锥面射流作用下吸气流动用于高温车间局部降温的模拟分析.doc

1、1锥面射流作用下吸气流动用于高温车间局部降温的模拟分析摘要:在大型的高温工业车间内，有时温度常高达 40以上，工人的舒适程度降低。锥面射流作用下的吸气流动在高温车间局部区域内形成稳定的吹吸流动场，喷口送出的冷风与人体周围空气全面换热，使得人体周围空气温度相对均匀。此文采用 CFD 理论对其进行数值模拟，对部分工况绘制图表，分析此设备参数下最佳送风温度的范围和流场内的温度变化。 关键词:锥面射流;高温车间;温度场;数值模拟 Abstract: Sometimes temperature often as high as 40 in the high temperature industrial

2、workshop, workers comfort become lower. Cone jet under the action of suction flow in high temperature workshop local area to form stable blowing and flow field, nozzle send out the cold and human surrounding air comprehensive heat exchange, make human body surrounding air temperature is relatively u

3、niform. This article using CFD theory carry on the numerical simulation, the working condition of part drawing chart, analysis the equipment parameters of the best supply air temperature range and flow field of temperatures change. 2Keywords: cone jet;high temperature workshop;temperature field;nume

4、rical simulation 中图分类号：F287.2 文献标识码：A 文章编号： 一引言 采用全面通风的方式改善整个高温车间的空气环境，及困难又不经济，对于某些大型的高温车间，没有必要对整个车间进行降温，只需向个别的局部工作地点送风，在局部地点造成良好的空气环境，这种通风方式称为局部送风。其指导思想是哪里需要，就送到哪里。局部送风实现对局部地区降温，而且增加空气流速，增强人体对流和蒸发散热，以改善局部地区的热环境。 上世纪 80 年代初，丹麦学者 C.P.Aaberg 提出射流作用下吸气流动原理，将两种基本流动（射流与吸入流）联合在一起作用可提高吸入速度并具有定向性。我国学者在 20 世

5、纪 90 年代初，开始将该原理应用到对污染物的控制方面1-2。1996 年，国内学者给出了二维射流作用下的吸气流动有效作用范围的理论计算方法，应用吸气流场速度分布的计算结果，采用数值计算法确定有效作用范围，通过实验台上发烟所确定的有效作用范围的实测值对理论计算结果进行了校验，进行必要的修正后，可供工程设计及进一步研究参考。根据以往研究3-4和本射流的特性，现将此射流作用下吸气流动原理应用于局部降温，组织成一个稳定有效的、使得人体周围温度均匀的吹吸流场，并符合热舒适性与空气扩散性能指标5，以便此通风装置能在生产中早日发挥作用。 二计算模型 31 几何模型 模拟对象是一个锥形 Aaberg 排风罩

6、，此排风罩设备应用于工作人员的工作地点比较固定的高大高温车间，高温车间的温度设计为 40，设备如图 1 所示。设备在工作人员的上部空间，空气射流口喷出冷风，冷风射流经过工作区，与工作区域周围的高温空气全面换热，为人员的工作地点降温后，气流流向吸气口，使得工作人员被包裹在经过换热的吹吸流场中。此设备为轴中心旋转对称图形，笔者设计了一个高 3m、宽 3m的计算区域，喷口与吸气口距离地面 2.5m。喷口与吸气轴线成一定角度。为了使此设备形成的温度环境满足工作地点的需要，将严格参考国家规范6进行分析；为了准确的分析工作区的温度值，在吸气周线上至地面起延 Y 轴正方向依次划分了间隔为 30cm 的六个等

7、份(共七个点)。几何模型如图 2 所示。 图 1 设备刨面示意图 图 2 几何模型 2 数学模型与数值方法 根据湍流的模型理论、控制方程、数值计算方法和物理模型，在计算机系统上进行模拟计算。具体方法如下：（1）对计算区域采用四边形网格进行划分，为了改善网格质量，对网格进行平滑与交换单元面并且确定网格长度单位为 1cm，共有近 788 个网格单元、1648 个线与 861 个网格节点，显示网格，网格质量较好。 （2）采用非耦合求解法求解器、4隐式算法、时间属性为定常流动、速度属性为绝对速度。 （3）湍流模型选择方程。 （4）选择能量方程。 3 边界条件的选择 （1)入口边界：喷口边界设置为速度入

8、口边界。 （2)出口边界：吸气口边界设置为速度入口边界，但因是吸气口，速度设为负值。 （3)区域边界：区域的左右两边和上部边界设置为自由流出，区域为高大厂房空间。 （4)固体壁面：地面与其他未提及的设备面设置为壁面边界，壁面设为无滑移边界条件，壁面是光滑的，所以其粗糙度的厚度值为零。 三计算工况 本文保持设备高度、设备尺寸、送风速度和吸气量不变的前提下，对只改变送风温度的五种工况进行了模拟，分析了每种工况下的温度场。具体参数为：设备下端距地面 2.5m，喷口倾斜角（喷口轴线与吸气轴线的夹角）=70、喷口宽度 b=6cm、吸气口直径 d=40cm、送风速度V=13m/s、吸气量 Q=1000m3

9、/h。五种计算工况如表 1: 表 1 计算工况 四结果 不同的工况会在计算区域产生不同的温度场，在每次完成各工况之5后，都记录下吸气轴线上距离地面不同高度的七个点的温度值。为了更好的分析五种工况下的温度场与更方便比较不同工况下在同一点产生的温度值，现给出工况 A 的温度场图像图 3、五种工况下的温度值数据表 2 以及更加清晰直观的图 4。 图 3 工况 A 温度场示意图 由图 3 可知：在高温车间中工作人员所在的工作区温度有了明显的降低，并且区域内温度均匀，避免了以往局部送风使工作区域温度梯度过大的缺点。 表 2 吸气周线上的温度（） 图 4 吸气周线上的温度 观察图 4 可知，在设备高度、设

10、备尺寸、送风速度和吸气量不变的前提下：随送风温度的降低工作区的温度也会有相应的降低；送风工况不变时吸气周线上各点的温度值延 Y 轴的增加而降低；送风温度增加或降低到某一程度时，工作区温度将会不符合系统式局部送风7冬季工作地点温度设计要求。系统式局部送风冬季工作地点温度要求按国家按规范设计。 五结论 61 在上述的工作环境、设备尺寸、送回风参数下，工况 B、C、D 产生的温度场满足系统式局部送风冬季工作地点的温度要求。在每种工况产生的温度场中，吸气轴向上的温度值延 Y 轴的正方向而递减。 2 满足系统式局部送风冬季工作地点温度要求的 B、C、D 送风工况中，C 工况在工作区域产生的温度最平均。

11、3 此锥面射流作用下产生的温度场与传统的局部送风相比，温度值很平均、温度梯度小，人员在此工作会更加舒适。 参考文献： 1 林豹,于广荣. 射流作用下的吸气流动特性研究J. 通风除尘,1990,(3):1-7 2 林豹. 具有射流作用的槽边排风罩的研究 J. 暖通空调,1992,22(6):24-30 3 林豹. 圆形射流作用下吸气流动特性的研究C. 辽宁省首届学术年会论文集,2001 4 董立国,林豹. 环形射流作用下吸气流动的研究J. 暖通空调,2003,33(3):27-29 5 Allan T.Kirkpatrick and James S.Elleson.COLD AIR DISTRIBUTION SYSTEM DESIGN GUIDEM. 1 版.北京：中国建筑工业出版社,1999:31-32 6 中国有色工程设计研究总院 . GB 500192003 采暖通风与空气调节设计规范S. 北京：中国计划出版社，2004 7 孙一坚. 工业通风M. 3 版. 北京：中国建筑工业出版社，71997：201-203