曲志君

0 引言

在很多工业和民用建筑中，为防止气体从污染区流向洁净区，或者为防止火灾情况下火势向逃生通道蔓延，会用到加压送风等方法使相邻空间形成压力差［1］，从而实现空气单向流动。为保证相邻两空间固定的压力差，在建筑设计时常设置压差阀调节两室压力。但有时两室之间需在隔墙处开孔洞以用于物品传送。此情况下，如何保证两室压差，并避免墙洞处高风速气流对低压室引起的不利影响，成为暖通设计的重要问题。

1 实际案例

天津某食品加工厂内有生鲜区和食品加工区两种存储加工区域。因工艺要求，需将食品从生鲜区传送至熟食加工区，两区之间隔墙有5个400mm×250mm的矩形传送孔，传送孔中心距为1.4 m，孔洞距地面1.2 m。因两区洁净等级不同，要求熟食加工间与生鲜储藏间保持5 Pa～10 Pa的压差(熟食区为高洁净等级侧)，并要求给出低压侧风速小于0.5 m/s的区域。现两区的正压状态通过洁净送风量控制。熟食加工间尺寸为10 m×8 m×6 m，生鲜储存间尺寸为10 m×25 m×6 m(L×W×H)。隔墙长度10 m，高度6 m，厚度240mm。加工区域示意图见图1。

图1 加工区域示意图

图2 传送孔周围网格

2 墙洞处气流理论分析

2.1 墙洞阻力分析

墙洞处有气流通过，存在阻力损失，其中包括从高压空间进入墙洞的局部阻力损失Δpjj，气流通过墙洞的沿程阻力损失Δpm，从墙洞流出进入低压侧的局部阻力损失Δpjc。

局部阻力计算公式［2］为:

其中，ζ为局部阻力系数;ρ为空气密度，kg/m3;v为ζ与之对应的断面流速，m/s。

沿程阻力计算公式［2］为:

其中，λ为摩擦阻力系数;Rs为风道的水利半径，m;l为风道长度，m;v为风道内空气平均流速，m/s。

2.2 墙洞射流分析

墙洞中的气体射流入低压空间后，射流气体与低压空间的空气相互作用，不断掺混室内空气，使射流速度不断下降。并受到室内空气粘滞性作用，射流气体的动能逐渐损失，最终速度降低为零。

等温自由射流计算公式［4］为:

射流横断面直径计算公式［4］为:

其中，x为射流的射程，m;vx为射程x处射流轴心速度，m/s;v0为射流出口速度，m/s;a为喷口的紊流系数;d0为射流出口直径或当量直径，m;dx为射程x处射流直径，m。

2.3 空间压差与墙洞之间的关系

因为通过墙洞气流的能量均是由压差引起的，在流动的过程中存在动能与势能的转化，符合伯诺里方程，所以气流通过墙洞的阻力损失和气流动能之和等于压差的值。

空气从高压空间进入墙洞，为从大空间进入小空间。而空气从墙洞进入低压空间，为从小空间进入大空间。从书籍［2］查表可得从高压空间进入墙洞的局部阻力系数ζj为0.5;从低压空间进入墙洞的局部阻力系数ζc为0。将值代入式(5)可得:

3 数学模型

3.1 数值计算控制方程及网格划分

数值计算模型的通用控制方程［5］为:

本文模拟采用商业软件FLUENT，采用κ—ε两方程模型。计算中假设两侧空气温度一致，因此没有能量交换，所以在计算时关闭能量项。

因为传送孔相对两房间对称(见图2)，为简化数值计算，只对房间的一半划分体网格。传送孔处采用边界层网格，孔周围网格最密，向周围逐渐变粗。

3.2 边界条件的设置

熟食加工区除隔墙以外墙壁设为压力入口边界，入口压力为5 Pa;生鲜储藏间除隔墙以外墙壁设为压力出口边界，出口压力为0 Pa。两房间中间垂直面设置为对称面。其他壁面设为绝热。

4 墙洞气流的理论计算与数值计算

4.1 理论计算

由于工程上的风道内气流一般为紊流，因此在计算时，首先假设传送孔内空气为紊流，从而可得出摩擦阻力系数λ=0.715。

根据两空间压差和传送孔的尺寸，由式(6)可得出传送孔平均风速 v=2.2 m/s。

因低压侧为生鲜储藏区，如果长时间有气流吹过生鲜食品，容易使食品失水变质。因此需计算出储物间风速低，适于放置生鲜食品的区域。

现计算空洞气流速轴心风速为0.5 m/s处的位置，由式(3)可得x=6.06 m。由式(4)可得vx=0.5 m/s时射流断面直径dx=4.42 m。传送孔间距为1.4 m，因此此时射流之间已经相互交叉。同样由式(3)和式(4)可以计算出射流交叉位置x=1.606 m。

4.2 数值计算

用数值计算得到熟食加工区和生鲜储藏区的压力场和速度场。由数值计算结果可以看出，由于传送孔两侧存在压差，空气从高压侧射流入低压侧。

图3 数值模拟射流轴心速度

图3给出了射流轴心速度随射程的变化关系。空气进入低压侧后，随着射程的增大，射流轴心速度迅速衰减。但当到达一定速度后(0.5 m/s)，速度衰减很慢。

图4 数值模拟速度云图

图4给出了传送孔处水平和竖直方向的速度云图。从图4a)看出空气从传送孔射出后，各传送孔处射流虽然有交叉，但交叉区域风速较低，最高风速也只有0.6 m/s左右。最后，五个传送孔中气体汇合，形成一股大的低速气流。从图4b)看出在竖直方向射流几乎没有受到地面的影响，因此在理论计算中视为自由射流是合适的。

4.3 理论与数值计算结果的比较

数值计算得出传送孔平均风速2.147 m/s。理论值与数值计算值相近，误差仅为2.5%。

数值计算得到墙洞射流轴心风速为0.5 m/s，所达到的位置为距离隔墙4.9 m处。距离隔墙6 m处风速为0.45 m/s。从图3可以看到，风速达到0.6 m/s后，墙洞射流轴心风速随距离的变化很缓慢，在此情况下理论计算得出准确值是有困难的，因此数值解与理论解存在略微的偏差。由射流理论可以得出，在射流断面直径处，气流速度远小于射流轴心速度，这在数值模拟中得到肯定。因此暖通设计中可以用射流断面直径的方法估算低压侧的气流速度。

5 工程实例的设计

5.1 熟食加工区和生鲜储藏区压差的实现

从前面4.1的分析中已经得到传送孔内的风速，且已知传送孔的尺寸(400mm×250mm)与个数(5个)，便可以得到从熟食加工区进入生鲜储藏区的风量。

从熟食加工区进入生鲜储藏区的风量为:

因此只要保证两区域的风量差，便可以保证两区域的压力差为5 Pa。

5.2 生鲜储藏区低风速区域计算

从4.1已经计算出vx=0.5 m/s时射流断面直径为4.42 m。因此可以估算生鲜区低风速区域为最外侧传送孔中心2.21 m以外的区域为低于0.5 m/s的低速区域。

6 结语

由理论与数值计算的比较，理论值与数值计算值接近，因此式(5)的推导是准确的，可以用于工程计算，以及用于判断两压差房间隔墙墙洞内的轴心风速和洞孔尺寸的设计。

为保证食品质量，防止食品长期处于风速下而风化，低压空间侧的食品应远离墙洞轴线的高风速区域。在工程应用中，为判断低风速区域的范围，可先计算出符合工程要求的射流轴心风速的位置，后计算此位置处的断面直径。此断面直径外区域为符合工程要求的低风速的区域。

［1］ GB 50016-2006，建筑设计防火规范［S］.

［2］ 薛殿华.空气调节［M］.北京:清华大学出版社，1991:239-250.

［3］ 蔡增基，龙天渝.流体力学泵与风机［M］.北京:中国建筑工业出版社，1999.

［4］ 陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1993:1886-1964.

［5］ S.V.Patankar.传热与流体流动的数值计算［M］.北京:科学出版社，1984:84-86.