學(xué)術(shù)科研丨某高大空間精密機床加工車(chē)間環(huán)境模擬及實(shí)測
△ 論文截圖
引言
一般而言，對于高度大于5m，體積大于1萬(wàn)m3的建筑空間被稱(chēng)為高大空間建筑[1]。在空調制冷或供暖的情況下，此類(lèi)高大空間的氣流組織與溫度場(chǎng)分布有其相應的特點(diǎn)：1. 空間高度大。工業(yè)廠(chǎng)房的高度往往可以達到10~20m，較高空間高度易在沿高度方向形成豎直的溫度梯度；2. 空間表面積大。此類(lèi)空間外圍護結構的面積較大，意味著(zhù)室內空間易受外界環(huán)境影響，對外圍護結構的保溫性能提出了較高的要求；3. 空間內使用功能差異大。對于如廠(chǎng)房類(lèi)的高大建筑，存在著(zhù)使用功能差異較大的區域，因此對空調有不同的要求?；谝陨显?，合理的氣流組織及溫度場(chǎng)預測對于高大空間的空調設計具有重要的參考意義[2~5]。
1988年之后，國內開(kāi)始對CFD用于氣流組織模擬的應用進(jìn)行了研究。1997年，徐志浩等人采用二維k-ε湍流模型、有限容積法離散控制方程以及采用SIMPLE算法對高大空間分層供熱進(jìn)行了數值模擬分析計算[6]；徐麗等人利用對某分層高大空間內的三維速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬，并將數值模擬數據與實(shí)測數據進(jìn)行了對比[7]；董玉平等人對某國際展覽中心展廳擴建工程分層空調方案進(jìn)行了數值模擬驗證，并分析其熱舒適性[8]?，F有針對高大空間的氣流組織研究幾乎都集中在分層空調的應用層面，而對于工業(yè)建筑的改造項目而言，分層空調的設立往往存在現實(shí)條件的限制。本文嘗試采用針對空間整體進(jìn)行空調送風(fēng)的方式解決現有工業(yè)建筑的空調改造工程。
本文以昆山某重機有限公司柔性車(chē)間廠(chǎng)房為例，采用CFD模擬預測其空間內的氣流組織及溫度場(chǎng)分布，并與項目實(shí)施后的驗收報告數據進(jìn)行對比。
1 項目概況
廠(chǎng)房概況
該項目建設單位為某重機有限公司，項目對其柔性車(chē)間廠(chǎng)房增設空調系統。原廠(chǎng)房為１層車(chē)間，廠(chǎng)房尺寸為120.0ｍ（長(cháng)）×24.0ｍ（寬）×14.5ｍ（高），建筑面積約2880㎡。該建筑在原大型車(chē)間內，北面為道路及綠化帶，如圖1所示。
△ 圖1 改造車(chē)間位置示意圖
建設要求
建設單位提出了改造車(chē)間內機車(chē)的安裝使用環(huán)境要求，設計單位所設計的空調系統需滿(mǎn)足相應的使用環(huán)境要求。車(chē)間內環(huán)境要求為：１）車(chē)間7.5ｍ 高度以下，全年溫度控制在（２０±２）℃;2）溫度變化率≤±２℃／24ｈ，最大溫度波動(dòng)≤１．０ ℃／ｈ;3）車(chē)間高度的溫度梯度≤１℃／４ｍ。車(chē)間主要發(fā)熱源為：2種型號（3臺MCT1250及５ 臺HEC630）的精密機床，發(fā)熱源主軸功率分別為141ｋＷ 及168ｋＷ。
項目難點(diǎn)分析
經(jīng)過(guò)現場(chǎng)勘查，發(fā)現該車(chē)間空調設計有以下幾個(gè)難點(diǎn)。
?。保┸?chē)間區域圍護結構較差，負荷需求巨大。車(chē)間區域層高較高，最高點(diǎn)距地14.5ｍ，圍護結構均為彩鋼板，且有外窗。
?。玻┰O備布置條件有限。由于是在已建廠(chǎng)房?jì)冗M(jìn)行空調增設，且空調負荷巨大，在布置空調冷熱源、空氣處理機組、輸配設備、水處理設備上，條件均受限。
?。常┍ＷC空調氣流組織均勻性難度大。在大跨距（24ｍ）的條件下，要實(shí)現4ｍ 以?xún)葰饬骶鶆?，對控制溫度?chǎng)的豎直擾動(dòng)和水平偏移要求較高。
驗收合格條件
在車(chē)間高度0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5ｍ 處布置測點(diǎn)，有設備處的測點(diǎn)位置需距離設備約1.2～1.5ｍ。每個(gè)測點(diǎn)均連續測試2ｈ，測試數據時(shí)間間隔為20min。如1ｈ內最大溫度波動(dòng)≤1.0℃，且上、下測點(diǎn)間的溫度梯度滿(mǎn)足≤１ ℃／4ｍ，所有測點(diǎn)溫度均在18～22 ℃范圍內，則表示空調系統運行有效，予以驗收合格。
2 空調系統設計
室外設計參數
室外設計參數如表1所示。
室內設計參數
根據建設單位對使用環(huán)境的要求確定，見(jiàn)“建設要求”節。
空調負荷
原廠(chǎng)房圍護結構傳熱性能較差，室內環(huán)境易受室外環(huán)境影響。本次改造建設單位按照設計建議對圍護結構進(jìn)行改造。設計依據GB50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調節設計規范》第8.1.7～8.1.12條，對室溫允許波動(dòng)范圍為±0.5℃以下的工藝性空氣調節區域的圍護結構參數作如下限定：頂棚傳熱系數K≤0.5 Ｗ/(㎡·Ｋ），熱惰性指標D≥４；外墻K≤0.8Ｗ/(㎡·Ｋ）；內墻、樓板K≤0.7Ｗ/(㎡·Ｋ）。同時(shí)要求空調區域不得有外門(mén)，內門(mén)兩側溫差大于３℃時(shí)設門(mén)斗。采用上述參數對該廠(chǎng)房進(jìn)行逐時(shí)負荷計算，最終確定室內冷負荷為709ｋＷ，熱負荷為231ｋＷ。
空調冷熱源
由于廠(chǎng)房?jì)葻o(wú)冷熱源安裝條件，最后選定６臺單臺額定制冷量130kW、制熱量132kW的空氣源熱泵模塊機組（COP≥3.0）安裝于廠(chǎng)房外；冷水供／回水溫度為7℃／12℃；熱水進(jìn)／出水溫度為40℃／45℃。所有機組性能參數（能效比和部分負荷性能系數）均滿(mǎn)足GB51245—2017《工業(yè)建筑節能設計統一標準》的要求?？照{水系統流程如圖２所示。
△ 圖2 空調水系統流程圖
空調系統
依據GB50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調節設計規范》第8.4.9～8.4.10條規定，室溫允許波動(dòng)范圍為±0.5 ℃的工藝性空氣調節的送風(fēng)溫差為3～6℃，換氣次數應達到8次/h。該項目車(chē)間空調采用全空氣系統，選定16臺總風(fēng)量為30.25萬(wàn)m³／ｈ的空氣處理機組。根據建設方提供的人員密度，車(chē)間內需供給8000m³／ｈ的新風(fēng)，在16臺空氣處理機組中選?。磁_設置新風(fēng)接口。由于車(chē)間內空調箱安裝空間有限，將部分空調箱安裝在車(chē)間北側外墻綠化帶處，經(jīng)過(guò)處理后的空氣通過(guò)低速風(fēng)道送至各使用區域，設計工況下送風(fēng)溫差為5～6 ℃。受限于車(chē)間內桁架高度，風(fēng)管若安裝在低位將影響桁車(chē)的移動(dòng)，因此在車(chē)間頂部設置送風(fēng)風(fēng)管，風(fēng)管安裝底標高為13.1ｍ，吊頂與安裝高度齊平。在距地0.5ｍ 高度處設置回風(fēng)百葉。通過(guò)風(fēng)量調節閥控制系統風(fēng)量?？照{箱安裝示意圖見(jiàn)圖3。
△ 圖3 空調箱安裝示意圖
為了降低風(fēng)管對結構或工藝桁架的承重要求，考慮到布袋風(fēng)管質(zhì)量通常僅為傳統鐵皮風(fēng)管的2％，且織物風(fēng)管通過(guò)整體管道壁纖維滲透冷風(fēng)，在管壁外形成冷氣層，使管壁內外幾乎無(wú)溫差，徹底解決風(fēng)管凝露問(wèn)題，不需要管道保溫。該項目采用布袋風(fēng)管替代傳統鐵皮風(fēng)管進(jìn)行送風(fēng)。常見(jiàn)的送風(fēng)口形式如圖４所示，布袋風(fēng)管的安裝大樣見(jiàn)圖５。
△ 圖4 布袋風(fēng)管送風(fēng)口形式示意圖
△ 圖5 布袋風(fēng)管安裝大樣圖
由于風(fēng)管的安裝高度受限，需在13ｍ 的高度處將經(jīng)過(guò)溫濕度處理的空氣送至工作區域。同時(shí)建設單位對車(chē)間工作區域內的溫度波動(dòng)及豎直方向的溫度梯度提出明確要求，需要工作區域內的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)盡可能達到均勻。因此，該項目設計時(shí)擬采用直徑50、130ｍｍ 的噴嘴作為送風(fēng)風(fēng)口，噴嘴豎直向下以保證將經(jīng)空調箱處理后的空氣從13ｍ 標高送至距地3ｍ 以?xún)鹊墓ぷ鲄^域。同時(shí)，通過(guò)縮小風(fēng)管上噴嘴之間的間距來(lái)使工作區域內的氣流與溫度分布盡可能均勻。最終選定直徑130ｍｍ 噴嘴、間距1000ｍｍ，直徑50ｍｍ 噴嘴、間距155ｍｍ。采用CFD模擬室內環(huán)境從而驗證該設計的合理性。
3 基于CFD模擬的室內氣流組織研究
假設條件
本文研究高大廠(chǎng)房?jì)壤盟惋L(fēng)射流對室內空氣溫度進(jìn)行調節的合理性，室內流體密度必會(huì )受送風(fēng)射流的影響，從而產(chǎn)生自然對流或混合對流，但室內空氣總體密度變化仍很小，因此可采用Boussinesq假設來(lái)考慮浮升力的作用。具體做法為僅對動(dòng)量方程中浮升力中有關(guān)密度變化的影響采用Boussinesq假設來(lái)計算，忽略密度變化對壓力項、黏性力項等的影響，取流場(chǎng)內的平均密度。此外將室內空氣的其他物性參數看作常數。該項目車(chē)間無(wú)開(kāi)窗，選取的計算域距離廠(chǎng)房最近的門(mén)57ｍ，距離較遠，因此計算域內忽略廠(chǎng)房開(kāi)門(mén)對計算域內的影響。為了簡(jiǎn)化模型，該研究基于如下假設：
?。保┝黧w為常溫、低速、不可壓流體；
?。玻┡c溫度差異相關(guān)的密度變化符合Boussinesq；
?。常α鲹Q熱形式為自然對流、受迫對流并存的混合對流，且流態(tài)為湍流[9]；
?。矗M(mǎn)足氣體狀態(tài)方程；
?。担﹥葔?、地面與外界無(wú)熱量交換，是絕熱的[10]。
控制方程
流體流動(dòng)應該滿(mǎn)足能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。
物理模型及邊界條件
物理模型需按照圖紙（見(jiàn)圖６，陰影區域為機床位置）進(jìn)行相應簡(jiǎn)化。車(chē)間總長(cháng)度為120ｍ，送風(fēng)噴嘴直徑為50、130ｍｍ，為了獲得風(fēng)口送風(fēng)參數，在采用CFD方法進(jìn)行數值模擬時(shí)網(wǎng)格劃分至ｍｍ量級。模擬大空間的室內空氣流動(dòng)情況時(shí)，為反映室內湍流大渦旋對流動(dòng)的影響，計算區域為m量級。若采用三維全尺寸建模，必將導致計算區域內的網(wǎng)格節點(diǎn)數巨大?，F選取編號為AHU-３的空調箱所覆蓋區域進(jìn)行建模計算，由于送風(fēng)噴嘴標高為13ｍ且與吊頂齊平，最終選取的計算域尺寸為11ｍ（長(cháng)）×24ｍ（寬）×13ｍ（高），將機床尺寸簡(jiǎn)化為7.0ｍ（長(cháng)）×11.5ｍ（寬）×1.5ｍ（高）。風(fēng)口數量、風(fēng)口面積、送風(fēng)量及安裝位置依據設計圖紙設置，送風(fēng)噴口直徑為130ｍｍ，共計66個(gè)，回風(fēng)口尺寸為7000ｍｍ×１300ｍｍ，設于側墻底部0.5ｍ 高度處。AHU-３的設計參數為：１）制冷量125ｋＷ（全熱）；２）進(jìn)風(fēng)干球溫度20 ℃；３）出風(fēng)干球溫度16 ℃；４）送風(fēng)量37500m³／ｈ。
△ 圖6 平面設計圖紙
計算域及邊界條件如圖７所示。送風(fēng)噴嘴進(jìn)口為速度入口，速度為11.89ｍ/ｓ，速度入口溫度為16℃；回風(fēng)口為壓力邊界；廠(chǎng)房長(cháng)邊長(cháng)度為120ｍ，長(cháng)度較長(cháng)，由于計算域軸對稱(chēng)，為減少計算時(shí)間，將x＝０截面設為對稱(chēng)邊界；固體壁面取為無(wú)滑移邊界條件，根據負荷計算結果，圍護結構熱流密度取10.34Ｗ／㎡，地面為絕熱邊界；將人員等散熱量簡(jiǎn)化至機床發(fā)熱量，機床發(fā)熱量為45.42ｋＷ（機床發(fā)熱量由設備專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)商提供，約占機床功率的15％）；其余邊界設為對稱(chēng)邊界（無(wú)通量）。
△ 圖7 計算域及邊界條件
網(wǎng)格劃分及計算方法
采用多面體網(wǎng)格形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在模擬過(guò)程中對網(wǎng)格進(jìn)行逐級加密計算，直到模擬結果滿(mǎn)足網(wǎng)格獨立性檢驗要求。選定計算域內的平均流速作為衡量尺度，網(wǎng)格數量劃分為50萬(wàn)、200萬(wàn)及500萬(wàn)３個(gè)級別，平均流速分別為0.40、0.46、0.47ｍ/ｓ。確定計算網(wǎng)格最小尺寸為10ｍｍ，最大網(wǎng)格尺寸為100ｍｍ，計算網(wǎng)格數量約為235萬(wàn)。網(wǎng)格劃分如圖8、9所示。
Realizable K-ε 模型可以保持雷諾應力與真實(shí)湍流一致，可以更加精確地模擬平面和圓形射流的擴散速度，同時(shí)在旋流計算、帶方向壓力梯度的邊界層計算和分離流計算等問(wèn)題中，計
算結果更符合真實(shí)情況，計算分離流和帶二次流的復雜流動(dòng)也表現出色。故采用Realizable K-ε 模型用于預測高大空間流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。采用SIMPLE算法、二階迎風(fēng)離散格式進(jìn)行穩態(tài)計算。
△ 圖8 計算域網(wǎng)絡(luò )劃分示意圖
△ 圖9 送風(fēng)噴嘴網(wǎng)絡(luò )劃分示意圖
下送噴嘴的射流速度校核
分析下送風(fēng)噴口射流角度90°、射流速度11.89ｍ/ｓ工況下的流場(chǎng)，圖10給出了該工況下x＝0ｍ 及z＝12.15㎡個(gè)截面上的速度及流線(xiàn)分布。結果表明，1.50ｍ 高度處的平均速度為0.29ｍ/ｓ，回風(fēng)口風(fēng)速為1.31 ｍ/ｓ。依據GB50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調節設計規范》中關(guān)于回風(fēng)風(fēng)速的規定，房間下部且靠近人員經(jīng)常停留的地點(diǎn)回風(fēng)口吸風(fēng)速度宜小于1.5ｍ/ｓ。本模型的回風(fēng)速度滿(mǎn)足規范要求，且送風(fēng)風(fēng)速與工作區的平均風(fēng)速也不大于0.3ｍ/ｓ（夏季工況）。能夠保證工作區附近經(jīng)常停留人員的舒適感，避免因風(fēng)速過(guò)大揚起灰塵及增加噪聲，保障了溫度場(chǎng)均勻性。經(jīng)校核，該模型送風(fēng)工況可滿(mǎn)足相關(guān)規范的要求。
a x=0m處速度云圖
h x=0m處流線(xiàn)圖
c z=12.15m處速度云圖
d z=12.15m處流線(xiàn)圖
△ 圖10 夏季工況下的速度分布
夏季工況下廠(chǎng)房?jì)鹊臏囟葓?chǎng)評價(jià)
圖11顯示了x＝０ｍ 及z＝12.15㎡個(gè)截面的溫度分布。由圖11可知，在0.5～7.5ｍ 高度上，最高平均溫度為21.58℃，最低平均溫度為20.24℃，平均溫度在豎直方向上的變化率為0.19℃／ｍ，能夠滿(mǎn)足驗收條件中溫度梯度≤1 ℃／4ｍ的要求。對計算結果中各邊界的參數進(jìn)行監測：回風(fēng)口平均溫度20.03℃，空調箱制冷量51.13ｋＷ；機床發(fā)熱量45.55ｋＷ，與負荷計算結果相差0.29％。機床的表面換熱系數為5.78 Ｗ／（㎡·℃）。廠(chǎng)房?jì)绕骄鶞囟?0.61℃，最高溫度出現在機床表面，為33.03℃。距機床1.2ｍ 處布置監測點(diǎn)，監測點(diǎn)沿豎直方向每1 ｍ 布置1個(gè)，監測高度范圍為0.5～7.5ｍ。監測結果中最高溫度為21.33 ℃，最低溫度為20.12℃，滿(mǎn)足驗收條件中安裝溫度（20±2）℃的要求。由圖10ａ可以看出，機床尾部存在較大的湍流渦旋，該處整體流速較低，可視為廠(chǎng)房?jì)鹊臍饬魉绤^。３ｍ 高度截面溫度云圖見(jiàn)圖12。由圖12可知，該氣流死區造成機床尾部及臨近的圍護結構處出現了局部高溫區（圖中方形深色區域為機床位置），而機床靠近回風(fēng)口處的區域溫度要比高溫區低１～２℃。由于機床尾部至圍護結構處為生產(chǎn)部件暫存區域，對機床的使用及工作人員的影響較小。
a x=0m處溫度云圖
b z=12.15m處溫度云圖
△ 圖11 夏季工況下的溫度分布
△ 圖12 ３ｍ高度截面溫度云圖
4 夏季工況測試與分析
CFD模擬結果驗證了設計工況下該廠(chǎng)房的室內環(huán)境能夠滿(mǎn)足建設單位要求。項目實(shí)施后于2019年8月17日13:00—15:00對夏季工況進(jìn)行測試，基于此次測試結果對項目進(jìn)行驗收。測試當天打開(kāi)全部機床及空調機組，測點(diǎn)的布置標準詳見(jiàn)1.4節。本文僅討論編號AHU-３空調箱所覆蓋的范圍，測點(diǎn)布置如圖13所示。對于豎向溫度場(chǎng)的測試，將測溫儀綁于移動(dòng)式升降臺上，將升降臺移至測點(diǎn)后，通過(guò)升降臺升降測量不同高度的溫度數據。一處測點(diǎn)的不同高度溫度測
試完成后，將升降臺移至下一測點(diǎn)，重復上述操作。間隔20min，再回到第一個(gè)測點(diǎn)，重復以上操作。為了減少人體、設備對溫度的影響，測試過(guò)程保持測試人員與測點(diǎn)之間有2ｍ 以上的距離。該項目采用的測溫儀型號為T(mén)esto110，測試范圍為－20～80℃，測試精度為±0.2℃。
測試結果表明：距地7.5ｍ 高度內的最高溫度為21.80 ℃，最低溫度為19.50 ℃，滿(mǎn)足室內溫度（20±2）℃的設計要求。同一高度測點(diǎn)溫差在1.9℃以?xún)?，不同高度測點(diǎn)溫差在1.7 ℃以?xún)?，各測點(diǎn)沿豎直方向溫度梯度最大為0.24℃／ｍ，符合驗收標準要求。模擬數據與實(shí)測數據對比見(jiàn)表２。由表２可知，同一測點(diǎn)的實(shí)測數據與模擬數據最大相差0.6℃，相對誤差為2.8％。7.5ｍ 高度以?xún)鹊臏囟葓?chǎng)平均溫度模擬數據為20.61 ℃，實(shí)測數據為20.94 ℃。結果表明CFD能夠很好地預測高大空間的溫度分布。模擬數據與實(shí)測數據均能滿(mǎn)足建設單位所提出的驗收合格要求。后期多次回訪(fǎng)，空調系統使用效果良好，室內溫度能夠滿(mǎn)足設計要求。
△ 圖13 測點(diǎn)布置圖（單位：ｍｍ）
結論
?。保┍疚闹胁捎玫南滤蛧娮煸诟叽罂臻g內可以有效將空調風(fēng)送至工作區域。配合適宜回風(fēng)口尺寸，可保障工作區環(huán)境均勻度。
?。玻﹪娮煜滤?、底部百葉回風(fēng)的形式有效降低了機床工作環(huán)境的溫度，模擬結果中機床安裝環(huán)境可達到建設方提出（20±2）℃且豎直方向溫度梯度小于1 ℃/4ｍ 的要求，避免因溫度波動(dòng)而影響精密機床的加工精度。
?。常└鶕M結果分析可知，本次設計在機床尾部存在一定的氣流死區，該區域溫度相對其他區域偏高，但該區域為生產(chǎn)部件暫存區域，對生產(chǎn)工藝影響較小，可考慮在該部分增設空調回風(fēng)，以減少氣流死區的范圍。
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