不同通风条件下气流组织模拟及热舒适性研究

陈 洋 钟海平 高 红 张 政

（中建三局集团有限公司西北分公司，陕西 西安710065）

随着钢结构在建筑行业的广泛应用建筑，钢结构桥体因施工时间短以及施工影响相对较小等优势越来越受到市政项目的青睐，但是钢结构桥梁箱室内有限空间进行焊接作业具有安全隐患隐蔽性，存在中毒、窒息事故安全风险，以及职业健康问题也备受关注。宋思雨[1]基于ISM解释结构模型分析了工贸行业有限空间作业风险因素；徐陈又诗[2]通过Fluent 数值模拟软件对尘实验室的不同截面条件下尘浓度分布情况进行了研究；杨春丽[3-4]利用CFD 数值模拟研究了外界风速、外界风向以及有限空间类型对单开口有限空间内气流组织流场的影响；张壹泓[5-6]借助表面肌电（s EMG）技术和EEG 有限空间条件下脑疲劳特性以及颈部侧屈姿势下肌肉的受力情况进行了研究。

综上所述，有限空间作业研究涉及有限空间作业事故风险因素分析、职业健康以及气体流动等研究，但缺乏钢结构箱室内有限空间作业过程中机械通风对气流组织影响的研究。本文以中建三局建材北路项目钢结构悬索桥为研究对象，借助CFD数值模拟软件对钢结构箱室内有限空间作业中PMV、PPD、空气龄等参数研究，为钢结构桥梁箱室内焊接作业机械通风布置提供工程参考，保障作业人员安全。

1 模型建立

1.1 Airpak 软件介绍

本文运用Airpak 气流流动数值模拟软件，该模拟软件是一个专业的人工环境系统分析软件，可以精准地模拟通风系统中的空气流动、空气质量、传热、污染物浓度和工作环境舒适性。Airpak 软件常应用于建筑、石油、暖通空调等领域，本文采用Fluent Airpak3.0 进行数值模拟。

1.2 物理模型建立

以建材北路钢结构桥梁某节箱室为研究对象。钢箱梁箱室长×宽×高为6m×5m×4m，钢箱梁厚度为16mm；钢结构箱室之间存在横隔板将箱室分为三个部分，箱室内孔洞长×宽为2250m×2900m，且横隔板厚度为16mm。钢箱梁箱室焊工以半蹲姿势进行焊接作业，作业人员身高以及产生热量分别为1.73m 和75W。轴流式通风机的风量为5.2m3/s 和1.7m3/s；钢箱梁箱室内部结构物理模型，如图1 所示。

图1 钢箱梁物理模型

1.3 网格划分与边界条件

Airpak 数值模拟软件不仅自动生成非结构化网格和结构化网格，用户可以对模型局部进行细化，并且具有网格检测能力[7]。Airpak 软件可以从网格的长度与长度比、失真率、体积等参数对网格划分质量进行评估。Face alignment 和Quality 均大于0.15，并且二者数值越靠近1。初始大气压为标准大气压，初始边界条件为Y 轴重力加速度为-9.81m/s2，初始外界条件为28℃，外界空气湿度为50%。

1.4 工况

为分析研究通风方式以及通风量等参数对有限空间内速度场、PMV 及PPD 等参数的影响，针对通风方式设置了三种情况，如表1 所示。上进下出通风方式与上进上出通风方式较为相似，但上进下出采用导风管将箱室内风流抽出；下进上出将新鲜空气风流通过导风管导入箱室内。

表1 不同通风方式工况设置

2 模拟结果与分析

因成年人人体静坐高度为1.1m，选取箱室内高度为1.1m处作为研究截面，分析不同通风方式下平均速度、平均空气龄以及PMV 和PPD 等指标分布切片。

2.1 不同通风方式对速度场的影响

为研究不同通风方式对速度场的影响，截取工况5、工况6和工况11 箱室内高度为1.1m 处速度矢量图，如图2 所示。

图2 不同通风方式下，高度为1.1m 处速度矢量图

通过分析不同通风方式下，速度矢量图可以了解空气流动速率的方向和分布。由图2 可知，三种通风方式下速度矢量图有明显的不同，因钢箱梁受到横隔板的阻碍影响以及气流粘性力作用，虽然不同通风方式下箱室内形成不同位置涡流现象，但均会在在作业人员周围形成明显的气流涡流现象。上出下进通风方式在通风机以及横隔板作用下，产生射流且气流组织呈现“Y”形。

2.2 不同通风方式对PPD 以及PMV 的影响

为分析不同通风方式对作业人员热舒适性的影响，选取了工况1、工况8 和工况10 箱室内高度为1.1m 处PPD 以及PMV切片数值，如图3 所示。

由图3 可知，上进下出通风方式相较于其他两种通风方式在PPD 和PMV 指标中最优，从不同工况条件的PPD 分布图中可以看出，上进下出通风方式下蓝色区域最大，整个截面平均PPD 最小，作业人员周围PPD 指标值在42%-52%，箱室内人体感受为热；而上出下进通风方式下蓝色区域最少，并且分布最不均匀，PPD 值在92%-99%。上进上出通风方式的热舒适性指标居于两者之间，在进风侧箱室内PPD 值为30%-64%。

图3 不同通风条件下，PPD 切片数值

2.3 不同通风方式对空气龄的影响

选取工况2、工况7 和工况9，截取高度为1.1m 处，不同通风方式下，箱室内空气龄分布图，如图4 所示。

由图4 可知，三种不同通风方式对气流组织的空气龄具有不同程度影响。上进下出通风方式的空气龄切片颜色相对其他类型通风方式颜色最浅。箱室内因横隔板的阻碍作用下，形成气流涡流现象，因涡流中心区域空气流动性差，从而导致箱室内出现局部空气龄相对高于周边区域。通过对钢箱梁箱室内空气龄分布进行分析，可以间接研究空气气流流通以及CO 浓度聚集点。

3 结论

3.1 通过对不同通风方式进行分析，上进下出方式优于其他类型通风方式，且人体舒适度最高；上进下出通风方式PMV指标值在1～1.5；而上出下进通风方式下PMV 值在2.5～3.0。

3.2 不同通风方式下在箱室内部结构作用以及空气粘性力作用下，在不同位置形成涡流现象，上出下进通风方式形成涡流现象的个数相对于其他两种最多。

图4 不同通风方式下，高度为1.1m 处空气龄分布图

3.3 进风量与排风量之间的风量差对箱室内整体PMV、PPD 以及空气龄等指标具有一定的影响，空气龄由浅到深依次是工况1>工况2>工况3；气体流动从大到小依次为工况3>工况1>工况2。