基于COMSOL的精锻厂房夏季室内温度仿真

陈 辉，张佳琦，李国军，范 磊，李汉锟

（1.沈阳建筑大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.沈阳城市建设学院，辽宁 沈阳 110167）

0 引言

随着我们国家步入“十四·五”，生态文明建设更加受到了人们的关注。由于社会的发展我国碳排放也随之增多。2015年到2020年的能源消费总量呈逐年上升的趋势；2015年至2019年的能源变化率分别为0.9%、1.3%、2.9%、3.34%和4.74%，其变化率同样逐年增长，而2020年由于疫情的影响其增长率为2.47%比上年的增长率4.74%有所下降，但总体上仍然呈上升的趋势[1-7]。可以预见未来我国对能源的需求量依旧会逐年上升。因此降低能源消耗、碳中和已经成为企业发展不可回避的一个问题。如何既满足生产实际需要，又可以利用已有的资源降低能源的损耗，成为了当今讨论的热门话题。热泵、换热器、热回收器等将低品位能转换成高品位能的余热回收装置已经成为当今降低能源损耗的主要方法之一。

何华明设计了一种新回风换气机，其采用的芯体为亲水高分子纤维，并使水蒸发冷却技术，可实现高效热回收[8]。Amiraslanpour Mojtaba等采用基于拉格朗日的粒子输运方法，采用浮力效应的非boussinesq模型，研究了层流通风系统设计因素对手术室污染物去除和热舒适条件的影响[9]。Ruiye Li等提出了一种新的非均匀径向通风管道设计方法，可提供轴向温度分布均匀的SVDS优化设计方案，且大大降低了计算成本[10]。

上述研究中对工厂内的自然通风仿真和对工厂内特定位置的不同情况下的温度变化鲜有研究。中一精锻在建筑设计当中采用通风排烟天窗来消除锻造时所产生的室内余热，进风采取自然进风的方式。为保障工厂内的通风方式可以消除锻造时所产生的室内余热，现对不同进风条件、不同室外温度下工厂内的温度进行仿真，确定消除室内余热的风速条件的临界值，确定机械通风的换气次数，为后续机械通风的构建打下基础。

1 精锻厂房自然通风状况

根据当地的气象参数，夏季平均温度为27.5℃，平均风速为2.9m/s，当地的主要风向为南风。根据2020年7月16日实测室外温度为35℃风向为南风，精锻厂房的长为180m、宽为60m、高为14.1m。生产的产品为汽车连杆，使用的材料为36MnVS6的棒料，其工艺流程为先通过剪切机把棒料剪裁为2kg的毛坯料，中频炉给毛坯料加热到1240℃，通过滚子链把加热好的工件传送至辊锻机经过辊锻、模锻和终锻，切边处理后空冷至室温，最后进行喷丸强化和荧光探伤等处理后成型入库。现室内主要热源为10个350kW的中频炉。以厂房的西北角为坐标原点，10个中频炉中点在XY平面的坐标见表1。

表1 中频炉XY平面坐标Tab.1 Intermediate frequency furnace XY plane coordinates

经过现场实际测量，中频炉炉顶温度为105℃，侧墙温度为95℃，炉内温度为1200℃，工作区三维几何建模见图1。

图1 工作区几何建模图Fig.1 Geometric modeling diagram of workspace

式中：L—通风量（m3/h）；n—换气次数；Vf—厂房体积（m3）。

精锻厂房的具体参数见表2。

表2 工厂参数表Tab.2 Factory parameter table

2 精锻厂房自然通风仿真

2.1 CFD模块概述

CFD的全称是Comoutational Fluid Dynamics计算流体力学，在COMSOL中的流体流动接口包括单相流、管道流、多相流等。根据雷诺数Re的不同，可以选择层流和湍流。

当雷诺数小于2000时选择层流物理场进行仿真，当雷诺数大于2000时选择湍流模型进行仿真。湍流可由模型种类分为L-VEL、k-ε、k-ω、SST，他们的计算代价依次递增。研究分为瞬态研究和稳态研究，可以对流体的速度场、温度场进行仿真。图2是COMSOL的仿真流程。

图2 COMSOL仿真流程图Fig.2 COMSOL simulation flow chart

2.2 COMSOL仿真方程

湍流方程：

式中：ρ—密度；u—流速场；K—湍流动能；F—影响流体的体积力；μ—动力粘度；ε—湍流耗散率。

固体和流体传热方程：

式中：ρ—密度；u—流速场；△T—温度梯度；Cp—比热容；q—热传导速率；Q—空间分布的热源；k—热传导系数。

2.3 设置物理场边界的相关参数

式中：Re—雷诺数；ρ—流体密度；v—流体流速；d—特征长度；μ—粘性系数。通过计算该仿真模型的雷诺数大于2000所以选择k-ε模型[11-12]。

式中：l—湍流长度；L—水利半径。

式中：a、b—矩形管道边长。

式中：I—湍流强度；Re—雷诺数。

工厂屋顶传热系数为0.048，表面辐射率为0.95。通过以上数据对工厂室内自然通风进行仿真。该仿真为非等温流流动中的湍流k-ε模型和传热辐射中的表面对表面辐射传热模型的多物理场仿真模型。

2.4 通过COMSOL对工作区的温度场仿真

根据当地气象参数可知在夏季时当地的平均风速为2.9m/s，但室外环境参数不是一成不变的，因此对多种风速条件下的室内温度场进行仿真。

2.4.1 仿真前对环境参数的设置

室内进风口总面积为96.92m2。该仿真中涉及的材料分别为工厂内部空气，中频炉炉体材料为Q235。根据现场实际测量室外温度为35℃。室内空气的材料属性见表3。

表3 空气属性参数表Tab.3 Air attribute parameter table

2.4.2 仿真前对输出的截面设置

以厂房的西北角为坐标原点，本研究输出的截面为锻造区YZ平面截面，其x轴坐标为15m，该截面所在位置是锻造区的过道，是工人们的主要操作区，具体仿真截面见图3。

图3 仿真二维截面位置图Fig.3 Location diagram of simulated two-dimensional sectio

3 仿真过程及结果分析

3.1 设置环境温度为35℃时的仿真

根据实测室内温度为36.3℃，实测点坐标为（15，120，1），风速为2.9m/s，仿真结果为35.8℃误差为1.3%，说明该仿真具有实际意义。在进风口风速为2.9m/s时，由公式（1）可得其每小时的室内换气次数约为6次。通过图4（a）可以得出，在风速为2.9m/s时室内平均温度为35.55℃，由中频炉引起的升温为0.55℃，顶部最高温度为36℃，内部温度相对稳定。通过图4（b）可以得出，在风速为2.0m/s时室内平均温度为35.6℃，由中频炉引起的升温为0.6℃，顶部最高温度为36.7℃，内部温度相比风速为2.9m/s时逐渐升高。通过图4（c）可以得出，在进风口风速为1.5m/s时，通风量为523368m3/h，由公式（1）可得其每小时的室内换气次数约为3次，室内平均温度为35.7℃，由中频炉引起的升温为0.7℃，顶部最高温度为37℃，内部温度在中频炉附近有明显的升高，在自然通风条件下其内部温度不如风速为2.9m/s时稳定。在进风口风速为1m/s时，通风量为348912m3/h，由公式（1）可得其每小时的室内换气次数约为2次，通过图4（d）可以得出，在风速为1m/s时室内平均温度为35.9℃，由中频炉引起的升温为0.9℃，顶部最高温度为37.5℃，在自然通风条件下已经逐渐的不能消除室内余热，中频炉对室内升温的影响范围也有所扩大。

图4 不同风速下工作区的温度分布梯度图Fig.4 Temperature distribution gradient diagram of working area under different wind speeds

3.2 设置环境温度为26℃时的仿真

通过对环境温度26℃时进风口不同风速条件下的温度仿真，来确定机械通风的换气次数，通过COMSOL软件对室外温度为26℃时室内换气次数分别为3次和4次两种情况进行仿真。两种通风情况室内整体的温度平均值分别为27℃和26.9℃温度相差0.1℃，夏季室内舒适温度范围是24.8℃-28.3℃，所以均在人体舒适的温度范围内且无明显体感差别，对坐标为（15，120，1）温度进行对比，其温度分别为28.1℃和27.9℃，也在人体舒适的温度范围，其主要区别为换气次数为3次时室内27℃的温度范围比换气4次的温度范围更多，但均在人体舒适范围内，具体如图5所示。

图5 室外温度为26℃时不同换气次数下工作区的温度分布梯度图Fig.5 Temperature distribution gradient diagram of working area under different ventilation times when the outdoor temperature is 26℃

3.3 仿真结果分析讨论

室外温度为35℃时，坐标（15，120，1）点在进风风速为1.0m/s时的温度为36.4℃，在进风风速为1.5m/s时的温度为36.2℃，在进风风速为2.0m/s时的温度为36℃，经《GB-T4200-2008高温作业分级》规定，在室内大于36℃时允许连续接触热时间不超过30min，且每工作30min应休息15min。为创造舒适的生产环境，提高生产效率，需要构建通风系统。室外温度为26℃时室内最高温度为30℃，且范围较小，主体温度较为舒适，不用使用机械通风系统。

4 结论

本文分析了精锻车间的不同自然条件下的自然通风。通过COMSOL对该厂房室外温度为35℃时的内部温度场进行了仿真分析，得到了该厂房进风口不同风速下的内部温度梯度分布，反应出了不同进风速度对室内温度的影响。通过对室外温度为26℃时室内温度场仿真，为构建出一套在自然通风条件不能消除厂房内部余热时使用的机械通风系统提供理论前提，通过机械通风降低室内温度使工人在室外温度过高时有一个使人体舒适的工作温度。通过研究得出以下结论：

通过COMSOL对室外温度为35℃进风口处风速为2.9m/s、2.0m/s、1.5m/s、1.0m/s的情况下室内自然通风情况的仿真，得出在不同进风速度下的室内温度梯度图，清晰的反应出了中频炉对室内温度的影响，为该厂房构建机械通风系统来保证工人夏天工作时的舒适性，来保证生产效率提供理论基础。

以COMSOL仿真得出的在不同进风速度下的室内温度梯度图为参考依据，得出了在自然通风不能满足室内通风需求的情况下使用的机械通风系统的换气次数为3次，换气量为473931m3/h。