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1、南 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 1 9 9 9年Journal of N anjing A rchitectural and 第 2 期Civil Engineering InstituteSum No. 49冷库大门的空气幕结构设计计算模型何嘉鹏1)王东方2)王克金3)( 1)南京建筑工程学院城建系, 2)南京建筑工程学院机电系,南京, 210009, 3)重庆大学数学系,重庆, 400045;第一作者42岁,男,副教授)摘 要 通过对冷库大门处的流场分析,用理论的方法建立流场。 根据流线流量原理,导出冷库大门空气幕结构设计计算的数学模型。关键词 空气幕;中和面;流函数;流线中图号
2、TU 8341251 问题的提出由于冷库内外存在较大的温差,所以在它的大门处将产生强烈的热、 湿交换,致使冷库大门上部出现程度不同的结霜、 结露,损坏了大门,且使工作环境恶劣,更重要的是热负荷的增加引起不必要的能耗。 为了节能现在大多数冷库都在库房门口增设了空气幕,但使用效果并不理想,所以必须对大门处流场进行分析,才能使空气幕起到明显的作用。但冷库设计规范中没有专门的空气幕的计算方法,所以设计人员或随便选型,或沿用空调工况空气幕的计算方法,这样必然难以达到良好的效果。 而通过对冷库大门处的流场分析,可以对空气幕的设计计算起指导作用。文献1曾做过初步工作,但边界条件做了较多简化,未考虑室外风的影
3、响。另文献1只讨论了空气幕风量的问题,本文进一步推导出了计算空气幕风口宽度及射流速度的计算式。2 冷库门处的气流流动特点在无空气幕运行时,门口处的气流流动主要受两个因素的影响,一是库内外由温度差引起的热压差造成的流动,二是库外风力的影响造成的流动。211 热压作用 由于库房内外的温度差较大,所以门内外必然存在较大的热压差。 大多数库房均为封闭性空间,也就是除大门外,再无其它对外的空气流通通道,即使使用通风换气孔,也常处于关闭状态。由于库内外气压差很小,此处空气可以被看作不可压流体。在不考虑室外风力作用的条件收稿日期: 1998205226下,当冷库大门打开时,由于温差所产生的热压作用,必然会引
4、起大门处空气的自然流动。 由于 是封闭空间,则中和面必定位于大门高度的二分之一处2,其热压差分布如图1所示。 在中和面以上,室外热空气由外向内流动,中和面以下,冷空气由室内流向室外。 现在以大 门顶部和外墙壁为x、y轴建立直角坐标系,设中和面的压力为P0,则室内外某断面的压力为2:图1 热压分布图P1=P0+gw(H?2-x)(1)式中,P1x断面的室外压力, Pa;g重力加速度; w温度为tw的室外空气密度, kg?m3;H大门高度,m。P2=P0+gn(H?2-x)(2)式中,P2x断面的室内压力, Pa;n温度为tn的室内空气密度, kg?m3。则在x断面室内外压差为:P1=P2-P1=
5、P0+gn(H?2-x)-P0+gw(H?2-x)=g(n-w) (H?2-x)(3)212 库外风的影响 若库外风速为v1,其迎风面承受的风压为:P2= 1?2cv2 1(4)式中, 室外空气密度,即 =w;c风压系数3。室外风速、 风向由当地气象部门提供。由于库外风的影响,必然会使得大门处中和面的位 置移动,如图2所示,即大门处的总压差 P为:图2 总压分布图P=P1+ (-P2)=g(n-w) (H?2-x)- 1?2cv2 1w(5)式中, -P2表示与y轴方向相反。213 大门处的气流流动 根据流体力学原理,由压差引起的流速为:P= 1?2 v2 y(6)式中, 流动空气密度,中和面
6、以上为 w,中和面以下为n; 门洞阻力系数;vy在x断面y方向的流速,m?s。联立(5)、(6)式得:g(n-w) (H?2-x)- 1?2cv2 1w= 1?2wv2 y则vy= 2g(n-w) (H?2-x)?(w)-cv2 1? 1?2(7)94第2期 何嘉鹏等:冷库大门的空气幕结构设计计算模型3 流场分析由于z方向的流动变化很小,影响忽略不计。本文主要讨论大门处二维流场,根据流函数 定义:1=vydx-vxdy(8)因在大门出口处的x方向流速vx无限趋近于零,故式(8)可以简化为:1=x0vydx(9)从安装、 维护、 美观、 适用及可靠性考虑,以上吹式空气幕为宜。倾斜吹出的平面射流在
7、其 基本段的流函数为4:2=3 2v0ab0x cos1 2thcos2 ax(y-xtg)(10)式中,v0空气幕的出口速度,m?s;b0吹风口宽度,m;a空气幕吹风口紊流系数,a= 01110112; 空气幕出口轴线与x轴夹角。因将此处空气视为不可压流体,所以可以将平面射流近似为势流4,根据流场叠加原理, 上述两股气流叠加后的流函数为:=1+2=x0vydx+3 2v0ab0x cos1 2thcos2 ax(y-xtg)(11)对于二维平面流场,在流体视为不可压的条件下,流函数存在的必要条件为:525x5y=525y5x(12)经过数学证明式(11)能满足式(12), (数学证明过程此处
8、省略),证明流函数 是存在的。图3 流场设计图4 冷库空气幕结构设计计算模型由于将库内外空气看作不可压缩流体,则库内进入 了多少质量的热空气,就会流出多少质量的冷空气,故只 要将热空气挡在室外,即可达到不让室内冷空气流出的目的,从而改善大门内外冷热空气交换的程度。设计的流 场如图3所示,即当x= 0时,y= 0;x=H0时,y= 0。H0是中和面的高度,在中和面处由于内外压力相等,由此断面y方向的速度为零以及质量平衡等因素可 得出:H0=H 2+H=H 2+cv22gw n-w(13)将边界条件代入(11)式:当x= 0,y= 0时,流线0= 0(14)05南 京 建 筑 工 程 学 院 学
9、报 1999年当x=H0,y= 0时,流线H0=H00vydx-3 2v0ab0H0 cos1 2thsin cos a(15)由流体力学原理知道,两条流线之差值,即以两条流线为边界的流量,此处表示空气幕运 行时,侵入冷库大门的室外热空气量:L=B(H0-0)(16)式中:L侵入冷库大门(空气幕运行时)空气量,m3?s;B大门宽度,m。为书写简单,令:e=3 2a cos1 2thsin cos a(17)f= 2g(n-w)?(w)(18)q=gH(n-w)?(w)-cv2 1? (19)将式(14)、(15)、(17)、(18)、(19)代入(16)得:L=BH00(q-fx)1 2dx-
10、Bb1?2 0v0eH1?2 0(20)而式(20)的前面部分实际为无空气幕运行时侵入冷库的热空气量Lw,即Lw=BH00(q-fx)1 2dx(21)而空气幕的流量L0为:L0=B b0v0(22)将式(21)、(22)代入(20)得:L=Lw-L0e(H0?b0)1?2(23)令= (Lw-L)?Lw(24) 式中,空气幕效率,一般取 = 0180185。则L= (1-)Lw。根据文献5所做的试验研究,最佳的喷射角= 30,以及最佳流量比L0?Lw= 016,将其代入式(23)得:L0 Lw= eb0 H01 2= 016(25)解得:b0= 0136(e? )2H 0(26) 将式(17
11、)和 = 30,a= 01115及 = 018代入(26)式得:b0= 01056H0(27)根据式(22)、 式(25)、 式(27)解得:v0= 101714Lw?(BH0)(28)即式(21)、 式(22)、 式(27)和式(28)为计算冷库大门空气幕结构设计计算数学模型。参考文献1 何嘉鹏 1 冷库空气幕的计算方法 1 南京建筑工程学院学报, 1992(1): 212615第2期 何嘉鹏等:冷库大门的空气幕结构设计计算模型2 魏润柏 1 通风工程空气流动理论 1 北京:中国建筑工业出版社, 1981140963 何嘉鹏 1 冷库大门流场分析 1 流体机械, 1994(2): 58604
12、 孙一坚 1 工业通风 1 北京:中国建筑工业出版社, 1985150525 林太朗 1 工厂通风 1 张本华等译 1 北京:中国建筑工业出版社, 19861106107The Calculation M odel of Structure Design for the A ir Curtain at the Door of the Cold StorageH e J iapeng1)W ang D ongf ang2)W ang K ejin3)( 1)Dept. of U rban Construction Engineering,Nanjing A rchitectural and Ci
13、vil Engineering Institute;2)Dept. ofM echanical and Electrical Engineering,Nanjing A rchitectural and Civil Engineering Institute,Nanjing, 210009;3)Dept. ofM athematics,Chongqing U niversity, 400045)Abstract The flow field at the door of cold storage is theoretically found through flowfield analysis. Based on the principle of flow line and flow rate, the mathematicl model ofstructure design for the air curtain at the door of cold storage is infered, in this paper.Key w ords air cartain; neutral plane; flow functions; line2rate25南 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 1999年
