绍兴某印染厂染色厂房冬季自然通风数值模拟分析

郑现昱 狄育慧 郝振东

（1.西安工程大学城市规划与市政工程学院 西安 710048；2.西安工程大学柯桥纺织产业创新研究院 绍兴 312030）

0 引言

印染厂印染过程中各工序都不同程度地使用蒸汽、燃气，其染色厂房中密集排布的高温热源染色机，更容易导致温度分布不均和空气流通不畅。南方印染厂在冬季一般停用机械通风，采用自然通风[1]。自然通风是利用室内外温差造成的热压或风力作用造成的风压来实现通风换气，作为一种经济节能的通风方式被广泛应用在各类建筑中。

万鑫等探究了具有内热源的工业厂房自然通风系统进风口离地高度等建筑结构参数对自然通风的影响[2,3]。折倩娜等研究了不同热源条件下通风口面积对自然通风的影响[4]。Wang 等研究了对流和辐射作用对工业厂房热压通风的影响[5]。赵福云等认为科学合理的通风口位置不仅使厂房获得良好的通风效果，同时还能保障工作人员健康，降低企业生产成本[6,7]。目前对具有内部热源工业厂房的研究大多是在夏季通风方面，对于冬季通风研究较少。

本文以浙江省绍兴市某印染厂染色厂房为研究对象，利用Fluent 软件研究该厂房冬季采用自然通风在不同通风口位置、不同热源强度条件下的温度与气流分布情况。

1 物理模型及模拟方法

1.1 物理模型及控制方程

以绍兴市某印染厂染色厂房为研究对象（见图1），厂房占地面积12160m2，空间尺寸为160m×76m×7.7m（长×宽×高）。该厂房通风系统的几何参数如表1所示。

图1 染色厂房三维物理模型Fig.1 3D physical model of dyeing workshop

表1 染色厂房通风系统的几何参数Table 1 Geometric parameters of the ventilation system of the dyeing workshop

厂房沿x 方向分为两个区域，东侧为白胚存放A 区，西侧为染色工作B 区。将染色工作B 区的染色机简化为矩形形状[8]，其中染色1 区（见图2）和染色2 区的染色机尺寸为11m×3m×2.5m（长×宽×高），染色3 区的染色机尺寸为10m×3m×2m（长×宽×高），染色4 区的染色机尺寸为6m×3m×3m（长×宽×高）。进风窗底部距地面高度为1m。

图2 染色区域划分Fig.2 Division of dyeing area

自然通风情况下厂房内不可压缩空气流动和传热问题满足流体力学控制方程[9,10]组：

连续性方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ为空气密度，kg/m3；τ为时间，s；xi和xj为速度u分量的方向；ui和uj为速度u在不同方向上的分量，m/s；p为平均压力，Pa；τij为应力张量，Pa；g为自由落体加速度，m/s2；Fi为浮升力，Pa/m；h为流体比焓，J/kg；k为导热系数，W/(m·K)；kt为湍流脉动动能，W/(m·K)；T为流体的热力学温度，K；Sh为用户自定义的体积热源项，W/m3。

1.2 数值模拟方法

本文利用计算流体力学软件Fluent 对模型进行模拟计算。计算模型采用Realizablek-ε湍流模型[4]，由于温差引起的浮升力的影响，选用Boussinesq假设[11]；近壁面采用标准壁面函数法；考虑到热源对周围空气有存在辐射作用，因此选用Rosseland辐射模型[12]。选择SIMPLEC 算法进行求解，方程的离散选用二阶迎风格式。计算区域采用非结构网格，网格在进风口、排风口及染色机热源处进行加密处理，网格总数为230 万。

1.3 边界条件

冬季工况下实测室外环境温度为7.4℃，气压为1 个标准大气压；厂房南北两侧门窗均开启，为自然通风的进风口，设置为速度入口边界条件，进风口风速取测试平均值（门风速1.53m/s、窗风速2.2m/s）；屋顶排风口的边界条件设置为压力出口；染色机热源设为定壁温边界条件，取现场测量平均值45.8℃。

1.4 模型验证

选择该厂房生产工作者操作和经常停留地点作为测量点位置，其中立姿作业高度为1.5m。厂房内部测量点如图3所示。

图3 高度1.5m 处染色工作B 区测量点布置Fig.3 Layout of measurement points in dyeing work area B at a height of 1.5m

在通风口位置不变的情况下，对染色厂房内部进行数值模拟，并将各个测量点的模拟空气温度值与实际测量数据进行对比验证及误差分析。由图4可知，模拟温度变化规律基本与实际测量值一致，最小相对误差为0.55%，最大相对误差7.21%，平均误差为4.95%，误差处于可接受范围内，因此本文模拟方法是比较可靠的。

图4 模拟值与实测值对比Fig.4 Comparison of simulated and measured values

2 模拟结果分析

在通风口面积不变的前提下通过控制变量法改变厂内热源强度及进出风口高度差，研究不同工况下高度1.5m 处截面上各点的温度和气流分布。根据染色布料种类不同以及工艺不同，依次设定热源强度为40℃，60℃，80℃；由于受到厂房结构限制通过改变北墙进风窗高度位置来改变进出风口中心高度差，进出风口中心高度差依次为2m，4m，6m。

2.1 进出风口中心高度差为2m 不同热源强度下的模拟结果

冬季工况下实测室外温度为7.4℃，当北墙进出风口中心高度差为2m，热源强度从40℃到80℃时，高度1.5m 截面上的温度云图、速度云图如图5所示。可以看出高温区（温升大于3℃）主要集中在染色1 区和染色2 区之间的走廊，染色3 区和染色4 区之间的走廊以及染色机周围。

图5 进出风口中心高度差为2m 时的模拟结果Fig.5 Simulation results when the center height difference between inlet and outlet is 2m

从速度云图中看出，染色1 区中间位置空气流速低于0.3m/s。当热源强度为40℃时，染色1 区和染色2 区之间走廊的中心区域的气流速度低于0.4m/s，空气流通性较差，出现流通死区，走廊大部分区域温度在16.2～20.7℃之间，随着热源强度的提高，空气流通得到一定改善，但热源强度为80℃时，走廊大部分区域温度高于32.5℃，中心区域温度更是超过36℃，较大的温度梯度，给工作人员带来极大的影响。由于受到染色4 区染色机设备的阻挡，染色3 区和染色4 区之间走廊的空气流速较低，大部分区域的空气流速低于0.4m/s，局部空气流速低于0.1m/s，导致该区域温度较高。分布密集的染色机容易阻碍空气的流动，热源产生的大量热量不能及时被带走，当热源强度为80℃时，染色机之间形成了43℃以上的局部高温区。染色工作B 区东西两侧走廊温度分布比较合理，高温区域主要分布在染色机周围。

2.2 进出风口中心高度差为4m 不同热源强度下的模拟结果

当北墙进出风口中心高度差为4m，热源强度从40℃到80℃时，高度1.5m 截面上的温度云图、速度云图如图6所示。此工况下高温区与进出风口高度差2m 工况下高温区分布规律基本相同。北墙进风窗高度的降低，使附近区域温度有所降低，当热源强度为80℃时，染色1 区温度超过43℃的高温区临近进风窗的周围出现温度低于39.5℃以及局部空气流速小于0.4m/s 的区域；染色1 区和染色2区之间走廊中心区域温度高于37.5℃的面积较大。染色机之间狭窄的空间导致的高温区依旧存在。从速度云图中看出，随着热源强度的减小，染色1 区和染色2 区之间走廊空气流速低于0.4m/s的区域面积逐步增大，染色B 区东西两侧走廊和染色4 区周围空气流通性也逐渐降低。

图6 进出风口中心高度差为4m 时的模拟结果Fig.6 Simulation results when the center height difference between inlet and outlet is 4m

2.3 进出风口中心高度差为6m 不同热源强度下的模拟结果

当北墙进出风口中心高度差为6m，热源强度从40℃到80℃时，高度1.5m 截面上的温度云图、速度云图如图7所示。该工况下高温区域与前两种工况下分布规律基本相似。北墙进风窗中心距地面高度为1.7m（底部距地面高度为1m），染色1 区靠近进风窗口处空气流速高于1.2m/s，局部温度小于16℃，远离窗口的染色机周围出现大面积空气流速小于0.4m/s 的区域。染色1 区和染色2 区之间走廊中心区域空气流通性能相对较差，三种热源强度模拟结果中，都出现了局部气流速度低于0.1m/s 的区域，热源强度40℃时最为明显，当热源强度为80℃时，临近染色机的区域温度超过39.5℃。当热源强度为80℃时，染色工作B 区西侧走廊靠近染色3 区的周围局部空气流速低于

图7 进出风口中心高度差为6m 时的模拟结果Fig.7 Simulation results when the center height difference between inlet and outlet is 6m

0.3m/s。

2.4 不同进出风口中心高度差的模拟结果对比

将冬季工况下不同进出风口中心高度差模拟结果进行比较发现：相同热源强度条件下，北墙进风窗中心高度降低，染色1 区染色机周围空气流速低于0.3m/s 的区域面积扩大；室外风由进风窗进入染色1 区，经过靠近窗口的染色机时能更好的带走热源产生的热量，然后在染色1 区和染色2 区之间走廊中心区域汇聚，并与多股气流相互干扰，通过速度云图看出，走廊中心区域空气流通性随进出风口中心高度差增大（进风口中心高度降低）而降低，该区域温度也随之增加，表2 给出了染色1 区和染色2 区之间走廊区域平均温度模拟值，说明同一热源强度条件下，进出风口中心高度差的提升，导致走廊温度梯度增大，染色厂房工作环境更加糟糕。进风口中心高度降低时，染色工作B 区西侧走廊温度随之增高，局部空气流速逐步降低，但东侧走廊的温度场和速度场并未发生明显变化。染色3区和染色4 区及其中间走廊区域由于远离北墙进风窗以及染色1 区和染色2 区染色机设备的阻碍，进出风口高度差的改变对该区域影响较小。

表2 染色1 区和染色2 区之间走廊区域平均温度模拟值Table 2 Simulation values of average temperature in the corridor between dyeing zone 1 and dyeing zone 2

3 结论

（1）冬季工况下采用自然通风，热源强度为60℃和80℃时大片区域温度高于28℃，不能满足设计规范[13]要求。

（2）增加进出风口中心高度差能够一定程度上改善染色1 区局部区域空气流动和温度，但扰乱了染色1 区和染色2 区之间走廊中心区域的空气流动，导致该区域热量无法及时被带走，在冬季北墙应尽量少开窗。

（3）除染色4 区以外的其他三个染色区的染色机由于分布比较密集周围空间狭窄，小范围空气流速过低，容易出现热量堆积，形成局部高温区。

（4）当热源强度为60℃和80℃时，可以考虑在染色工作B 区采用局部送风，特别是染色1 区和染色2 区之间走廊区域，从而降低工作区温度。