基于流场仿真的室内靶场通风评估

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(南京模拟技术研究所，江苏 南京 210016)

0 引言

室内靶场作为公安战警枪械实弹训练的必备场所，在近年来反恐形势日益严峻的背景下，相应的建设与使用需求也日益旺盛。由于警用靶场使用频率高、强度大，随之带来的枪击烟尘污染等问题不容忽视，在设计与建设过程中，应尽早开展相应的空间内部流场仿真工作，对气流组织、烟雾扩散等情况进行分析评估，以免靶场建成后对训练人员的身体健康造成不良影响[1-2]。

ANSYS Icepak软件是一款基于Fluent求解器并可用于电子产品热仿真、液冷板散热效果评估、多组分气体扩散等多领域的流场仿真分析软件[3-4]，可精确模拟出室内污染物在室内靶场这一大空间内的复杂湍流扩散过程，通过粒子轨迹图、速度(压力、浓度)等值面云图、切面云图等可视化方式直观地描绘出室内靶场的气流运动、污染物分布等情况。

本文将Icepak软件应用于某室内靶场的流场仿真分析工作，通过成熟的CFD仿真技术，在设计方案阶段即可高效完成靶场设计方案的通风效果评估，为风口布局、风机选型乃至管道设计等工作的迭代优化提供理论依据。

1 有限元建模

某室内固定靶场总长55 m，为满足不同的训练需求，靶场内共设有7 m、15 m、25 m和50 m四处射击位置，由于靶场正后方设有观摩室和监视玻璃，因此，整个靶场侧墙与后墙无法设置送风口，并考虑到烟尘密度比空气大，整体通风布局采取射线方向上的“上进下排”式布局，如图1。

图1 某室内靶场剖面图

在靶场设计过程中，按整体断面风速为0.25 m/s进行风机风量的核算，同时，为保证靶场内空间具有一定负压，以免烟尘扩散，排风设计量取进风设计量的1.1～1.2倍。在风量分配上，为保证各个射击位置的通风效果，按照射击位的空间位置对排风口进行布局，在每个射击位前方和收弹区设置排风口，将实弹射击产生的烟尘、颗粒等污染物及时排出，且收弹区分配的排风量较大，以保证该区域负压较大，使整个靶场空间内的污染物可形成自行向前运动的趋势；而进风口则设置在射击位后方天花板上，以便使新风流经射击位时尽量呈现层流状态，通过上述的总体布局方式，使靶场内每个射击位排出的污染物经后上方的进风直接吹至前方地面排风口，一部分无法及时排出的烟尘则可自行往收弹负压区流动，这样的“后送前抽”式的设计，可使污染物在靶场内停留时间短，且气流覆盖面广。由于该布局较为新颖，为降低设计风险，需对该方案进行流场仿真评估。

根据该室内靶场的设计，在ANSYS Icepak软件中对包括枪口、隔板、防弹板、进/排风口及其百叶窗等设备及部件进行三维建模，并设置进/排风口风速、风向角度、百叶窗口通孔率、风阻系数、烟尘体积浓度、气体特性参数等信息，以完成仿真模型的构建(含所有射击位)，如图2。

图2 某室内靶场的通风仿真模型

2 仿真分析

2.1 仿真求解

在完成建模后，利用Icepak非连续网格技术生成网格，在保证求解精度的同时尽量减少网格数量，即在风口、枪口等关键区域进行适当加密，而其余部位可用粗网格，本例中最终网格总数约75万，并检查网格质量与边界条件，以便进行求解，待计算残差曲线完全收敛(相对残差小于1E-6)，且监控点风速、气体浓度达到稳定时，迭代计算停止。本例中，Icepak软件在模拟室内外多组分污染物扩散时，除完成通常流场仿真中的速度场、能量场计算守恒外，CFD计算还考虑了烟尘污染物的质量守恒，遵循的多组分质量守恒方程为[5]：

式中：ρ为密度；u、v、w为X、Y、Z三个方向的速度；Cs为组分s的体积浓度；Ds为组分s的扩散系数；Ss为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分质量。

2.2 结果分析

图3 靶场内整体空间气流流动态势1

对原始设计方案进行建模、仿真，并在求解完成后进行后处理，提取速度场分布等信息。图3显示了靶场内新风经顶部进风口进入靶场内部空间后流至地面排风口的整体流动情况，反映了靶场内空间的气流组织状况，可以看出，前后共3道进风自上而下进入靶场空间，吹至地面后贴地向前移动，从而形成了一道道“风帘”，阻挡了后方来流的运动，迫使其抬升形成绕流，同时，也使得靶场内空间相互割裂，难以形成统一流场；另外，新风经进风口进入靶场时，风速较高，达到了3m/s，而其它区域风速较低，整个空间的流速分布不均，以上情形均不利于烟雾在靶场内的有效排出。

为了解决原始方案中的上述问题，期望在靶场内形成统一流场，拟通过：1)将进风百叶窗格呈一定前向倾斜角度(30°～45°)；2)在不改变靶场总体通风量的前提下，增加进风口面积，降低进风风速。根据上述措施修改模型后，再次仿真验证，结果如图4所示，可以看出，修改后的靶场空间内气流组织状况有了较大的改善，整体流态顺畅，前后排进风互不干扰，可相互接力形成整体向前的态势，空间内总体风速在0.22 m/s～0.28 m/s之间；在50 m射击位后方观摩区墙角处，由于负压存在，形成一定的回流，但通过优化控制百叶倾斜角度可控制回旋区域大小，使其不经过该射击位枪口排烟处，而不影响排出烟尘的扩散。

图4 靶场内整体空间气流流动态势2

同时，仿真结果还可反映烟尘在靶场空间内的扩散情况。以50 m射击位置为例，从图5a中可以看出，枪口射出的烟尘粒子随着后上方的新风气流往前运动，受地面抽风形成的负压影响，自行流至排风口排出，形成较为顺畅的粒子运动轨迹，污染物未有回旋或逸散。此外，从污染物浓度分布云图(图5b)来看，在枪口附近，浓度最高，随着气流运动而逐渐降低，且污染物的扩散主要集中在两道排风口之间，在进风口附近受新风的影响，则浓度最低。

图5 50 m射击位置烟尘粒子迹线图及切面浓度分布云图

综上所述，该实例靶场通过在设计过程中，结合靶场实际情况和工程经验，拟定了整体通风布局方案，经过Icepak仿真后，对原始方案中的进风百叶角度、风口风速等参数进行了设计优化，最终获得了通风效果较为理想的设计方案。

3 试验验证

在上述实例中的靶场建成后，利用烟雾发生器对靶场内空气流动等通风状况进行实测，以准确评估靶场的整体通风效果。

图6 室内靶场通风实测效果图

从实测烟雾扩散图(图6)可以看出，人工模拟烟雾从枪口射击高度(1.5m)排出后，随进风气流的影响，自行向前方流动，虽然该烟雾较实际射击烟尘的密度要轻，流动过程中有所上浮，但在前方地面排风口处被吸入排出，说明进风与排风之间可形成较为顺畅的排烟通路，与仿真结果(图5)中的流迹线相吻合。

4 结论

通过将Icepak流场分析软件引入室内靶场通风仿真领域，在靶场设计方案阶段即可完成通风效果及烟尘扩散状况的科学评估及设计优化工作，有效地降低了靶场的设计风险，避免了靶场建成后再对通风设施进行被动改进等不良后果的发生。同时，通过对实例中靶场建成后的通风实测，表明基于Icepak分析软件的仿真结果可信，可满足实际工程需要。