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            料場膜結構密閉廠房自然通風數值模擬-項目案例-污水池加蓋-反吊膜|膜加蓋-除臭加蓋-膜結構公司-上海華喜膜結構工程有限公司
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            料場膜結構密閉廠房自然通風數值模擬

            發布時間:2019年9月18日 點擊數:1513

            1 概述

            在大型資源消耗型企業中, 料場用于儲存生產資源如燃煤、礦石等, 灰場主要用于儲存灰渣等。目前, 我國料場 (灰場) 絕大部分采取露天形式, 粉料揚塵問題明顯, 對大氣環境造成嚴重污染, 也對居民的生活造成影響, 由此引發的投訴和糾紛時有發生。此外, 物料 (特別是生產資源) 的露天堆放也造成了資源的損失, 并影響物料品質。

            企業對中小型料場 (灰場) 的揚塵采取了有限的抑制措施, 如噴灑抑塵劑 (見圖1) 、設置擋風網 (見圖2) 等。噴灑抑塵劑僅適合于中小型料場 (灰場) , 須反復作業, 消耗大量水, 風力較大時, 仍然存在二次飛揚。擋風網雖能夠起到一定的抑塵作用, 但仍然存在二次飛揚。因此, 部分企業采用了鋼結構密閉廠房用于抑制揚塵, 但由于鋼結構廠房造價高, 采光效果差, 僅適合于小型料場 (灰場) , 不適合于大中型料場 (灰場) 。

            圖1 料場 (灰場) 噴灑抑塵劑

            圖1 料場 (灰場) 噴灑抑塵劑   下載原圖

            近年來, 隨著環保要求日益嚴格, 出現了膜結構密閉廠房[1,2] (見圖3) , 可實現對各類型物料的全封閉儲存。優點表現在采光和抑塵效果好、儲存空間大、無梁柱、施工期短等[3]。但由于膜材料具有一定透光性, 增加了封閉空間的太陽能輻射得熱量, 導致夏季廠房內工作區溫度過高。目前, 國內對膜結構密閉廠房室內環境品質的研究較少。本文針對某燃煤料場, 采用數值模擬方法, 研究進風口、排風口的面積以及進風口位置 (以進風口底緣距地面高度表征) , 對膜結構密閉廠房自然通風效果 (以工作區平均溫度作為評價指標) 的影響。

            圖2 擋風網

            圖2 擋風網   下載原圖

            圖3 膜結構密閉廠房

            圖3 膜結構密閉廠房   下載原圖

            2 模型建立

            (1) 物理模型

            以武漢某燃煤料場的膜結構密閉廠房作為研究對象, 建立物理模型 (見圖4) 。圖4為物理模型的一般情況, 模擬時排風口上緣與廠房穹頂下緣的距離為0。該廠房的基本尺寸 (長×寬×高, 高指廠房穹頂最高點距地面距離) 為273 m×56 m×31.4 m, 廠房側墻高度為21.4 m。燃煤堆料橫截面按等腰三角形考慮, 三角形底邊長為46 m, 高為13 m, 燃煤堆料長度為263 m?紤]燃煤堆料存在自發熱現象, 取堆料表面溫度為78℃[4]。擬采用自然通風, 控制工作區 (指廠房內1.5 m及以下空間, 不包括燃煤堆料) 平均溫度。在夏季工況下進行模擬, 室外溫度取當地夏季通風室外計算溫度32℃。

            廠房的開窗位置見圖4, 靠近地面位置為進風口, 靠近廠房穹頂位置為排風口。對于自然通風, 進風口底緣距室內地面 (模型中室內外地面標高相同) 高度控制在0.3~1.2 m。由自然通風原理可知, 排風口位置越高, 熱壓越大, 越有利于自然通風, 因此在模擬時排風口上緣設定在廠房側墻最高處。

            工業廠房的自然通風是在熱壓、風壓共同作用下進行的, 由于廠房迎風側與背風側的速度場較為復雜, 因此在模擬時需要將計算區域擴大。通過試算, 確定計算區域的長度、寬度均為廠房長度的30倍, 計算區域的高度為廠房穹頂高度的50倍, 以形成無限遠邊界。為縮短計算時間并提高計算精度, 采用非均勻網格對物理模型劃分網格, 燃煤堆料表面、進風口、排風口網格劃分得較為密集, 除燃煤堆料外的廠房內部空間以及廠房周圍的計算區域網格劃分得較為稀疏。

            圖4 膜結構密閉廠房及燃煤堆料物理模型

            圖4 膜結構密閉廠房及燃煤堆料物理模型   下載原圖

            (2) 數值計算方法及邊界條件設置

            本文采用Fluent軟件進行數值模擬計算。模型的流場采用RNG湍流模型處理, 壁面附近采用標準壁面函數法進行處理。采用DO輻射模型, 模擬熱源 (燃煤堆料、膜) 與廠房各壁面之間的輻射傳熱。采用二階迎風格式對方程進行離散, 采用分離隱式求解器和SIMPLEC算法對差分方程進行求解。在模擬時, 未考慮廠房與室外環境的傳熱。

            廠房的進風口與排風口設為多孔跳躍邊界條件 (porous-jump) , 將進風口、排風口視為無限滲透的相當薄的薄膜, 薄膜的厚度設定為10-10m, 滲透率設定為1010m2。計算區域迎風側采用速度進口 (Velocity-Inlet) , 通過分析, 選取環境風速在0.5~3.0 m/s變化[5], 模擬時取最不利風速0.5 m/s。計算區域背風側設為自由出口 (outflow) 。燃煤堆料表面采用第一類邊界條件。鑒于膜材的透光性, 模型考慮了廠房的太陽輻射得熱量, 膜結構表面采用第二類邊界條件, 熱流密度取膜結構單位面積太陽能輻射得熱量。筆者根據當地近30 a的氣象數據, 選取太陽輻射強度最強日的太陽輻射強度, 確定膜結構單位面積太陽能輻射得熱量。

            (3) 模擬對象

            通過改變進風口、排風口面積以及進風口位置, 研究廠房工作區平均溫度的變化, 分析這3個結構參數對廠房自然通風效果的影響。

            3 模擬結果與分析

            (1) 進風口面積

            設定排風口面積為546 m2, 此時排風口底緣與地面距離為20.4 m?紤]到廠房內燃煤堆料高度較高, 為避免堆料影響進風效果, 進風口底緣距地面高度選取為1 m。工作區平均溫度、通風量隨進風口面積的變化見圖5。由圖5可知, 在排風口面積、進風口位置一定的條件下, 通風量隨進風口面積增大基本呈線性增長。工作區平均溫度隨進風口面積的增大先快速下降, 然后趨于平緩。當進風口面積由546 m2增至819 m2, 工作區平均溫度由34.67℃快速降至33.76℃, 隨后下降速度趨緩。這主要是由于隨著進風口面積的增大, 通風量持續增加, 使得工作區平均溫度趨向室外溫度。因此, 在排風口面積、進風口位置一定的條件下, 存在最佳進風口面積。

            圖5 工作區平均溫度、通風量隨進風口面積的變化

            圖5 工作區平均溫度、通風量隨進風口面積的變化   下載原圖

            (2) 排風口面積的影響

            設定進風口面積為819 m2, 進風口底緣距地面高度為1 m。工作區平均溫度、通風量隨排風口面積的變化見圖6。由圖6可知, 在進風口面積、進風口位置一定的條件下, 通風量隨著排風口面積的增大先較快速增大, 當排風口面積增至1 092 m2后, 通風量增大的速度變緩。工作區平均溫度隨著排風口面積的增大先快速下降, 當排風口面積增至1 092m2后, 工作區平均溫度下降的速度變緩。主要原因是, 增大排風口面積易導致中和面位置升高, 排風口處的室內外壓差也無法持續增大, 通風量也趨于平穩, 最終導致工作區平均溫度的變化不再明顯。因此, 在進風口面積、進風口位置一定的條件下, 存在最佳排風口面積。

            圖6 工作區平均溫度、通風量隨排風口面積的變化

            圖6 工作區平均溫度、通風量隨排風口面積的變化   下載原圖

            (3) 進風口位置的影響

            設定進風口面積為819 m2, 排風口面積為1 092m2, 此時排風口底緣距地面高度為18.9 m。工作區平均溫度、通風量隨進風口底緣距地面高度的變化見圖7。由圖7可知, 在進排風口面積一定的條件下, 通風量隨著進風口底緣距地面高度的增大, 呈現先增加后減小的趨勢。工作區平均溫度隨進風口底緣距地面高度的增大, 呈現先降低后升高的趨勢。當進風口底緣距地面高度為0.5 m時, 通風量達到最大, 工作區平均溫度降至最小。隨著進風口底緣距地面高度繼續增大, 通風量逐漸減小, 工作區平均溫度逐漸升高。這與文獻[6]得到的研究結果基本一致。因此, 在進風口面積、排風口面積一定的條件下, 存在最佳進風口位置。

            由文獻[7]可知, 當進排風口面積、排風口位置一定時, 中和面將隨著進風口位置上升而上移, 從而導致通風量的下降, 但該廠房卻表現出通風量隨著進風口位置的升高先增大后減小的變化趨勢。主要原因是, 當進風口位置較低時, 進風易受到廠房內燃煤堆料的阻擋。隨著進風口位置逐漸升高, 雖然中和面位置也有所上升, 但燃煤堆料的阻擋作用減弱, 綜合表現出通風量增大, 工作區平均溫度下降。隨著進風口位置進一步升高, 在中和面位置持續上升的作用下, 通風量持續減小, 工作區平均溫度上升。

            由以上分析可知, 對于該廠房, 當進風口面積為819 m2, 排風口面積為1 092 m2時, 進風口底緣距地面高度為0.3~0.5 m范圍內, 燃煤堆料對通風量的影響程度大于中和面位置。在0.5~1.2 m范圍內, 中和面位置成為關鍵影響因素。

            圖7 工作區平均溫度、通風量隨進風口底緣距地面高度的變化

            圖7 工作區平均溫度、通風量隨進風口底緣距地面高度的變化   下載原圖

            4 結論

            采用數值模擬方法, 研究進風口、排風口的面積以及進風口位置, 對膜結構密閉廠房的自然通風效果 (以工作區平均溫度作為評價指標) 的影響。在模擬時, 將排風口設置在廠房側墻的最高處。

            (1) 在排風口面積、進風口位置一定的條件下, 通風量隨進風口面積增大基本呈線性增長;工作區平均溫度隨進風口面積的增大先快速下降, 然后趨于平緩。

            (2) 在進風口面積、進風口位置一定的條件下, 通風量隨著排風口面積的增大先較快速增大, 然后趨于平緩;工作區平均溫度隨著排風口面積的增大先快速下降, 然后趨于平緩。

            (3) 在進風口、排風口面積一定的條件下, 通風量隨著進風口位置的升高, 呈現先增加后減小的趨勢;工作區平均溫度隨進風口位置的升高, 呈現先降低后升高的趨勢。

            (4) 自然通風時, 膜結構密閉廠房存在最佳進風口面積、最佳排風口面積、最佳進風口位置。

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