工业车间自然通风数值模拟控制变量法.docx

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工业车间自然通风数值模拟控制变量法

摘要

自然通风可以有效的降低工业车间的作业温度，与机械通风相比，几乎没有能源消耗且经济环保，初期投资和运行成本都远低于机械通风，通过空气对流有效的排出室内有害气体，从而极大的改善室内的作业环境。

但是如何使厂房获得最大的通风效率就成为了一大课题。

本文利用CFD技术对某钢铁厂车间进行了数值模拟，根据热压和风压同时作用下的自然通风理论，使用Gambit前处理软件设计出该钢铁厂车间模型，因为厂房顶部形状不规则，网格划分采用四面体形，选择标准k-ε湍流模型、DO辐射模型和有限体积法，对该厂房的进风口、排风口等边界条件进行了设置与赋值，利用Fluent软件对该车间的自然通风情况进行了数值模拟和计算，并得到速度分布效果图与温度分布效果图，分析车间在热压作用下的自然通风规律。

通过使用控制变量法对不同工况条件下影响通风效率的因素逐一进行讨论并得出结论：

在厂房几何尺寸，其他工况条件不变的情况下，通过改变进风口高度h分析其对通风效率的影响，h为4m时比2.5m的通风效率高；通过进风口速度的结果图对比得出进风速度v越大，自然通风效果越明显；改变排风天窗的面积S时，通过对模拟图的分析得出150m2的通风天窗效果比100m2的好。

适当的进风口高度h和适当的排风口面积S以及尽可能大的进风速度v能够有效的提高厂房的通风效率，对工业厂房的设计有一定的参考意义。

关键词：

工业车间，自然通风，数值模拟，控制变量法

Numericalsimulationofnaturalventilationtallplantwithheatsource

Abstract

Naturalventilationcaneffectivelyreducetheoperationtemperatureoftheindustrialworkshop.Comparedwithmechanicalventilationandcooling,naturalventilationhasalmostnoenergyconsumptionandenvironmentalprotection,andtheinitialinvestmentandoperatingcostsarelowerthanmechanicalventilation.Itcanalsomaketheairconvectioninordertodischargetheharmfulgaseffectivelyandimprovetheindoorenvironment.Buthowtomaketheplanttoobtainmaximumventilationefficiencyhasbecomeabigproblem.

ThispaperuseCFDtechnologyinasteelfactorytosimulate,basedonthetheoryoftheactionofbuoyancyandwindundertheindustrialventilationnaturalventilation.Takethek-εturbulentmodelstandard,DOradiationmodelandthefinitevolumemethod,theuseofpre-processingsoftwareGambittodesignthesteelfactoryworkshopmodelanddrawtheconformingtetrahedralmeshoftheworkshopcalculation,theairinletandoutletboundaryconditionsweresetwiththeassignment.TheworkshopoftemperaturefieldandvelocityfieldweresimulatedandcalculatedbyusingFluentsoftware,toobtaintheworkshopofvelocitydistributionrenderingsandtemperaturedistributionrenderings.

Usethecontrolvariablesindifferentventilationtogainwhichfactorisefficiencyarediscussedonebyoneandtheconclusionsareasfollows:

inplant,thesameoperatingconditions,changingtheinletheight,theefficiencyandplanthighinletheightat4mthanintheventilationefficiencyof2.5metershigh,theairinletvelocityresultscomparisonofwindspeedishigh,thenaturalventilationeffectismoreobvious,changetheexhaustroofarea,basedontheanalysisofthedrawof150squaremetersofventilationskylighteffectthan100squaremeters.Theairinletheightandappropriateventareaandaslargeaspossibleintothewindspeedcaneffectivelyincreasetheventilationefficiency,issignificancefordesignofindustrialbuilding.

Keywords:

industrialworkshop，Naturalventilation，NumericalSimulation,controlvariatemethod

第一章绪论

1.1自然通风研究背景

随着中国国民经济水平的迅速发展，人们的生活水平有了很大提高，如何创造舒适的室内作业环境从而提高企业生产效率已然成为了一个重要课题。

我国是一个能源消耗大国，和世界发达国家一样，面临全球的能源殆尽和日趋严重的环境污染等诸多危机。

节能与改善室内空气品质成为国内外暖通界的两大挑战。

从1999年，欧盟各国联合开展了为期4年，由25个子题目组成的“健康行劝重点项目”，重点探索如何抵制对空调的依赖性，重新审视传统的自然通风，找出一种符合可持续发展理念的、节能的、健康的调节方式[1]。

因此，利用室外气候条件改善夏季的室内热环境是目前世界各国普遍关注的焦点课题。

清华大学的研究表明，自然风与机械风在频谱、湍流度等物理特性上有很大差别，因此给人带来的香邻感也不同，人们更乐意于接受自然通风。

自然通风是各类高大车间应用较多的一种经济的通风方式。

在有余热余湿的车间，大多都采用自然通风方式。

在炎热的夏季，室外气温较高，车间内平台上方生产线散发的热量无法排走，平均气温有时高达45℃，操作人员时有中暑现象发生。

建筑内部的通风条件是决定人们健康、舒适度的重要因素之一。

它通过更新空气气流，所产生的影响对人体的生理感观起到直接作用，并通过对室内气温、湿度及内表面温度的影响而起到间接的影响作用。

自然通风最基本的动力为风压和热压[2]。

通常的作法为利用建筑物外表面的风压，利用室内的热压，以及风压与热压相结合的方法。

目前，世界各国在越来越多的新建楼房及旧建筑改造中，开始尽量采用自然通风方式。

自然通风在我国民居上的应用有着悠久的历史。

中国民居，如北京的四合院、西北地区的窑洞，特别是长江以南地区，一直都重视自然通风技术的应用[3]。

近几年来在国家自然科学基金委员会的资助下，开展了绿色建筑及其基本模式，住宅区热物理环境等重点项目的研究，利用当地气候条件创造可接受的、节能的、健康的室内环境是国内外正在兴起的暖通空调设计的新潮流。

然而，由于自然通风具有随机性，不稳定性，某些时间段内是难以保证高效率的通风降温，因此如何能够最大的提高厂房自然通风的效率成了一大急需解决的难题。

1.2计算流体力学的研究背景及现状

计算流体力学（ComputationalFluidDynamics）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。

总的来说随着计算机技术及数值计算方法的发展，我们可以将其划分为三个阶段：

第一，初始阶段（1965～1974）；这期间的主要研究内容是解决计算流体力学中的一些基本的理论问题。

如模型方程、数值方法、网格划分、程序编写与实现等，并就数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确解进行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律。

第二，工业应用阶段（1975～1984）；随着数值预测、原理、方法的不断完善，关键的问题是如何得到工业界的认可，如何在工业设计中得到应用。

因此，该阶段的主要研究内容是探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用。

第三，快速发展阶段（1984～至今）；CFD在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果，在学术界得到了充分的认可。

同时Spalding领导的CHAM公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工作，Patanka也在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的培训，皆在推广应用CFD。

在欧美等发达国家，自二十世纪六十年代以来CFD技术已得到飞速发展。

其发展的原动力是不断增长的工业需求，而航空航天工业自始至终是最强大的推动力。

传统飞行器设计方法试验昂贵、费时，所获信息有限，迫使人们需要用先进的计算机仿真手段指导设计，大量减少原型机试验，缩短研发周期，节约研究经费。

四十年来，CFD在湍流模型、网格技术、数值算法、可视化、并行计算等方面取得飞速发展，并给工业界带来了革命性的变化。

如在汽车工业中，CFD和其它计算机辅助工程（CAE）工具一起，使原来新车研发需要上百辆样车减少为目前的十几辆车；国外飞机厂商用CFD取代大量实物试验，如美国战斗机YF-23采用CFD进行气动设计后比前一代YF-17减少了60％的风洞试验量。

目前在国外，在航空、航天、汽车等诸多工业领域，利用CFD进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段[4]。

计算流体力学进入我国的时间较短，但其已在我国众多领域获得了广泛的应用。

其中航天、航空、船舶、汽车、核电是资深的CFD应用领域。

例如在航天方面，载人航天工程、新一代运载火箭的研制等都大大的依赖于CFD技术，我国第一架喷气涡扇式支线飞机的研制就是CFD在我国应用的典范；在船舶方面，据有关材料说上海到2015年总造船能力要达到120万吨，这样巨大的任务必须依托CFD才能完成；汽车方面，随着全球汽车制造向中国的转移，汽车研发能力开始提上日程，处于综合成本的考虑，这些企业都在寻求外部高性能计算，最终必须依赖CFD[5]。

1.3CFD技术在自然通风的应用现状

1989年，Okushima等人第一次用计算流体力学（CFD）来研究室内的自然通风问题。

尽管他们的结果和实验结果吻合得不是很好，但是，这和当时的计算机水平有很大关系，重要的是，他们将CFD方