工业建筑中高温浮射流作用下室内环境控制特性研究

发布时间：2021-08-17 09:51

国家统计局调查数据显示,2010至2014年我国的工业建筑竣工总面积高达2.59×109 m2。在如此大规模的工业建筑中,工业厂房内部空气环境的污染问题十分严重。在某些工业生产过程中,粉尘是主要的有害物形式,对工作环境、室外大气环境和工人健康危害极大。中华人民共和国卫生部数据显示,2009至2013年全国新发各类职业病共达129060例,其中尘肺病病例数均占80%以上。从行业分布看,职业病病例数列前几位的行业依次为煤炭、铁道、有色金属和冶金。在某炼钢厂转炉车间现场调研测试的粉尘浓度为13 mg/Nm3,远远超过工作场所空气中允许的粉尘浓度限值8 mg/Nm3。由于炼钢转炉在冶炼期间,高温含尘炉气中大部分粉尘粒径处于1.0μm以下,故可认为高温状态下粉尘颗粒和高温浮射流跟随性较好,即认为局部通风系统控制了浮射流即控制了污染物,因而确定了本课题的研究对象为高温浮射流。由以上数据资料可知,在工业建筑内部营造一个安全、健康、多产的工作环境是至关重要的,因而确定本课题的研究目标为工业建筑中高温浮射流作用下室内环境控制特性。综合利用理论推导分析、全尺寸实验、Fluent数值模拟和模型实验相结合的方法对以下内容进行研究:首先,建立了椭圆形浮羽流的计算公式,分析了浮射流出口形状和壁面受限条件等因素影响作用下高温浮射流的流场特性。然后,采用模型实验方法获得倾斜椭圆形面浮射流与排风罩耦合作用下流场规律特性,分析污染源的影响、不同因素对局部通风系统污染物捕集效率的影响和全面通风量的影响,并给出影响局部通风系统中排风罩性能的主要因素。最后,分析工业建筑内局部通风系统与全面通风系统协同作用下的热分层特性和室内污染物分布特性来综合评价室内环境特性,提出针对非稳态污染物控制效果的新评价指标和针对既有工业厂房室内环境新评价指标。主要结论总结如下:(1)推导了椭圆形面热源浮羽流的轴心速度公式、流量公式和轴心温度公式,推导了圆形和矩形面热源浮羽流的轴心过余温度公式,进而对比分析椭圆形、圆形和矩形面热源浮羽流轴心速度和轴心温度。此外,根据干空气的密度和比热容与温度之间的分段函数表达式,将推导求得的椭圆形面热源浮羽流的轴心速度公式和流量公式进行相应的分段表示。(2)平行流送风口处阿基米德数反向作用规律表明平行流送风口的紊流系数小于圆形送风口的紊流系数。此外,确立了吹吸式通风系统中平行流送风口在距离送风口不同位置处的热射流的轨迹的半经验公式(0.024Ar00.044)。(3)在不同环形射流宽度下径向速度变化规律表明环形流动朝着圆环的轴线处汇合,并在流动下游区形成和圆形浮射流类似的速度变化图。当高温环形浮射流的外、内径比小于5/2时,不能将高温环形浮射流简化为圆形浮射流处理。(4)产生的稳态污染物的量大于临界污染源流量,局部通风系统的捕集效率存在急剧下降的风险。动态污染物在衰减段呈现以e为底的负指数的衰减规律。此外,在某个排风量条件下,使用未扩容排风罩时动态污染物浓度衰减比使用扩容排风罩时衰减剧烈。(5)根据局部通风系统不同影响因素下捕集效率和阿基米德数间的函数关系,得出受限气流边界条件,排风罩排风量和排风罩长宽比是影响局部污染物捕集效率的重要因素。(6)实验条件下在排风罩排风量范围为25 m3/hqhood120 m3/h时,无因次热分层高度(yst*)从0.36变化到0.20。为了确保需要在厂房上部空间内生产作业的工人的健康,安全作业高度应低于相应的工业厂房内的热分层高度值。(7)本文中提出针对动态污染物控制效果的新评价指标来反映排风罩的性能,对于产生阵发性污染物的倾倒过程,增大排风罩容积有助于稳定地捕集更多污染物。总之,在掌握浮射流出口形状、壁面受限条件和排风罩的汇流场作用等因素影响下高温浮射流的流场特性基础上,可提出提高工业厂房内局部通风系统的捕集效率的优化设计方法。此外,工业建筑室内热分层特性变化规律可以指导需要在厂房上部空间生产作业的工人的安全作业高度,而提出的两个新评价指标可以实现对非稳态污染物的控制效果和对既有工业厂房室内环境进行评价。
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU834

文章目录

摘要

Abstract

符号表

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的及主要研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 主要研究内容

1.3.3 研究路线

2 高温浮射流流场基本特性的理论研究

2.1 概述

2.2 椭圆形面热源浮羽流轴心速度公式、流量公式和轴心温度公式的推导

2.2.1 椭圆形面热源浮羽流轴心速度公式的推导

2.2.2 椭圆形面热源浮羽流流量公式的推导

2.2.3 椭圆形面热源浮羽流轴心温度公式的推导

2.3 不同形状面热源浮羽流轴心速度和轴心温度的对比分析

2.3.1 不同形状面热源浮羽流轴心速度的对比分析

2.3.2 不同形状面热源浮羽流轴心温度的对比分析

2.4 干空气密度和比热容基于温度的分段表达

2.5 高温椭圆形面热源浮羽流的轴心速度公式和流量公式基于温度的分段表达式

2.6 浮羽流与浮射流之间的转化关系

2.7 本章小结

3 不同影响因素作用下高温浮射流流场特性研究

3.1 概述

3.2 一面受限浮射流流场特性的全尺寸实验研究

3.2.1 实验设备和测试仪器

3.2.2 测点布置和送风工况

3.2.3 不同送风.阿基米德数对流场特性的影响

3.3 高温环形浮射流流场特性的数值模拟研究

3.3.1 模型选取及模拟有效性验证

3.3.2 高温环形浮射流宽度对流场特性的影响

3.3.3 高温环形浮射流初始参数对流场特性的影响

3.4 本章小结

4 高温浮射流与排风罩耦合作用下流场特性及排风罩性能研究

4.1 概述

4.2 模型实验介绍

4.2.1 模型实验理论

4.2.2 实验台介绍和实验仪器

4.2.3 测点布置和测试条件

4.3 污染源的影响

4.3.1 稳态污染源强度的影响

4.3.2 非稳态污染源的影响

4.4 局部通风系统中的影响因素

4.4.1 受限气流边界条件的影响

4.4.2 排风罩排风量的影响

4.4.3 气流障碍物的影响

4.4.4 污染源和排风罩间垂直距离的影响

4.4.5 排风罩长宽比的影响

4.5 全面通风量的影响

4.6 本章小结

5 工业建筑室内热分布与污染物分布特性研究

5.1 概述

5.2 工业建筑室内热分层特性研究

5.3 工业建筑室内污染物分布特性研究

5.3.1 局部空气品质指数与污染物移除效率

5.3.2 非稳态污染物控制效果的新评价指标

5.3.3 既有工业厂房室内环境新评价指标

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附图

攻读博士学位期间发表的论文和科研成果

图表目录

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