綠色建筑理化試驗室排風柜排風口氣流組織數值模擬研究

潘欣鈺，邢云梁 ，羅雅蕾，陳征宇，鄧 輝（.中船第九設計研究院工程有限公司， 上海 00090；.深圳市建筑工務署， 廣東 深圳 5000）

隨著科研、檢測相關行業的發展，理化試驗室建造的數量越來越多。作為該類試驗室安全重要保障的排風柜及其排風性能也受到了諸多研究者的關注。程勇等[1-2]對熱源體排風柜內氣流分布影響的數值進行了研究以及對試驗室排風柜面風速要求與實測作了分析。馬雨軒等[3]對試驗室排風柜性能的影響因素進行了研究。王澤劍等[4]對排風柜全性能實驗臺氣流組織進行了模擬研究。張占蓮[5]對試驗室氣流組織形式對污染物分布影響作了研究。

目前的研究大多聚焦于排風柜的排風性能，而對于室內末端風口的送風與排風對于排風柜排風口區域的氣流組織均勻性較少關注。本研究采用計算流體力學模擬方法對某實際工程的理化試驗室典型房間進行了模擬，并對排風柜排風口區域的風速分布進行了定量分析。在此基礎上通過改變室內新風口的位置，進而對原型工況進行了優化，減少室內氣流對排風的擾動，并總結相關布置經驗供同類工程參考。

1 典型理化試驗室房間概述

本課題根據某科學技術中心施工圖紙，選擇 14 層的前處理室作為典型房間。該房間面積較大，有 6 臺排風柜，排風管上設置有文丘里閥，設置有 3 個風機盤管，并配有 4 個新風口。另外，還有 2 個體積較大的實驗桌，對氣流組織將會有較大影響，在建模時也應考慮。

利用 CAD 三維建模軟件對重要構件和設備進行建模。首先對房間空間進行建模，設置長為 20.0 m、寬為 6.0 m、高為 3.5 m。室內試驗室用桌按照 800 mm 高建模。新風口和風機盤管的送風口為散流器形式，采用長 0.60 m×寬0.60 m× 高 0.05 m 長方體在軟件中進行等效模擬?？紤]到散流器送風的貼附效應，該種風口簡化在工程應用精度上是可以接受的?；仫L口的有效面積系數取 0.8，按照施工圖中的面積按比例縮小建模。排風柜根據國家標準 GB/T 6412—1999《排風柜》等國內外標準的產品樣本進行建模。標準排風柜有 3 種規格，分別寬 1 200 mm、1 500 mm、1 800 mm。根據施工圖，本次建模選擇 1 800 mm 寬規格的排風柜。該設備高 2 350 mm、厚 875 mm，排風口底部距離地面 830 mm。

2 理化試驗室模擬數學模型

模擬采用計算流體力學模擬軟件，通過有限體積法數值求解計算域內的各類物理參數。本文涉及的計算參數主要包括風速、溫度、壓力等。因此涉及 3 類控制方程，分別是連續性方程、動量方程和能量方程。其中，質量守恒方程如式（1）所示。

3 數值模擬邊界條件

在對研究對象進行三維建模之后，還需對所有空氣流經的空間進行網格劃分。采用網格劃分軟件，首先規定整體空間內的網格邊長為 200 mm，然后分別將新風送風口、排風柜排風口、風機盤管送風口和回風口單獨命名，同時還需將天花板和地板區分出來。根據以上網格參數的設置，在軟件中選擇劃分三維網格，并拉伸邊界層網格，共生成 500 萬個左右的網格。模型網格劃分如圖 1 所示。

圖1 模型網格劃分情況

由于理化試驗室的氣流組織模擬涉及流體的溫度，且雷諾數較高，因此在計算模型中應打開能量方程以及湍流雙方程標準模型。流體材質則選擇計算流體力學軟件庫中的空氣即可。然后將整個計算域中的流體材質選擇為空氣。另需注意的是，為了等效室內的發熱量，在計算域中設置一個體熱源，體積發熱指標為 51 W/m3。

模擬邊界條件主要有速度入口、自由出流、壁面條件等。其中風機盤管的型號為 FCU600，取其中檔風量為 765 m3/h，送風溫度為 18 ℃，排風柜上的排風口拉開的高度為300 mm，排風口寬度為 1 600 mm，面風速為 0.5 m/s，排風量為 864 m3/h。新風送風口的送風量取值與排風量相同，風口出風高度為 50 mm，換算相對的出風速度為 3 m/s，送風溫度同樣為 18 ℃。整個房間內的送風量為風機盤管的風量加新風送風量，根據其風量加和結果，考慮風機盤管的送風量與回風量相等，則風機盤管的 3 個回風口占到總排風量的 31%，而排風柜的 6 個排風口占到總排風量的 69%。根據上述各類幾何元素分別對應的邊界條件及相關溫度、流量參數，模擬邊界條件設置如表 1 所示。

表1 計算流體力學模擬邊界條件設置

經上述設置后，對整個計算域進行初始化，并設置迭代步數為 10 000 步，同時監控排風柜排風口上的質量流量，通過殘差曲線及質量流量的穩定來判斷計算迭代是否已經達到收斂。

4 原型模擬結果與分析

經迭代收斂后，通過 CFD 后處理軟件可以獲得計算域內相應的速度云圖，各種邊界條件上的風速統計數據等。排風柜排風口的編號如圖 2 所示。

圖2 原型方案排風柜排風口編號

通過軟件所帶的標準差統計分析功能，可獲得各個排風柜排風口上的風速標準差數值。該功能是統計風口上每個網格的風速，然后求出其平均值，再將每個網格上的風速減去平均值，該差經平方后再除以網格數量，最后求出其方差。該數值可以刻畫排風口上的氣流組織均勻程度，各排風口的風速標準差如表 2 所示。

表2 原型方案排風口排風風速標準差

由表 2 可知，排風口 2 和排風口 6 的風速不均勻度較高，說明其排風較不均勻，有部分網格的風速超過 0.5 m/s。根據計算結果，原型方案中離地 1.5 m 高處的風速有部分 ≥0.5 m/s，風速超標的區域主要是在新風風口附近的區域，其原因為 2 個新風口的貼附射流相遇后，合流下沉將會產生較大的風速。新風口送風口送出的氣流在相遇后合流下沉，造成了較高的風速，同時這也不利于排風柜排風口區域的均勻氣流組織。特別是排風口 2 和排風口 6 的不均勻度較高，主要是新風口的位置不夠均勻造成，如新風口 1 和新風口 2比較靠近排風口 5，而新風口 3 和新風口 4 比較靠近排風口2。下面將通過改變新風口的位置，使得新風送風的流線更為均勻地分布在排風口的附近，從而進一步降低排風口的排風風速標準差數值。

5 優化工況模擬與分析

5.1 優化方案一分析

根據上述模擬結果，新風口的布置位置將會影響排風柜排風口的氣流組織均勻性，因此將原來的新風口 1 和新風口3 移動至東側與新風口 2 和新風口 4 平齊。

新風口在東、西兩側平均布置，預期可以降低排風口的氣流不均勻度。同樣對該新方案進行幾何建模，并劃分網格，導入計算流體力學模擬軟件中進行迭代計算。排風風速標準差具體數值分布如表 3 所示。

表3 優化方案一排風口排風風速標準差

根據表 3 的統計數值，排風口 4 的風速標準差達到0.180，明顯比其他排風口高。其他風口較之原型方案都有所降低或者基本相同，6 個風口的風速標準差平均值為0.117，相對于原型方案的 0.132 降低了 11.4%，從總體上來說排風不均勻度有所下降。

綜合上述情況，優化方案一對于原型方案來說其排風的均勻度有所上升，同時風速也控制得較好，但是排風口4 產生了較高的風速，其主要原因是排風口 4 上部的 2 個新風口距離較近，將造成氣流相遇后合流下沉，在下部區域產生一個風速較高的區域。因此，該排風口受到了下沉氣流的擾動，使得其排風速度產生較大的不均勻度。在優化方案一的計算分析基礎上，將相對的 2 個新風口錯開，使得彼此的氣流不會直接相遇，同時將新風口盡量不要偏置在排風口的一側，使得送風能夠較為均勻地被排出。

5.2 優化方案二分析

根據優化方案一模擬結果，新風口的布置位置將會影響排風柜排風口的氣流組織均勻性。因此，將原來的新風口1、新風口 2 以及新風口 3、新風口 4 在長度方向上錯開，并盡量不要偏置在排風口的一側。

同樣地，對優化方案二進行幾何建模、網格劃分以及迭代計算等處理后，優化方案二排風口排風風速標準差如表 4所示。

表4 優化方案二排風口排風風速標準差

根據表 4 的統計數值，排風口 4 的風速標準差下降到了0.120，不再明顯比其他排風口高。其他風口較之優化方案一都有所降低或者基本相同，6 個風口的風速標準差平均值為 0.105，相對于原型方案的 0.132 降低了 20.4%，相較于優化方案一的 0.117 降低了 10.3%，從總體和局部風口上來說排風不均勻度都有所下降。另外，經統計，離地 1.5 m 高處的平面風速基本都在 0.5 m/s 以下。同時，在優化方案一中 2 個新風口送出氣流對沖的情況也基本消失。

6 結 語

本研究通過對原型方案、優化方案一以及優化方案二的模擬計算分析，對于理化試驗室排風柜排風均勻性有如下結論。

（1）排風柜的排風量雖然有文丘里閥控制，但排風口附近區域內的風速分布也存在著不均勻的現象。

（2）室內送風口的布置方案將會對排風口排風風速造成擾動，進而加劇排風口氣流組織的不均勻度。

（3）原型方案采用單側新風口的布置，排風柜排風口的排風風速標準差平均值達 0.132。如優化方案一將新風口在雙側布置，則排風風速標準差平均值將降至 0.117。在新風口雙側布置的前提下，優化方案二再將新風口位置錯開，能進一步降低排風風速標準差平均值至 0.105，較之原型方案和優化方案一分別降低 20.4% 和 10.3%。

（4）對于一個試驗室房間，末端風口可沿著面寬方向雙側布置，盡量避免單側布置，進而造成空調送風對排風柜排風口附近的氣流組織造成擾動。

（5）在靠近排風柜的上方區域，考慮到貼附射流的影響，在布置末端風口時，應設法避免 2 個風口的服務半徑存在重疊的情況。如限于房間尺寸，無法做到時，也應盡量將風口錯開布置，否則兩股貼附射流相遇下沉后將會對排風柜排風口的氣流組織均勻性造成較大的影響。