某工业厂房车间室内风环境模拟分析

王增凯,周慧文

(1.厦门鼎泰和金融中心开发有限公司 福建厦门 361012;2.杭州华电华源环境工程有限公司 浙江杭州 310030)

某工业厂房车间室内风环境模拟分析

王增凯1,周慧文2

(1.厦门鼎泰和金融中心开发有限公司 福建厦门 361012;2.杭州华电华源环境工程有限公司 浙江杭州 310030)

工业厂房车间的空气质量是影响生产效率和人体热舒适的一个重要因素，利用自然通风改善一般性生产厂房车间的空气环境有着重要的意义，在满足人体热舒适要求的前提下，能节约生产成本，降低建筑能耗。通过采用STAR-CCM+软件，对浙江某一般性生产工业厂房车间的室内风环境进行了模拟分析，分析显示该车间外围护结构布局合理，空气流动畅通，可形成穿堂风，车间的换气效率较高，该厂房利用自然通风能满足生产使用要求。结果表明为一般性生产工业厂房做自然通风模拟分析可用于指导工业厂房车间合理布局与建设。

工业厂房;室内风环境;数值模拟;STAR-CCM+

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引 言

随着社会经济的不断发展，工业厂房的建设也越来越受到人们的重视。目前，对于大多数工业厂房来说，通风既能够改善车间内空气环境，还是保证产品质量、保证车间作业人员热舒适及促进生产发展的重要措施之一[1]。

工业厂房的通风方式主要有两种：一种是自然通风，另一种是机械通风[2]。目前，很多地区的一般性生产(即正常环境下生产)工业厂房在夏季和过渡季节都采用自然通风的形式,以节约建筑运行能耗、降低生产成本[3]。自然通风是一种利用室外新鲜空气来改善室内空气品质的被动式节能技术。众多国内外优秀的绿色、节能、生态建筑都采用此项技术作为其亮点之一。自然通风不仅能满足过渡季室内通风换气的要求，同时也可大幅度降低机械通风设备的能耗。机械通风是以风机为动力，效果比较稳定，但设备费用高。

对于生产过程中基本没有有害废气产生，散热量小的厂房，仅分析风压作用下的自然通风的效果，不考虑热压作用下的自然通风。通过采用STAR-CCM+软件对厂房车间进行车间内风环境模拟。对风速和空气龄两大因素的分析，得出该厂房有较好的自然通风效果。

1 STAR-CCM+介绍

STAR-CCM+(Computational Continuum Mechanics)是CD-adapco集团推出的新一代CFD软件。其采用连续介质力学数值技术 (computational continuum mechanics algorithms)，并和卓越的现代软件工程技术结合在一起，拥有出色的图形处理性能和数据分析能力，是热流体分析工程师强有力的工具。它搭载了CD-adapco独创的最新网格生成技术，可以完成复杂形状数据输入、表面准备、表面网格重构、自动体网格生成(包括多面体网格、六面体核心网格、十二面体核心网格、四面体网格)等生成网格所需的一系列作业[4]。

STAR-CCM+使用CD-adapco倡导的多面体网格，相比于原来的四面体网格，在保持相同计算精度的情况下，可以实现计算性能约3～10倍的提高。

2 模拟概述

2.1 厂房概况

图1 厂房几何模型

厂房位于浙江台州，占地面积约3500，其几何模型如(图1)所示，长72m,宽48m，高13m，其劳动定员20人，生产班制为2班制，年工作时间为130d。主要分布在过渡季节。该厂房主要作为塑料管材设备堆料、贴标和中转库使用，基本无设备散热。车间内没有高大障碍物阻挡，生产过程中基本不释放粉尘和有害气体，设备散热量可忽略不计，该厂房迎风面和背风面的开孔面积占外墙面积的25%以上，厂房内主要热源为人体和机器，为了提高模拟的精度，假定车间内热源为理想的面热源，主要位于地面，最大发热量为10W/，其他四面墙和屋顶绝热。依据厂房所在地区累年气象数据，假设在过渡季节室外气温为27℃，风向为过渡季主导风向，东北偏北风，风速为5.25m/s。

2.2 计算方法

本次模拟采用Standard k-e湍流模型对本厂房的室外车间内自然通风进行分析计算。CFD的控制方程由连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程组成。

连续性方程：

动量方程X、Y、Z三个方向：

X方向

Y方向

Z方 向

能量方程：

湍流模型中的湍动能k和湍动耗散率e的控制方程为

离散方程采用有限容积法(FiniteVolumeMethod，FVM)。

2.3 边界条件设置

(1)梯度风边界设置

建筑物附近的风速可以按照大气边界层理论和地形条件来确定。不同地形下的风速梯度也不一样，可以用以下的公式表示：

式中：

Vh—高度为h处的风速，m/s；

V0—基准高度h0处的风速，m/s，一般取10 m处的风速；

n—指数。根据《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012，本厂房车间内自然通风模拟中设置n值为0.22。

(2) 出口边界条件

计算区域的出口为自由出口，压力设置为环境压力值

(3)计算收敛判断

CFD数值模拟的终止标准按连续性方程与动量方程残差为10-3以下，能量方程残差为10-6以下，收敛曲线如(图2)所示：

图2 计算收敛曲线

3 模拟分析

3.1 物理模型与网格划分

图3 工业厂房车间三维建模模型

由于实际厂房车间内配置比较复杂，完全按照实际建立模型对计算机硬件配置要求较高，所以对该车间厂房进行了合理的简化，具体模型如(图3)所示。

网格的生成对软件计算有着至关重要的作用，决定模拟能否成功。最主要的网格有结构化网格、非结构化网格与自适应笛卡尔网格[5]。由于本厂房模型尺寸较大，采用非结构化网格生成的网格数要远远大于结构化网格数，对计算机硬件的配置就比较高，相对计算的时间也长，所以本文采用六面体结构网格划分计算区域，网格总数为200万。

3.2 计算结果及分析

图4 距地1.5m高度的温度分布云图

图5 距地1.5m高度的速度矢量图

图6 距地1.5m高度的速度分布云图

图7 距地1.5m高度的空气龄分布云图

(图4～图7)分别给出了厂房车间距地1.5米高的温度云图,速度矢量图，速度云图和空气龄分布云图。

由(图4)可以看出，当室外温度为27℃，车间内最大发热量为10W/的情况下，通过自然通风能迅速带走热量使车间内的温度控制在27.00至27.89℃。

结合(图5)和(图6)可看出：在过渡季主导方向NNE，5.25m/s的风速作用下，该厂房主要使用空间空气流通较为顺畅。风从厂房东北侧进入，穿过车间，由西南侧离开厂房。车间内风速基本在0.30-2.80m/s之间。东北侧风速在1.00-2.80m/s；西南侧风速较小，在0.30-0.60m/s之间。

由(图7)可以看出整体车间车间内空气流通较为顺畅，东北侧车间空气龄较小，在60-120s之间；西南侧车间空气龄较大,在120-220s之间。总体上可以满足车间内空气更新的需求。

4 结论

通过采用STAR-CCM+软件对浙江某厂房的自然通风状况做模拟分析，结果显示车间的朝向与主导风向具备较大的夹角，有利于厂房外空气进入车间。当车间最大发热量10W/，室外温度为27℃，车间内温度保持在27.00至27.89℃，能起到很好的降温目的。车间主要使用空间有较好的气流组织，能够形成“穿堂风”的通风方式，满足车间生产使用要求，。迎风侧的主要使用空间平均风速均在0.6-2.5m/s左右，车间内空气流通顺畅，车间空气龄较小，基本满足车间内空气换气次数的要求，上述几点都达到了《工业企业设计卫生标准》第6条所述对工业厂房通风散热的要求。

综上分析，由于该车间生产过程中基本不产生粉尘和有害气体，车间生产过程中散热量也可忽略不计，且车间一年中使用时段基本分布在室外环境基本满足人体热舒适的过渡季节，因此可通过合理的厂房设计布局，利用自然通风即能使厂房满足生产使用要求。该厂房无需设置通风和空调系统，大大节约了生产成本和建筑能耗。

[1]任春霞．工业厂房通风设计浅谈[J]．城市建设理论研究(电子版)，2011，(33)．

[2]申要飞．工业厂房通风设计探析[J]．山西建筑，2013，4(10)：114-115．

[3]薛宇峰．太阳能烟囱对工业厂房自然通风影响的数值研究[D]．东华大学，2011．

[4]邱静，王国志，李玉辉．基于STAR-CCM+的简单流体模型CFD研究[J]．液压气动与密封，2010，30(10)：8-10．

[5]谷现良．铝电解厂房自然通风模拟及设计方法研究[D]．哈尔滨工业大学，2005．

Indoor Wind Environment Simulation Analysis of an Industrial Plant Workshop

WANGZengkai1,ZHOUHuiwen2

(1. Ding Tai he financial center of Xiamen Development Co., Ltd. Xiamen 3610122. Hangzhou Huadian Huayuan Environmental Engineering Co., Ltd. Hangzhou 310030)

Industrial plant workshop air quality is an important factor which affecting the productivity and human thermal comfort, it has important significance to improve general production factory workshop air environment by use of natural ventilation, to meet the thermal comfort requirements of the premise, it can reduce production costs and reduce building energy consumption. By using STAR-CCM + software, Zhejiang, a general production of industrial plant workshop indoor air environment is simulated and analyzed, the analysis showed that the external structure workshop rational layout, the air flow unimpeded, which can form drafts, with High ventilation efficiency in workshop, the use of natural ventilation plant can meet the production requirements in this plant. The results show that the simulation analysis for the general production of industrial plants can be used to guide the rational distribution of industrial plants and construction of the workshop.

Industrial plant workshop;Indoor wind environment;Numerical simulation;STAR-CCM+

王增凯(1982- )，男，工程师。

2015-04-11

TU96+2

A

1004-6135(2015)06-0101-03