工厂大车间内空调优化安装

1、工厂大车间内空调优化安装: this paper firstly use Gambit software to draw the simplified workshop geometry model, and will the grids import Fluent after simulatecalculation. By changing theposition of the air conditioning wind path, getting four different models of airflow organization distribution, and showing

2、the calculated results by visual graphics, by comparison, select the best air distribution installation plan after the analysis and optimize the workshop of air conditioning exhaust system.s: workshop airflow organization; CFD simulation;fluent software; energy-saving air conditioning引言 随着社会的进步和经济的发

3、展，人们对居住和工作环境的 要求越来越高， 从而对空调通风技术提出了更高的要求， 空调效 果俨然成了人们关注的焦点。 笔者选取某工厂的生产车间作为研 究对象，采用计算流体力学(CFD的方法来研究车间内的气流 组织情况，应用 Fluent 软件模拟了空调运行状态下该车间气流 组织的速度、压力及温度的分布情况。希望应用计算流体力学(CF D的方法来了解、研究车间内的气流组织情况，应用Flue nt 软件来模拟空调运行状态下该车间气流组织的速度、 压力及温度 的分布情况。 通过改变空调进风口的位置， 得到四种不同模型的 气流组织分布情况， 经过对比、 分析找出车间大气流动的基本规 律，从而制定出最佳

4、的气流组织方案来安装， 以优化车间的空调 排风系统。 这对车间大气环境的改善、 能源的节约和企业效益的 提高都有着极其重要作用。模拟方案介绍 建立车间简化模型 某工厂的生产大车间外围轮廓为长方体，长宽高分别为15m 10m和5m。该车间东西方向设有前后两个3*2米的大门，模拟时这两扇大门是敞开的。在南北两侧墙壁上均匀的分布着 8 个窗户， 空调开启时这些窗户一般为紧闭状态， 因此没将它们在 车间三维图中表示出来， 这并不影响计算结果。 车间内设有工作 台、桌椅、橱柜、生产设备等，这些设备的大小及摆放位置对车 间的流场有非常大的影响， 以至于影响解的收敛情况， 大大的加 大了本课题的难度，为了最

5、大化的简化模型也没有将这些物品、 设备在三维图中表示出来。车间中央空调采取屋顶送风的形式， 四种模型均将空调送风口设置在屋顶， 只是位置和数量不一， 四 种模型送风口的具体数据将在底下一一做介绍。利用 Gambit 软件绘制三维图。单击 Operation/Geometry/Volume/Create Real Brick 按钮，在弹出 的对话框中，分别输入三个坐标值，构建车间轮廓。单击Operation/Geometry/Face/Create Real Rectangular Face 钮，在弹出的对话框中， 分别输入具体数值以绘制门和空调排风 口，并将其一一移动至相应位置。简化后的车间几

6、何模型（模型 3）如图 1 所示。图1 车间几何模型 采用同样的方法绘制另外三种模型的三维图。在这四种模 型中，除了屋顶上空调送风口的位置、大小、数量不同外，门窗 以及各个地方的构造、 分布均相同。 虽然四种模型送风口分布各 不相同， 但是每种模型中央空调的输入功率是大致相同的， 也就 是说每一个模型中送风口输入功率的总和是大致相等的， 这里表 现为每种模型的出风口的总面积是一样的。 只有这样， 对比才显 得有意义，才能找出最优的设计方案。四种模型的俯视图如图 2 示，从中可以清楚的看出空调送风口的数量、大小及布置位置。图2 四种模型的俯视图模型 1（图 2 左上图）中， 3 个尺寸为 1*1

7、 米，输入功率为 3 匹的送风口横排在中间，四个角落里分布着四个尺寸为 0.6*0.6 米，输入功率为 0.5 匹的送风口，模型的总输入功率为 15匹，每小时耗电约11kw;模型2 （图2右上图）中，与模型1 形同的是仍将 3个尺寸为 1*1 米，输入功率为 2.5 匹的送风口横 排在中间， 不同的是将 8 个尺寸为 0.5*0.5 米，输入功率为 1 匹 的送风口均匀对称的分布在靠墙的两侧，模型的总输入功率为 15.5匹，每小时耗电约11.3kw ;模型3 （图2左下图）中，将4 个尺寸为 0.8*0.8 米，输入功率为 1.5 匹的送风口对称的设置在中间，另外 6 个 3 个尺寸为 0.5

8、*0.5 米，输入功率为 1.5 匹的送 风口对称分布在靠墙的两侧，模型的总输入功率为 15 匹，每小 时耗电约11kw;模型4(图2右下图)中，将6个尺寸为0.8*0.8 米，输入功率为 2.5 匹的送风口均匀对称的设置在两侧， 模型的 总输入功率为 15匹，每小时耗电约 11kw。划分网格单击 Operation/Mesh/Volume/Mesh Volumes 按钮， 弹出 Mesh Volumes 对话框。在列表框内选取整个区域轮廓，在 Interval Size( 指定网格间隔 )一栏输入 0.4 ，单击 Apply 按钮 后，生成体网格。如图 3 示。图 3 体网格图指定边界类型

9、该过程与二维问题的主要区别在于三维问题不是指定区域 (Region) 的类型，而是指定体 (Volume) 的类型。 具体过程是： (1) 指定求解器名称。在 Solver 菜单中指定求解器为 Fluent5/6 。(2) 指定边界类型。单击 Operation/Zones/SpecifyBoundary Types 按扭，弹出 Specify Boundary Types 对话框。在对话框中，分别指定：空调送风口的类型为 VELOCITY_INLET速 度进口 ) ，名称默认;东西方向前后两大门的类型为PRESSURE_OUTLE压力出口)，名称默认；建筑物表面的类型为WALL (固壁)，名

10、称为默认。操作完成后，网格模型表面上仍维持原样，但实际上已包 含有边界类型的信息和体的类型的信息。 调用 File/Export/Mesh 命令，给定文件名(如X.msh),可将上述网格模型存盘了， 这样， 车间几何结构的三维网格全部完成，接下来将在 Fluent 软件中 对此模型进行求解和分析。采用 Fluent 软件进行求解(1) 准备计算网格以三维单精度 (3d) 方式启动 Fluent 。读入前面生成的网格 文件X.msh。由于在Gambit中使用的是 m,而Flue nt内部存储 网格的长度单位即是 m所以只须保留默认设置即可。然后，对 Gambit 生成的网格进行检查。(2) 设置

11、模型采用 Fluent 默认的求解器 (即分离式求解器 ) 、稳态流动、 绝对速度公式。Fluent 提供了分离式和耦合式两类求解器。分离式求解器 主要用于不可压流动和微可压流动， 而耦合式求解器用于高速可 压流动。 因为本课题涉及到的流动并没有达到高速流动， 高强体 积力，因此选用分离式求解器就可以了。使用 Fluent 默认的运 行参考压力 (标准大气压 ) ，不考虑重力，考虑热交换。流体按湍 流对待，选择标准湍流模型，模型的所有系数用默认值。计算的 收敛精度采用默认值 0.001 。(3) 定义材料保留默认设置(空气)。(4) 设置边界条件 在前面已经将各个面的边界类型指定了。接下来关键

12、是设 置送风口速度及温度，速度设为1m/s，温度设为300K。由于送风口、大门都只是用平面表示，因此墙的厚度设置为 0 米，这样 墙的温度就为室外温度设置为 308K。其他的类型均默认。(5) 初始化流场 前面设置都为接下来的计算做的准备，但在计算前还有一 个比较关键的步骤：对流场进行初始化。同时，将初始值保存起 来。完成这些设置后， 将当前定义的全部信息保存到文件 (*.cas) 中。(6) 迭代计算将迭代计算的迭代次数设为 1000。迭代计算完成后，可以 选择 File/Write/Case&Date 命令，将当前定义的全部信息及计 算结果保存到文件 (*.cas) 和 data

13、文件 (*.dat) 中。这样，前面 的计算工作就已完成。接下来，通过 Fluent 软件的显示结果功 能来观察所计算的结果，并进行分析比较。3 模拟分析与方案优化 通过三维模拟分布图观测出车间内气流组织的大致分布情 况，由于空调出风口在上方，速度矢量的主要方向朝下，为了更 清楚的观察出气流在水平方向的大致流向， 特意选取了靠近地面 0.3 米、1.1 米高度的水平截面，用来了解人活动区域气流组织 的速度、 压力及温度的分布情况，四种不同的方案通过速度矢量 图来体现不同效果。 以上模型都只是将两扇大门作为排风口， 这 在一定程度上影响了气流流动的效果。 为了使车间内气流组织达 到更好的效果，参

14、考四种方案的速度矢量图、速度分布图、压力 分布图、温度分布图等， 针对发现的缺点对模型进行了一些改进， 特意在地面附近增加一些排风口，来优化气流组织。(见图一) 图一 模型 2 未加设排风口时 1.1 米高度的温度分布图 图二模型 2 加设排风口后 1.1 米高度的温度分布图4 总结与展望 通过对四种方案的优化研究，特意选取了 1.1 米高度的水 平截面来分析对比四种模型的温度、 压力和速度的分布情况， 找 出最佳模型，到达优化安装的目的。可以初步得到以下结论：(1) 在靠近地面附近， 模型 2 的速度流向大部分为直线， 几 乎没有漩涡形成，速度大小在 0.20 至 0.35m/s 之间，几乎

15、处于 无风状态；模型 1 的一些区域速度达到 0.7m/s ，这会使人有不 适的感觉；模型 3 和模型 4 虽然速度大小也大致在 0.20 至 0.35m/s 之间，但是有几处漩涡形成。因此根据速度矢量图可以 大致判断模型 2 的流速效果最好。(2) 随着高度的增加流速在逐渐减小。 在 1.1 米高度处， 模 型 1 的高速区域已经有较大的减小， 但仍有一部分区域流速处在 0.5m/s 左右；模型 2、模型 3和模型 4 除了在出风口正下方速度 较大外， 其他区域的速度较地面附近又有一定程度的减小， 大致 处在 0.05 至 0.25m/s 之间。因此根据速度分布图可以大致判断模型 1的流速最

16、大， 会使人有不适的感觉。 其他三种模型效果差 不多。(3) 四种模型的静压差的数量级为 10-2 或 10-3 ，除了模型1 的部分区域的压差大小达到 0.45pa 之外其他模型的压差大小 大致在为 0.10 至 0.25pa 之间，四种模型的压力状况都不会使人 有不适应的感觉。 但相对来说模型 2在1.1 米高度的整个平面的 压力几乎处于同一水平， 分布比其他模型更加均匀， 效果从理论 上讲应该更好一些。(4) 四种模型出风口正下方的温度明显要比其他区域低， 这 一点与实际情况是相符的； 在 1.1 米高度的水平面上模型 1 的温 度在 27至29摄氏度之间， 温差有 2摄氏度，而其他三种

17、模型温 度在 27至28摄氏度之间温差只有 1摄氏度；模型 2的 27摄氏 度低温区比其他三种模型都要大。 因此根据温度分布图可以断定 模型 2 的制冷效果最好。(5) 在地面附近加设排风口之后气流组织发生了变化， 四种 模型均达到一定程度的优化。 模型 1 的速度矢量场发生了显著的 变化，速度叠加区几乎消失，速度大小也有一定的减小；模型 2 和模型 3 的低温区域显著增加， 制冷效果比未加排风口之前要好 很多；模型 4的压力场发生了较大的变化， 在1.1 米水平面上压 力分布更加均匀，效果比未加排风口之前也要好。在创造车间模型时，墙、大门以及出风口都是以平面代替 没有去来考虑它们的厚度，这可能会给计算结果带来一定的影 响。再就是四种模型都是将空调出风口设置在上方， 没有采取侧 送风的形式， 空调直接往下吹难免会给正下方的人员带来不适的 感觉。这是笔者