滤棒库通风空调数值仿真模拟分析

汤毅 曹晓程 孙纪军

上海市安装工程集团有限公司工程研究院

0 前言

滤棒库是存放卷烟过滤嘴材料的库房。在卷烟的生产过程中，通过控制滤棒库内的温湿度和微负压，以防材料在储存过程中气味向外散发和受潮。我司作为上海烟草集团浦东科技创新园区（北地块）机电安装工程总承包单位，按照合同约定，不仅应承担施工的管理任务，还应负责一定量的机电系统深化设计工作。在通风空调系统的设计中，为实现滤棒库内微负压的要求，回风量的确定非常重要。此外，如何得到库房内均匀稳定的气流组织，也是深化设计应解决的关键问题之一。

依靠传统的建设经验，上述问题只能在工程建设后期的调试过程中进行控制，而由于气流的不可视化，可能会出现库房内因大型涡流区存在而导致室内局部区域流动阻滞，造成库房内空气品质的下降。再者，调试后期经常遇到风量计算不准确而造成风机选型错误，使得负压过小，这些均影响库房的正常使用。根据我司在类似工程的建设经验，库房内各区域不应有较大的温度差。同时本项目属于工业项目，区别于传统民用项目，库房内气流流速可稍大，但应控制在0.5 m/s以内。因此，通过利用我司在前期大量工程中的数值仿真经验，在通风与空调系统机电安装实施前，对滤棒库的通风空调效果展开模拟预测，以此来解决上述问题，为今后设备选型，工程调试以及深化设计提供参考依据。

CFD技术作为流体力学的一个分支，已经成为通风与空调工程设计的一个重要工具，由于其可实现流速，温度和压力等方面的可视化，通过利用软件进行数值预测，能在工程建设前直观的反映设计工况下的各种问题，从而纠正大量不合理设计，有效避免工程的返工以节约建设成本。本文利用先前使用CFD的成功经验作参照[1-3]，希望能对本工程的初版设计工况进行仿真校核，为库房内各风口的布置所可能产生的涡流区位置进行初步定位，同时为回风量的确定提供一定的依据。

1 模型的建立与边界条件划分

目前，运用CFD技术的仿真方案有二维仿真和三维仿真两种，相较于三维仿真，用二维模型进行仿真虽能节约大量的建模和计算时间，但对于空间气流模拟，二维仿真只能将研究对象局限在平面内，而无法预测气流组织在垂直和水平面的相互干涉，导致了仿真可靠性和参考价值的下降。本次模拟研究将建立空间的三维模型。

参考设计院提供的初版图纸和建立的BIM模型，本次仿真研究对象为卷包车间滤棒成型区内的滤棒库，结构为规则的六面体结构，规模为76.95 m×16.1 m×6.05 m。送回风方案为顶送顶回式，其中两排共计26个直径为0.63 m的圆形送风口分布在库房两侧，中间是一排12个尺寸为1.25 m×0.7 m的矩形回风口。滤棒库的结构和风口布置模型如图1所示。

滤棒库仿真模型在GAMBIT软件中建立，根据图纸按照相应尺寸建立建筑模型，并在相应位置划分风口后，进行计算网格的铺设。在网格铺设过程中，由于结合了圆形送风口和矩形回风口，导致风口部位形状不规则，因此必须按照非结构网格进行布置。建模前期尝试用全部非结构网格填充模型，计算网格数量在86万左右，而网格精度不高，可能会导致后期计算发散，或计算结果不符合实际结果，如图2所示（精度柱状图越靠近左侧，计算精度越高）。

图2 全部非结构网格布置的计算模型

本次仿真的对象建筑模型较规则，因此考虑结构内部利用六面体网格进行布置，而外围风口位置结合非结构网格，如此设置既能适应本次仿真的复杂风口模型，同时又可提高计算精度，缩短计算时间，故本次仿真中引入了杂交网格（结构与非结构网格结合）的敷设技术。经实践证明，在计算量减少（网格数量在31.2万左右）的同时，网格精度也相应提高，如图3所示。

图3 杂交网格敷设技术

由于初版图纸未确定回风量，为了给工程调试提供实现微负压和合理通风效果的依据，本次仿真采用回风量按送风量的1.05倍设置[4]。为了使仿真更接近实际，在模型顶部设置一定的照明负荷，而滤棒材料一般为纤维类物质，很少向外部产生散热。同时库房内平时无常驻工作人员，故地面散热可以忽略不计。送风温度为24℃，送风口流速为2.4 m/s，墙体材料采用硅类和钙类有机物结合的材料定义物性参数（包括热导率、密度、比热容和粘度等）。边界条件的具体划分情况如表1所示。

2 数值计算和仿真效果

2.1 计算方程的选择

本次模拟中，由于送风的高速气流会导致雷诺数（Re数）升高，增加了紊流的强度，故在软件中的气流方程该采用k-ε方程，而在贴近壁面处，由于气流在沿程中的互相干涉和碰壁后有大量速度损耗，故贴壁处的气流由于雷诺数较低而不再适用k-ε方程，因此在壁面处的流动方程经文献查阅特意作了非平衡壁面函数的修正，并引入了压力梯度的关系，如此设置可以使高雷诺数流场的数值模拟更精确。本文计算的各项方程参数如表2所示。

表1中，有：

2.2 计算收敛性控制

计算过程中运用了亚松弛技术，仿真计算得到了很好的收敛迭代2500步后，计算中各项参数的残差很快达到了的10-3以下的收敛级，如图4所示。

图4 计算收敛性

2.3 仿真结果分析

图5是数值计算出的回送风比值为1.05时房间内负压分布。从图中可以看出，在此条件下，房间内的负压值约为-2.2～-2.5 Pa，各层面（1 m、3 m和5 m高度）的负压值基本均等，房间内也没有出现局部正压的区域，数值仿真预测在该工况下，压力值的分布满足设计要求。

图5 房间内各切面的负压值分布

图6 各层高度的流速分布

库房内的气流组织是影响货物储存和空气品质的关键因素，因此有必要对此进行分析研究。房间内各层高度流速的分布如图6所示，其中房间高度3 m平面内，送风口下方的流速最大，达到了0.7 m/s左右，而送风口周边区域的流速则偏弱，在0.2～0.5 m/s。相对于1 m高度平面，送风口下方的流速下降至0.55 m/s，其周边的流速也下降至0.36 m/s以内。为了实现工业厂房储物间内功能要求，使得库房内流速较民用工程略高，经过仿真预测该条件下，基本能满足设计要求，但要注意风口下方的货物应采取一定的遮挡，因为高于0.5 m/s的送风速度往往会增加货物的干耗，不利于其储存。仿真的结论提供给建设方后，业主表示会在库房投入使用后，顶层货架加设一层挡板来防止上述问题。

库房内的空气品质应通过对气流流动方向进行分析，以得到库房内各气流阻滞区（涡流区）的位置，从而分析其是否影响货物储存。库房内各高度平面内气流流动的方向如图7所示，从图中可以看出，在1 m高度平面内，气流从送风口位置向周边扩散均匀，该平面内基本没有涡流区存在。而在3 m高度平面内，随着送风口气流的增大，靠近墙角和相邻的两个送风口之间出现了规模较小的涡流区。因此，对于滤棒的存储而言，应设法在后期的工程调试过程中，调整送风口百叶的位置来控制送风角度，以此消除货架区域的涡流区。从图7中可看出，可将送风角度略向库房中心区域调整，扩大送风的沿程距离，以避免相邻风口之间送风的干涉。

图7 各层高度的流向分布

仿真结果显示，在回送风比值为1.05时，库房内的流场基本符合要求。考虑到建筑存在少量漏风，而库房内负压值不足-3 Pa，如此小的负压可能会对后期的调试造成困难，因此将回送风比值调整至1.1。新工况下库房内压力场分布如图8所示，从图中可以看出，库房内负压值提高到-7 Pa左右。因此仿真建议在风机采购中，要注意风机的风量，尽量控制回送风比值大于1.1倍，如此可为后期的负压调试留有一定的余量，以避免建筑严密性下降而导致无法实现负压的情况。

图8 回送风比值1.1时库房内的负压分布

3 总结

作为有经验的机电总承包单位，应掌握利用现代化仿真手段以预测工程的建设效果，从而在工程未开工之前及时发现各类潜在问题，并为建设过程中的深化设计，以及后期的各类工程调试提供参考。

本次仿真以上海烟草集团浦东科技园区（北地块）工程中的滤棒库为模型，对机电安装前库房内的气流组织和压力场进行模拟预测，得到了以下结论：

1）库房内的回送风比应尽量控制不少于1.1，以实现大于-5 Pa的微负压。

2）设计工况下，库房内的送风口位置可能会出现流速过大的情况，因此应在货架顶层加设挡板以确保货物储存质量。

3）在调试中，应调整送风口的角度，避免出现风口之间的涡流区。

本次仿真预测的结果对风机的采购，深化设计以及工程调试的进行均有实际的意义，能提供一定的建设参考依据。