境[9]，采用气候温度模拟舱室，以温度调节风口作为帐篷内环境温度影响控制手段，代替自然光照等不可控因素，通过对流换热方式精确控制温度，深入研究帐篷内部热环境分布，以期为改善帐篷内部环境条件提供技术支持。

1 实验方法

实验系统如图1所示，主要由大尺寸气候调节环境舱、民用救灾帐篷、温度传感器及数采装置组成。该实验系统能够准确模拟帐篷周围发生的动态温度变化。

图1 实验系统Fig.1 Experimental system

大尺寸气候调节环境舱由清华大学合肥公共安全研究院提供，舱室规模为6.0 m×4.5 m×3 m，能够模拟高低温、湿热、雨雪冰冻等灾害环境。民用救灾帐篷尺寸均为2.5 m×2.5 m。将帐篷布置在环境舱室中央位置，其表面划分为侧顶面(左/右)、侧面(前/后/左/右)以及底面7个平面，其中底面与舱室底部壁面贴合，不计入数据统计范围。热电偶10个，分别布置在帐篷内部各壁面交线的交点处，数据采集频率设置为1 min/次。

本文实验系统使用的环境舱包含4个用于调节温度变化的送风口，每个送风口尺寸为0.15 m×0.6 m，风口温度变化率恒定，约为0.5 ℃/min，送风风速稳定，约为0.05 m/s，相比于整体舱室规模，该风速对舱内热环境变化的影响可忽略不计。

工况条件设置如表1所示。高温条件和低温条件是已记录的自然环境温度极限变化[10]，根据中国气象局记录，高温条件代表夏季等相对温暖时期，此时，日平均气温大约在 22 ℃～35 ℃ 之间，综合考虑极限温度和环境舱使用成本，选择地面极端高温50 ℃、极低温度-20 ℃作为模拟条件。

表1 实验工况设置Table 1 Setting of experimental conditions ℃

2 数值模拟方法

2.1 参数设置

本文研究重点是帐篷内外热交换引起的温度变化，因此使用Ansys Fluent代码同时进行帐篷外部仿真研究。

k-ε湍流模型适用于室内送风口的连续稳态气流，因此本文选用该模型进行研究。舱室壁面设置为绝热无滑移壁面类型，仿真软件难以满足温度连续变化模拟的功能，由于本文研究使用的环境舱室送风口温度随时间规律性变化，因此，本文采用UDF的方式控制风口温度。

在模拟工作中，帐篷外表面同样设置10个温度监测点，位置与内表面实验工况一致，这些监测点可以评估帐篷外部热环境传热效果。网格划分如图2所示。

图2 网格划分Fig.2 Grid division

2.2 网格独立性验证

在正式实验之前，需要对已经划分的网格进行网格独立性验证。本文研究使用计算机配置为CPU Intel I9-10980XE ，内存128 G，满足一般仿真需求。为节约计算时间成本，本文划分3种尺度网格，如表2所示。以帐篷前侧面顶点为例，在不同尺寸的网格内进行计算，结果如图3所示。由图3可知，由于网格1的尺寸较大，计算结果明显偏离，网格2与网格3计算结果趋于一致，考虑计算成本，选择网格2的数量作为本文计算用网格。

表2 网格设置Table 2 Setting of grid

图3 不同网格尺寸温度变化Fig.3 Temperature change of different grid sizes

3 实验结果讨论

对于帐篷内外各表面温度，实验测点布置如图4所示，取各面交点处传感器温度均值作为该表面温度[11]。

图4 实验测点布置Fig.4 Layout of experimental measurement points

低温工况与高温工况的数值模拟与实验监测点数据对比如图5～6所示。低温工况时，实验与模拟温度变化过程均为先下降后上升，高温工况温度均为先上升后下降，这表明帐篷内部热环境变化与外部趋势相同。对比数据发现，除帐篷后表面，实际实验时，低温工况帐篷内的温度比数值模拟帐篷外围温度更低，这说明低温下帐篷内部热环境变化更明显，出现冷室效应；高温工况同样帐篷内部环境温度较外围高，出现温室效应，此时内部各面温度由高到低依次为右侧面、左侧面、右面、左面、前侧面、后侧面，峰值在右顶面，为44.13 ℃。对于帐篷最靠近风口侧面，直接受风口热对流影响，风口吹出的冷风或热风频繁作用于该表面，使得该面的内外温度未有明显区别。

对于低温工况，沿帐篷纵向中心线(Z=3.0 m)建立温度切面，得到图7所示温度云图。由图7可知，当模拟时间小于40 min，由于帐篷的蓬围结构，使冷风接触到帐篷后侧面并沿此面上升，冷流逐渐运动至帐篷顶部区域，此时帐篷内部温度明显高于外部；当模拟进行到40～100 min时，帐篷内部温度比外部流场温度高，但内外温差逐渐减小，这是由于冷流沿帐篷后面向上运动后，通过帐篷门窗进入蓬围内部，而冷空气密度比热空气密度大，所以冷空气先聚集在帐篷内部下方，热空气则集中在上方[12]；当模拟时间大于100 min，由于热空气与下方以及门窗开口附近的冷空气作用，热量逐渐降低，根据热力学理论，冷却后的空气体积变小，这使得帐篷外更多的气体流入到帐篷内，帐篷整体温度更低，冷室效应出现直至模拟结束，这与图5中实验温度数据比模拟数据峰值更低现象一致。

图5 内外表面温度对比(低温工况)Fig.5 Comparison of internal and external surface temperatures (low temperature case)

图8为高温工况温度云图，其舱内空气运动趋势与低温工况基本一致。在前40 min，送风口出风温度不断上升，使周围空气受热膨胀，并沿蓬围结构上升，温度较低的空气受高温空气影响，通过帐篷门窗进入内部聚集；模拟大于40 min，由于舱内整体环境温度不断上升，低温空气不断受热；模拟至120 min时，帐篷内外温度基本趋于一致，此后温室效应开始出现，在140 min时尤为显著，大量高温空气滞留在帐篷内部，温室效应持续到模拟实验结束。

通过模拟在帐篷中心沿Y，Z轴建立高度区域线如图9所示，研究帐篷内部温度随高度和横向距离变化情况。高温工况中心温度分布如图10所示，在升温初期，各区域温度分布较均匀，当实验进行至140 min时，地面附近温度306 K，当高度增加到1.7 m时，温度增加到311 K,相当于正常成年人头部和脚部温差5 ℃，此时帐篷还处于门窗全打开工况下，若门窗全关闭,温度会进一步上升。低温工况中心温度分布如图11所示，对于低温工况下，降温初期帐篷内温度均匀，随环境舱进行内循环，冷风从门窗进入帐篷内部，头部和脚部温差3 ℃，120 min时帐篷内部0.6 m横向平面出现266 K低温。高0.6 m处横向区域分析如图12所示，当帐篷门窗全打开时，内部同一高度温度对称分布，在中心时温度最低为265 K，与实验温度变化趋势相同，其中实验数据帐篷中心温度比模拟温度更低，这与图7气流运动规律相印证。同理，高温工况也是中心区域温度相对较高，可见夏季高温时，应避免在帐篷中心生活。