【摘要】實驗室暖通空調專業在氣流控制設計時,設計工程師往往依賴設計經驗確定空氣送、回、排風口的規格和布置,雖然這種方法已證實是可行的,但是考慮到複雜空氣流動具有的難以避免的不確定性,這種設計通常需附加較大的安全係數。能源和設備費用的增長、新版規範標準對節能的要求以及社會對環境工程設計策劃的日益重視,迫使設計者考慮採用替代的數學模型或分析技術的設計方法替代傳統的經驗。CFD就是基於計算機技術,建立流體流動和傳熱微分方程,得出流體的流場在連續區域上的離散分布,從而近似模擬流體流動情況,模擬預測室內外或設備內的空氣流動情況。
【關鍵詞】實驗室通風空調;實驗室排風;實驗室設計;實驗室通風;實驗室氣流控制
正文:
從暖通空調的專業角度考慮,封閉空間氣流控制的目的:一是為保證空間內人員的安全,需要維持可接受的氧氣濃度並稀釋和去除二氧化碳及其它汙染物;二是為營造可以接受的受控制地熱環境。然而值得一提的是,在整個通風區域,如果空氣不能均勻分布的話,規定的或者要求的通風量並不能保證充分的稀釋或者去除汙染物。當氣流組織和「塞狀流」或「活塞流」的差別越大時,對汙染物的稀釋效果就越差。同樣道理,熱分布的均勻性也反映了受控環境的熱舒適程度。因此,應該根據標準對氣流分布控制進行設計和安裝,以達到安全與舒適或者工藝的要求,滿足生活或生產對空氣品質的要求。
氣流控制設計在暖通空調工程實踐中採用的方法主要有四種:射流公式、區域模型、CFD以及模型實驗。其中CFD分析有如下優勢:具有模擬現實系統的能力;具有為CFD模型邊界設定精確和理想條件的能力;避免了測量儀器的幹擾問題,能夠揭示物理實驗所不能展示的重要的流動特徵;CFD分析的費用與進行實驗的費用相比少得多;具有處理有害環境的能力;對於CFD,不存在有毒性、不宜人員停留等問題;參數研究可以輕而易舉地通過CFD完成;在建立設計原型之前,能夠迅速而系統地篩選許多設計思想;能夠提供詳細的局部點信息和全面信息,而傳統物理實驗只能在選定的有限點上提供數據。因此,CFD方法應用於對室內空氣分布情況進行模擬和預測,得到房間內風速、溫度、溼度以及有害物濃度等物理量的詳細情況,具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨特的優點,逐漸受到行業從業人員的青睞。
CFD是英文Computational Fluid Dynamics(計算流體動力學)的簡稱,其研究通常包含如下幾個主要環節:建立數學物理模型、數值算法求解、可視化結果與輸出。暖通空調領域的流體的數學模型,通常按不可壓縮的黏性流體流動的微分方程求解,流態為亂流流動。該數學模型具有很強的非線性特徵,可利用數值方法求解,數值算法中常用的離散形式有:有限容積、有限差分、有限元;暖通空調的氣流為低速不可壓縮流體,採用有限容積法進行離散的情形較多。求解結果的速度場、溫度場、濃度場等通過計算機圖形學等技術表達出來,可以將單調繁雜的數字更形象直觀,便於非專業人士理解。
CFD如何應用於實驗室通風空調工程呢?CFD主要可用於解決以下實驗室暖通空調工程設計的問題:
一、實驗室空間氣流組織設計。實驗室領域氣流組織要求最嚴格的當屬潔淨室和恆溫恆溼室,其中潔淨室氣流組織設計的原則包括:淨化空調的末端高效過濾器送風氣流應以最短的距離,不受汙染的直接送到工作區,並且儘可能覆蓋工作區,使汙染物在擴散之前就被攜帶到迴風或排風口;儘量減少渦流,避免把工作區之外的汙染物帶入工作區;儘量控制上升氣流的產生,防止灰塵的二次飛揚;工作區的氣流力求均勻,滿足生產工藝、節能及衛生要求。
恆溫恆溼空間氣流組織設計應考慮以下原則:合理地組織氣流流程,充分發揮送風氣流的冷卻或加熱作用;建立一個穩定均勻的溫度場,以保證在氣流到達工作區時,其平均溫度與工作區的溫度差不超過允許的溫度波動值;根據室內工作人員的衛生要求,在氣流到達工作區時,其流動速度為0.25m/s左右;對於熱源分布很不均勻,或房間比較高大時,恆溫恆溼車間如果採用一個統一的空氣參數,同時又均勻地分配風量,就會在室內產生相差懸殊的溫度場,將影響恆溫精度;這時,如工藝允許,應儘量將發熱量較大的設備部件,移至恆溫恆溼車間外面或套間裡,或者採用分區空調,即對不同區域根據其負荷情況或工藝要求,採取不同的送風參數和送風量。
由此可見,受控空間的氣流組織直接決定了工藝空調的設計效果甚至成敗,而藉助CFD可以預測仿真其中的空氣速度分布和溫度分布詳細情況,色調的冷暖表示溫度的高低,矢量箭頭的長短表示速度的大小,將空調空間內的流場形象直觀地表示出來,及時調整通風空調設備的參數(冷熱量、風量、風壓)、送/回/排風口布局等,從而指導實驗室通風空調的設計和施工。
二、實驗室建築外環境分析設計。建築外環境,如風壓氣流的衝擊、室外塵源的分布、毗鄰熱環境等,對實驗室內部受控環境的設計有著重要的影響,採用CFD可以方便地對建築外環境進行模擬分析,從而設計出合理的實驗室風環境。舉例風壓氣流的衝擊影響:室外氣流在遇到建築物時會發生繞流流動,而在氣流離開建築物一段距離後才恢復平行流動,按照邊界層流動的特性,在迎風面將形成滯留區,產生正壓壓力;而在建築物頂部和背風面將分別形成回流空腔和迴旋氣流區,總稱為空氣動力陰影區,產生負壓壓力;如果實驗室廢氣排放入空氣動力陰影區,有害物質會逐漸積聚,如本區內有新風口,則有害物將隨新風進入室內;當室外風速大於3m/s時,產生的風壓力約5Pa,此時與迎風面室外相鄰的潔淨室正壓值應考慮風壓的影響,否則室外的含塵氣流可能滲漏到室內。
由此可見,建築外環境的分析設計對內環境的設計尤為重要,通過模擬建築外環境的風流動情況,進一步指導廠區總圖布局、實驗樓的自然通風設計、潔淨室與恆溫恆溼室的選址、工藝空調空間壓力塵埃粒子控制、廢氣處理與達標排放方案比選等。
三、實驗室設備性能的研究改進。實驗室暖通空調工程的許多設備,如淨化風櫃、空調器等,都是通過流體工質的流動而工作的,流動情況對設備性能有著重要的影響。通過CFD模擬計算設備內部的流體流動情況,可以研究設備性能,從而改進其更好地工作,降低建築能耗,節省運行費用。
四、實驗室環境空氣品質的提高。暖通設計人員應充分了解實驗室建築功能特點和技術要求,與時俱進,精心設計,才能為科研人員營造一個安全、衛生、舒適的工作環境。環境空氣品質的評價應採用客觀的方式,通過模擬各種汙染物濃度、發生量、種類、作用時間的關係,CFD通過求解偏微分方程,得到室內各個位置的風速、溫度、相對溼度、汙染物濃度、空氣齡等參數,從而客觀評價實驗室通風換氣的效率、熱舒適以及汙染物排放效率等指標,切實有效地提高實驗室環境空氣品質。
綜上所述,使用CFD最大的意義就在於節省實驗成本與預測結果,是理論設計與實踐相結合的紐帶,如果能夠保證CFD模擬的精度,就可以減少大量的實驗,而且可以完成一些現實中不可能完成、或是事先不能做的實驗,是後期施工質量的技術保證。可以預見:類似CAD替代傳統圖板製圖那一樣,CFD技術將成為未來暖通空調設計工程師的必備工具。
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