特高压直流阀厅空调气流组织数值模拟分析

摘要：采用室内零方程模型，应用Airpak数值模拟软件对特高压直流阀厅空调气流组织进行模拟分析，对比了三种不同气流组织方式阀厅内部温度场及速度场的分布情况，模拟结果显示，如果控制好送风状态，侧下送侧上回的方式能最有效的降低阀体周围的空气温度。

关键词：数值模拟CFD 气流组织特高压直流阀厅

0 引言

建筑上一般认为空间高度大于5m，体积大于1万m³的建筑物即为高大空间建筑物，高大空间气流组织的优劣是高大空间空调系统设计优劣的重要衡量指标之一。目前在暖通空调工程中采用的气流组织设计方法主要有四种：射流公式、Zonal model、CFD以及模型实验。

CFD（计算流体力学，Computational Fluid Dynamics）是通过计算机数值模拟计算和图像显示，对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析，其本质是基于流体基本控制方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）对流动的数值模拟。由于其预测范围的广度、结果的可靠性及可再现性，使其在空调领域应用越来越广泛[1]。

本文用专门的暖通空调数值模拟软件Airpak，应用室内零方程模型对换流站阀厅空调气流组织进行模拟分析，对比不同送回风方式的优缺点，得出最有利的送回风方式。

1 特高压直流阀厅空调系统设计

换流站阀厅即属于高大空间建筑。阀厅的特征主要有：

1）高度高。低端阀厅桁架下沿高度一般达到15m以上，高端阀厅更是达到24.5m以上。由于温度梯度的加大，容易在空间上产生很大的温度差。

2）空间体积大，换气次数小。比如高端阀厅体积超过6万m³，空调设计换气次数仅为1次/h，容易形成气流死角，出现局部高温。

3）空调负荷特殊。阀厅空调负荷以设备散热形成的负荷为主。高温设备容易形成局部气流循环，破坏阀厅整体气流组织。

本课题以某一高端阀厅为模拟目标。阀厅长81.5m，宽31.6m，高24.5m（桁架下沿），面积2575，体积63097m³，属于高大空间，阀厅内部设置6组换流阀。

主要设计参数[2]：

夏季空调室外计算干球温度：33.5℃；

夏季空调室外计算湿球温度：27.7℃；

大气压力：冬季，1026.6hPa；夏季，1004.8hPa；

阀厅送风量为80000m³/h，送风温度20℃，相对湿度90%。

2 数值模拟的物理模型

由于阀厅内部阀体的布置基本对称，为简化模拟，减小模拟空间和节点，故将阀厅分成对称的两半，将阀厅中心作为绝热面，对阀厅的一半进行模拟。

阀体的简化为整体矩形发热物体，其发热量为28kW/个（相当于阀厅43℃时阀体的发热量），灯具采用400W灯具，简化为发热量为400W/个的矩形发热体。

送回风口的设置方式如下表所示：

表1 气流组织形式

气流组织形式 进风口设置 排风口设置

上送侧下回 0.4×0.8，18个，风速1.85m/s 1.2×0.8，6个

下送侧上回 1.2×0.8，6个，风速1.85m/s 1.2×0.8，6个

侧下送侧上回 1.0×0.8，3个，风速4.35m/s

风口离地高12m 1.2×0.8，6个

3数学模型的建立

为了简化问题, 作如下假设[3]：(1) 室内空气低速流动，可视为不可压缩流体且符合Bossinesq 假设； (2) 空气流动为稳态紊流；(3) 室内空气为辐射透明介质；(4) 不考虑门的影响；(5) 不考虑漏风影响， 认为房间气密性良好。

本文采用室内零方程模型进行模拟，室内零方程是专门为室内气流模拟而提出。该模型中紊流系数采用下式计算[4]：

（1）

其中是局部速度（m/s）；是流体密度(kg/m3)；是离最近墙的距离（m）；0.03874是经验常数。

室内气流在边界上存在对流换热，对流换热系数计算公式如下：

（2）

其中是流体比热（J/(kg・K））；是有效Prandtl数；是临墙的网格间距；是有效粘性系数。

在本文中，对于能量方程的收敛准则一般取1×10-6（比如：温度的收敛准则）；对于流动方程的收敛准则一般取1×10-3 （比如：速度的收敛准则）。

在本文计算中，压力松弛因子取值在0.3～0.7之间，动量松弛因子取值在0.1～0.5之间，温度和粘度松弛因子取值0.7～1.0，质量力松弛因子0.1。

4 送回风布置方式对温度场的影响

模拟分析主要对比在上送侧下回、下送侧上回和侧送侧上回三种气流组织方式下，阀厅的温度分布及气流速度分布情况。三种气流组织模型如下图所示所示。

（1）上送侧下回

上送侧下回是气流从阀厅顶部送入阀厅，从侧下方回风。图1表示是阀厅内某典型位置（坐标为：13.1，0，16.5）温度随高度变化情况，从图中可以看出，此气流组织方式下，温度在高度方向变化比较混乱，气温首先随高度变化而升高，但由于气流从上方送入，上部气温又有所下降，让后再升高。图2表示阀厅横向截面（X=13.1）的温度分布图。从图2可以看出，阀厅阀体下部温度分布相对均匀，整体比较高，达到35℃以上。受阀体发热的影响，阀体上部温度分布较为混乱。

图1典型点温度随高度变化（13.1，0，16.5）

图2 横向截面温度分布（X=13.1）

（2）下送侧上回

下送侧上回是气流从阀厅底部由地道送入阀厅，从侧上方回风。图3表示是阀厅内某典型位置（坐标为：13.1，0，16.5）温度随高度变化情况，从图中可以看出，此气流组织方式下，温度在高度方向上随高度增加而升高，分布较为单一简单，由于地面初始温度的设置原因，在接近地面位置温度有一个较大变化。图4表示阀厅横向截面（X=13.1）的温度分布图。从图4可以看出，阀厅阀体温度分布分层明显，温度梯度较为突出。阀厅下部温度较低，阀体上部温度较高，达到38℃以上，回风温度较高。阀体回风侧温度高于对侧，不利于巡视。

图3典型点温度随高度变化（13.1，0，16.5）

图4横向截面温度分布（X=13.1）

（3）侧下送侧上回

侧下送侧上回是气流从阀厅侧下部送入阀厅，从侧上方回风。图5表示是阀厅内某典型位置（坐标为：24.6，0，16.5）温度随高度变化情况，从图中可以看出，阀厅内温度随高度变化的整体趋势是随高度的增加而升高，但在底部有较低温度的分布，从高度8m到16m温度随高度变化很快，温度梯度很大。图6表示阀厅横向截面（X=24.6）的温度分布图。从图中可以看出，气流进入阀厅后，主要往下部运动，少量受阀体的影响向上运动。由于气流下沉，下部温度较低。整体温度分层较为明显。从图6中可以看出此种方式阀体周围温度时最低的，所以此种方式能有效降低阀体周围的空气温度。

图5典型点温度随高度变化（24.6,0,16.5）

图6横向截面温度分布（X=24.6）

5结论

从上述三种气流组织形式来看，上送侧下回的送风方式效果最差。受阀体发热的影响，除送风口部位气流能顺利下送，其他区域存在气流无法下送的情况，导致阀厅下部温度较高，不利于气流组织。

下送侧上回气流组织方式，气流分布最单一明了，温度随高度变化而升高，温度梯度分布明显。但阀体回风侧温度较高（主要巡视通道）。此方式在设计时应适当降低回风口位置，可以降低回风温度。但不得低于阀体顶标高，防止其在上部形成气流死角，导致阀体周围温度过高。

侧下送侧上回气流组织方式送风速度较高，在下部形成较低的温度层。送风口位置选定较为重要，不能太低，否则不能一最有效的方式冷却阀体周围空气温度，但也不能太高，防止与回风气流形成短路。

从上述模拟分析可知，如果控制好送风状态，侧下送侧上回的方式能最有效的降低阀体周围的空气温度。

参考文献

[1]陶文铨. 计算传热学的近代进展[M]. 1 北京:科学出版社,2000 ,193

[2]路延魁. 空气调节设计手册[M]. 2版. 北京：中国建筑工业出版社，1995

[3]S.V. 帕斯卡,张政译. 传热与流体流动的数值计算[M].1 北京:科学出版社,1984,13 18

[4]赵彬,李仙庭,严启森.用零方程湍流模型模拟通风空调室内的空气流动[J].清华大学学报:自然科学版,2001,41(10):109-113

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。