潘欣钰，邢云梁 ，罗雅蕾，陈征宇，邓 辉（.中船第九设计研究院工程有限公司， 上海 00090；.深圳市建筑工务署， 广东 深圳 5000）

随着科研、检测相关行业的发展，理化试验室建造的数量越来越多。作为该类试验室安全重要保障的排风柜及其排风性能也受到了诸多研究者的关注。程勇等[1-2]对热源体排风柜内气流分布影响的数值进行了研究以及对试验室排风柜面风速要求与实测作了分析。马雨轩等[3]对试验室排风柜性能的影响因素进行了研究。王泽剑等[4]对排风柜全性能实验台气流组织进行了模拟研究。张占莲[5]对试验室气流组织形式对污染物分布影响作了研究。

目前的研究大多聚焦于排风柜的排风性能，而对于室内末端风口的送风与排风对于排风柜排风口区域的气流组织均匀性较少关注。本研究采用计算流体力学模拟方法对某实际工程的理化试验室典型房间进行了模拟，并对排风柜排风口区域的风速分布进行了定量分析。在此基础上通过改变室内新风口的位置，进而对原型工况进行了优化，减少室内气流对排风的扰动，并总结相关布置经验供同类工程参考。

1 典型理化试验室房间概述

本课题根据某科学技术中心施工图纸，选择 14 层的前处理室作为典型房间。该房间面积较大，有 6 台排风柜，排风管上设置有文丘里阀，设置有 3 个风机盘管，并配有 4 个新风口。另外，还有 2 个体积较大的实验桌，对气流组织将会有较大影响，在建模时也应考虑。

利用 CAD 三维建模软件对重要构件和设备进行建模。首先对房间空间进行建模，设置长为 20.0 m、宽为 6.0 m、高为 3.5 m。室内试验室用桌按照 800 mm 高建模。新风口和风机盘管的送风口为散流器形式，采用长 0.60 m×宽0.60 m× 高 0.05 m 长方体在软件中进行等效模拟。考虑到散流器送风的贴附效应，该种风口简化在工程应用精度上是可以接受的。回风口的有效面积系数取 0.8，按照施工图中的面积按比例缩小建模。排风柜根据国家标准 GB/T 6412—1999《排风柜》等国内外标准的产品样本进行建模。标准排风柜有 3 种规格，分别宽 1 200 mm、1 500 mm、1 800 mm。根据施工图，本次建模选择 1 800 mm 宽规格的排风柜。该设备高 2 350 mm、厚 875 mm，排风口底部距离地面 830 mm。

2 理化试验室模拟数学模型

模拟采用计算流体力学模拟软件，通过有限体积法数值求解计算域内的各类物理参数。本文涉及的计算参数主要包括风速、温度、压力等。因此涉及 3 类控制方程，分别是连续性方程、动量方程和能量方程。其中，质量守恒方程如式（1）所示。

3 数值模拟边界条件

在对研究对象进行三维建模之后，还需对所有空气流经的空间进行网格划分。采用网格划分软件，首先规定整体空间内的网格边长为 200 mm，然后分别将新风送风口、排风柜排风口、风机盘管送风口和回风口单独命名，同时还需将天花板和地板区分出来。根据以上网格参数的设置，在软件中选择划分三维网格，并拉伸边界层网格，共生成 500 万个左右的网格。模型网格划分如图 1 所示。

图1 模型网格划分情况

由于理化试验室的气流组织模拟涉及流体的温度，且雷诺数较高，因此在计算模型中应打开能量方程以及湍流双方程标准模型。流体材质则选择计算流体力学软件库中的空气即可。然后将整个计算域中的流体材质选择为空气。另需注意的是，为了等效室内的发热量，在计算域中设置一个体热源，体积发热指标为 51 W/m³。

模拟边界条件主要有速度入口、自由出流、壁面条件等。其中风机盘管的型号为 FCU600，取其中档风量为 765 m³/h，送风温度为 18 ℃，排风柜上的排风口拉开的高度为300 mm，排风口宽度为 1 600 mm，面风速为 0.5 m/s，排风量为 864 m³/h。新风送风口的送风量取值与排风量相同，风口出风高度为 50 mm，换算相对的出风速度为 3 m/s，送风温度同样为 18 ℃。整个房间内的送风量为风机盘管的风量加新风送风量，根据其风量加和结果，考虑风机盘管的送风量与回风量相等，则风机盘管的 3 个回风口占到总排风量的 31%，而排风柜的 6 个排风口占到总排风量的 69%。根据上述各类几何元素分别对应的边界条件及相关温度、流量参数，模拟边界条件设置如表 1 所示。

表1 计算流体力学模拟边界条件设置

经上述设置后，对整个计算域进行初始化，并设置迭代步数为 10 000 步，同时监控排风柜排风口上的质量流量，通过残差曲线及质量流量的稳定来判断计算迭代是否已经达到收敛。

4 原型模拟结果与分析

经迭代收敛后，通过 CFD 后处理软件可以获得计算域内相应的速度云图，各种边界条件上的风速统计数据等。排风柜排风口的编号如图 2 所示。

图2 原型方案排风柜排风口编号

通过软件所带的标准差统计分析功能，可获得各个排风柜排风口上的风速标准差数值。该功能是统计风口上每个网格的风速，然后求出其平均值，再将每个网格上的风速减去平均值，该差经平方后再除以网格数量，最后求出其方差。该数值可以刻画排风口上的气流组织均匀程度，各排风口的风速标准差如表 2 所示。

表2 原型方案排风口排风风速标准差

由表 2 可知，排风口 2 和排风口 6 的风速不均匀度较高，说明其排风较不均匀，有部分网格的风速超过 0.5 m/s。根据计算结果，原型方案中离地 1.5 m 高处的风速有部分 ≥0.5 m/s，风速超标的区域主要是在新风风口附近的区域，其原因为 2 个新风口的贴附射流相遇后，合流下沉将会产生较大的风速。新风口送风口送出的气流在相遇后合流下沉，造成了较高的风速，同时这也不利于排风柜排风口区域的均匀气流组织。特别是排风口 2 和排风口 6 的不均匀度较高，主要是新风口的位置不够均匀造成，如新风口 1 和新风口 2比较靠近排风口 5，而新风口 3 和新风口 4 比较靠近排风口2。下面将通过改变新风口的位置，使得新风送风的流线更为均匀地分布在排风口的附近，从而进一步降低排风口的排风风速标准差数值。

5 优化工况模拟与分析

5.1 优化方案一分析

根据上述模拟结果，新风口的布置位置将会影响排风柜排风口的气流组织均匀性，因此将原来的新风口 1 和新风口3 移动至东侧与新风口 2 和新风口 4 平齐。

新风口在东、西两侧平均布置，预期可以降低排风口的气流不均匀度。同样对该新方案进行几何建模，并划分网格，导入计算流体力学模拟软件中进行迭代计算。排风风速标准差具体数值分布如表 3 所示。

表3 优化方案一排风口排风风速标准差

根据表 3 的统计数值，排风口 4 的风速标准差达到0.180，明显比其他排风口高。其他风口较之原型方案都有所降低或者基本相同，6 个风口的风速标准差平均值为0.117，相对于原型方案的 0.132 降低了 11.4%，从总体上来说排风不均匀度有所下降。

综合上述情况，优化方案一对于原型方案来说其排风的均匀度有所上升，同时风速也控制得较好，但是排风口4 产生了较高的风速，其主要原因是排风口 4 上部的 2 个新风口距离较近，将造成气流相遇后合流下沉，在下部区域产生一个风速较高的区域。因此，该排风口受到了下沉气流的扰动，使得其排风速度产生较大的不均匀度。在优化方案一的计算分析基础上，将相对的 2 个新风口错开，使得彼此的气流不会直接相遇，同时将新风口尽量不要偏置在排风口的一侧，使得送风能够较为均匀地被排出。

5.2 优化方案二分析

根据优化方案一模拟结果，新风口的布置位置将会影响排风柜排风口的气流组织均匀性。因此，将原来的新风口1、新风口 2 以及新风口 3、新风口 4 在长度方向上错开，并尽量不要偏置在排风口的一侧。

同样地，对优化方案二进行几何建模、网格划分以及迭代计算等处理后，优化方案二排风口排风风速标准差如表 4所示。

表4 优化方案二排风口排风风速标准差

根据表 4 的统计数值，排风口 4 的风速标准差下降到了0.120，不再明显比其他排风口高。其他风口较之优化方案一都有所降低或者基本相同，6 个风口的风速标准差平均值为 0.105，相对于原型方案的 0.132 降低了 20.4%，相较于优化方案一的 0.117 降低了 10.3%，从总体和局部风口上来说排风不均匀度都有所下降。另外，经统计，离地 1.5 m 高处的平面风速基本都在 0.5 m/s 以下。同时，在优化方案一中 2 个新风口送出气流对冲的情况也基本消失。

6 结 语

本研究通过对原型方案、优化方案一以及优化方案二的模拟计算分析，对于理化试验室排风柜排风均匀性有如下结论。

（1）排风柜的排风量虽然有文丘里阀控制，但排风口附近区域内的风速分布也存在着不均匀的现象。

（2）室内送风口的布置方案将会对排风口排风风速造成扰动，进而加剧排风口气流组织的不均匀度。

（3）原型方案采用单侧新风口的布置，排风柜排风口的排风风速标准差平均值达 0.132。如优化方案一将新风口在双侧布置，则排风风速标准差平均值将降至 0.117。在新风口双侧布置的前提下，优化方案二再将新风口位置错开，能进一步降低排风风速标准差平均值至 0.105，较之原型方案和优化方案一分别降低 20.4% 和 10.3%。

（4）对于一个试验室房间，末端风口可沿着面宽方向双侧布置，尽量避免单侧布置，进而造成空调送风对排风柜排风口附近的气流组织造成扰动。

（5）在靠近排风柜的上方区域，考虑到贴附射流的影响，在布置末端风口时，应设法避免 2 个风口的服务半径存在重叠的情况。如限于房间尺寸，无法做到时，也应尽量将风口错开布置，否则两股贴附射流相遇下沉后将会对排风柜排风口的气流组织均匀性造成较大的影响。