空气流动数值模拟在汽车喷膜厂房通风设计中的探讨

    张立闽，高级工程师，国家注册公用设备工程师（暖通空调）,现任山东贝格建筑设计院副院长。

摘要

空气流动数值模拟在汽车喷膜厂房的应用，是通过理论计算与CFD数值模拟技术手段，对自然通风与机械通风两种工况进行模拟比较。结果表明，仅在室外主导风向与室内热压环境下，自然通风对厂房内部效果不明显。通过CFD模拟技术为能耗与效果间寻求平衡点，机械通风工况下换气次数15次/h时，其通风效果基本满足厂房的卫生要求，效果较为理想。

关键词

汽车喷膜厂房 自然通风 机械通风 CFD

0引言

目前我国汽车制造业进入快速发展阶段，规模快速增长，外资企业入驻中国，在这种大环境下，对工业企业职业卫生提出了更高要求。然而厂房空气质量环境的治理一直都是工业通风的一个难题，每个厂房都有各自的工艺特点，多种不确定性因素，如产生混合烟气的密度、室外风向、发烟尘点的不固定等。对于业主方很难找到可参照的实施方案，然而厂房的空气质量治理改造与能耗、投资、生产条件又有着各种各样的矛盾点，如何从中间获取平衡是工业通风的关键所在。随着计算流体力学（CFD）的发展，现在越来越多的领域使用该技术预先对现实情况进行探讨和研究，再结合实际经验，最终得出实施方案，解决通风问题。本文以汽车喷膜厂房通风改造为例，实地检测改造前室内温度、速度、污染物浓度，分析了影响室内空气质量的因素，利用CFD模拟提出了改造方案，并对实施后的效果进行了测试。

1. 1.  改造前厂房分析

本工程位于山东烟台地区，厂房南北长85m，东西长64m，东侧与北侧有辅助用房，需要改造地区位于厂房B~G轴，平面如图1所示。

图1 厂房平面图

改造区域南北长76m，东西长27m，厂房屋顶为坡屋面，西高东低，剖面如图2所示。

图2 厂房剖面图

改造区域面积为2170m²，厂房外围护结构为彩钢板，屋面由彩钢板和采光带组成。原厂房西侧外墙高出部分设置9台轴风机，单台风量19000m3/h，东侧外墙高出附房屋面处设置电动外窗，南侧外墙设有外窗及外门，北侧紧邻附房仅有外门。由于企业产品开发原厂房使用功能发生变更，现在厂房内东侧设有5台燃气熔炼喷膜机，西设有5台电热熔炼喷膜机，下部熔炼炉外表面温度63℃，喷膜机距离地面3m高位置设有喷膜口，对加热后产品进行喷膜，喷膜物质成分为石蜡和水，喷射到产品表面后水迅速蒸发为混合少量石蜡的水蒸气。厂房西北角布置4台T50熔炉，外表面温度40℃。由于工艺原因不允许有雨雪飘进厂房内部，故原熔炼炉位置东西两侧外墙上开设的外窗不能开启，另因管理原因厂房南北两侧外墙大门又不能常开，所以现阶段只能靠西侧外墙上的轴流风机排除室内空气，但厂房内无新风补入，通风效果不理想。

本次改造的目的，一改善厂房内空气质量，二利用通风降低夏季厂房内室内空气温度。经考察厂房现状，首先解决新风的引入，决定在东侧附房上开设通长百叶风口，改造东侧附房增加吊顶，附房与改造厂房隔墙处相同高度也增加通长百叶，形成新风引入口。在此基础上又拟定五种通风方案，见表1：

表1 方案对比表

与业主方初步探讨后，决定对厂房生产影响较小的方案一、方案二、方案三进行通风模拟。

1. 2.  CFD模拟边界条件

根据工程实际经验和气象参数，对通风模拟做了以下几种边界条件的设定，见表2：

表2  通风模拟边界条件

1. 3.  计算结果及分析

根据表2计算边界条件先对自然通风进行模拟，结果见图3~6。

图3 自然通风 夏季-南风工况 风速分布

图4 自然通风 夏季-东南风工况 风速分布

图5 自然通风 冬季-北风工况 风速分布

图6 自然通风 冬季-西北风工况 风速分布

参考国家《工作场所有害因素职业接触限值》石蜡烟时间加权平均允许浓度为（PC-TWA）2mg/m³，室内液体石蜡与水蒸气混合气体密度经分析为室内空气是风压与热压共同作用的结果。在以上分析图中可知，自然通风工况，厂房内熔炉产生热气流，热压形成的向上气流，室外风压对厂房内作用不大，就形成了热气流阻隔室外的进风通道，空气不能自然流通，难以满足厂房劳动卫生条件所需的换气次数。为此，需要采取机械通风手段来改善厂房通风效果。

根据消除余热与稀释有害物所需全面换气机械排风量理论计算公式计算：                                              

(1)

                                      (2)

G-消除余热通风量，kg/h；

Q-余热量，KW；

tp-排出空气温度，℃；

tj-进入空气温度，℃；

C-空气比热，1.01KJ/(KgK)；

G1-稀释有害物通风量，kg/h；

ρ-空气密度，kg/m³；

M-室内有害物的发散量，mg/h；

Cy-室内空气中有害物质的最高允许浓度，mg/m3；

Cj-进入空气中有害物质的浓度，mg/m3；

通过计算得出，消除余热所需换气次数15次/h，稀释有害物所需换气次数11次/h。机械通风模拟分别对9次换气与15次换气做出分析，分析结果见图7~10。

图7 机械通风9次换气 夏季工况 风速分布

图8 机械通风9次换气 夏季工况 危害物分布

图9 机械通风9次换气 冬季工况 风速分布

图10机械通风9次换气 冬季工况 危害物分布

图11 机械通风15次换气 夏季工况 风速分布

图12机械通风15次换气 夏季工况 危害物分布

图13机械通风15次换气 冬季工况 风速分布

图14机械通风15次换气 冬季工况 危害物分布

由图中可知，9次换气次数厂房中间部位风速较低，有空气滞留情况，有害气体不能及时排出，15次换气次数厂房绝大部分风速可达0.3m/s，有害气体空气中含量低于限定值，厂房通风效果基本可以满足劳动卫生条件要求。

1. 4.  结论

本文从工程应用的角度，采用CFD技术模拟厂房通风情况，对自然通风与机械通风进行比较，结果表明，室内热压作用较大时，仅靠外墙侧面开口自然通风效果改善不明显；机械通风可明显改善通风效果，又通过理论计算与模拟相结合得出合理的换气次数，找到通风能耗与通风效果间的平衡点。

另外，通过CFD模拟能做到事前有效指导工程技术改造方案，避免盲目改造造成投资浪费情况，对业主方与设计方确定改造方案提供了理论依据。

参考文献：

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