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摘要：针对经济高速发展和城市化进程引起的城市高温及热岛效应，开发高压细水雾联合通风系统在大空间降温技术，以实现节能、高效、环保的方式改善城市气候和环境质量。利用Gambit建立数值模型并做好网格处理，采用Fluent软件的Realizable k-ε模型和离散相模型进行降温效果的数值模拟，通过Tecplot后处理获得细水雾气液两相流动的温度场、流场。当送风风速1.4m/s，细水雾喷嘴间距3m、流量0.35kg/s，环境平均温度能够降到26.4℃，流场均匀稳定。高压细水雾和机械通风系统联合降温效果显著，能够实现对大空间高温环境的有效控制，满足人们对舒适工作环境的要求。
关键词：高压细水雾；机械通风；数值模拟；离散相模型
1引言
随着人们生活水平的提高，各种大型室外活动越来越普遍，以及对高生产率的要求，迫切需要改善室外高温环境和大空间环境的舒适性。传统的环境降温方式大多适用于室内等小范围内，如空调等应用于大空间降温不仅造成能源的巨大浪费，而且大大增加了投资的建设成本。针对城市高温和热岛效应为代表的城市热气候问题，急需要一种节能、高效、环保的室外环境降温系统以改善大空间环境质量。本文采用数值模拟对细水雾气液两相射流的雾化特征及流动特点进行研究，对细水雾环境降温过程中的流动和传热传质进行模拟，分析液滴粒径及风速对降温效果的影响。
2 数值模拟
2.1物理模型的网格的划分及求解模型设定
模型长18m，宽6.9米，高2.9m。如图巷道B顶部设置6个机械送风口，距地面2.5m处，尺寸为0.25m×0.25m。细水雾喷头均匀布置在巷道中间，距离地面2.2m处。
通风系统采用1.4m/s送风风速，持续送风状态下相当于换气次数18.6次/h。细水雾系统单个喷头流量0.35kg/s。从单个细水雾喷嘴效果图可以看出细水雾喷嘴处温度较低，接近供水温度20℃，远离喷嘴处液滴被环境温度加热后温度升高，液滴温度最高达到39℃。细水雾粒径最大为115um，最小为68um。
4.2空间温度结果与分析
下图是在Z=1.3m平面内不同时刻的温度分布云图，由于高压细水雾供水压力大，出口处流速可达到65m/s。由于液体吸热气化的作用，空间温度在15s时下降到34℃左右。45s以后空间温度降低到29℃以下。随着通风系统的持续运行，在60s时空间温度进入缓慢下降趋势，在360s左右达到最低温度26.4℃，并在50s-540s较长时间内温度处于平稳变化状态，最高温度为28.8℃。随着空间液滴及地面水分的蒸发消耗，壁面的持续放热，在550s时温度开始回升，回升速度比较缓慢，在700s时空间温度达到30℃左右。由此可以得出结论，当采用此系统降温时，宜采用细水雾开启周期为15min，能在较长的时间内保持室内温度稳定。
4.3 空间湿度结果与分析
在Z=1.3m平面内不同时刻湿度的分布云图，考虑到空间温湿度的平衡，采用单个喷头供水流量为0.35kg/s。在前10s内空间湿度特别大，温湿度参数均处于不稳定状态。细水雾开启后，空间湿度急剧升高，温度迅速下降。随着通风系统的持续运行，60s以后空间湿度进入缓慢下降趋势，在90s时空间湿度下降到60%，并在80s-560s较长时间内湿度符合国家规范规定。由此可以得出结论，细水雾系统开启周期为15min可以满足空间湿度的要求，同时供水流量确定0.35kg/s为最佳供水流量参数。
4.4 空间流场结果与分析
经过多次模拟分析，前10s空间流场不稳定的主要影响因素为供水压力和单个喷嘴流量。如图13，在细水雾喷头下方附近流速可以达到60m/s，此阶段机械送风对空间流场的分布微乎其微。在随后的时间，由于持续送风的作用，送风的速度成为影响流场的主导因素，图14为风速为1.4m/时空间的流场分布均匀，风速符合规范规定范围。送风口的位置分布应当均匀，流场中不宜形成漩涡和死角。多次模拟分析对比可以得出结论，送风风速1.4m/s为最佳送风参数，单个喷嘴流量为0.35Kg/s时能够达到稳定的流场分布，同时能够满足在较长时间内温度和湿度达到相关要求。
5结论
1）细水雾降温效果与液滴粒径大小和分布有密切关系，供水流量与喷嘴的类型是影响细水雾粒径的主要因素，本模拟结果显示供水流量为0.5Kg/s，细水雾主粒径大小为80um。本人针对压力旋转雾化喷嘴和气体辅助雾化喷嘴做了模拟对比，结果显示压力旋转雾化喷嘴在喷雾锥角为37.7度时，液滴粒径大致服从Rosin-Rammler分布，降温效果较好。
2）机械通风是改善空间湿度的有效方式，本模拟采用上送下回持续的通风方式，通过对比分析，采用送风风速为1.3m/s时，空间流场分布均匀。细水雾开启阶段，喷嘴下方附近流速较大，空间出现漩涡现象，为了避免这种现象可以适当增加喷雾的锥角和较小喷雾压力。供水温度与送风温度对降温效果不明显，为节省工程造价成本，在设计时可以适当修改此参数。
参考文献：
[1]李光，杨晓钢，戴干策，等.鼓泡塔反应器气液两相流CFD数值模拟[J].化工学报，2008，59（8）：1958-1965
[2]Thomson，Edward D.Recent developments in spray cooling of deep mines [J].Report of Investigatioms-United States Bureau of Mines，2006，14（3）：12-15
[3]Plenderieith.Recirculation of air in the ventilation and cooling of deep gold mines [J].Inst of Mining&Metallurgy，2007，223（5）：291-299
[4]刘乃玲，张旭.螺旋型喷嘴液滴分布特性及液滴直径经验公式的拟合[J].实验流体力学，2006，20（3）：8～12
关键词：高压细水雾；机械通风；数值模拟；离散相模型
1引言
随着人们生活水平的提高，各种大型室外活动越来越普遍，以及对高生产率的要求，迫切需要改善室外高温环境和大空间环境的舒适性。传统的环境降温方式大多适用于室内等小范围内，如空调等应用于大空间降温不仅造成能源的巨大浪费，而且大大增加了投资的建设成本。针对城市高温和热岛效应为代表的城市热气候问题，急需要一种节能、高效、环保的室外环境降温系统以改善大空间环境质量。本文采用数值模拟对细水雾气液两相射流的雾化特征及流动特点进行研究，对细水雾环境降温过程中的流动和传热传质进行模拟，分析液滴粒径及风速对降温效果的影响。
2 数值模拟
2.1物理模型的网格的划分及求解模型设定
模型长18m，宽6.9米，高2.9m。如图巷道B顶部设置6个机械送风口，距地面2.5m处，尺寸为0.25m×0.25m。细水雾喷头均匀布置在巷道中间，距离地面2.2m处。
通风系统采用1.4m/s送风风速，持续送风状态下相当于换气次数18.6次/h。细水雾系统单个喷头流量0.35kg/s。从单个细水雾喷嘴效果图可以看出细水雾喷嘴处温度较低，接近供水温度20℃，远离喷嘴处液滴被环境温度加热后温度升高，液滴温度最高达到39℃。细水雾粒径最大为115um，最小为68um。
4.2空间温度结果与分析
下图是在Z=1.3m平面内不同时刻的温度分布云图，由于高压细水雾供水压力大，出口处流速可达到65m/s。由于液体吸热气化的作用，空间温度在15s时下降到34℃左右。45s以后空间温度降低到29℃以下。随着通风系统的持续运行，在60s时空间温度进入缓慢下降趋势，在360s左右达到最低温度26.4℃，并在50s-540s较长时间内温度处于平稳变化状态，最高温度为28.8℃。随着空间液滴及地面水分的蒸发消耗，壁面的持续放热，在550s时温度开始回升，回升速度比较缓慢，在700s时空间温度达到30℃左右。由此可以得出结论，当采用此系统降温时，宜采用细水雾开启周期为15min，能在较长的时间内保持室内温度稳定。
4.3 空间湿度结果与分析
在Z=1.3m平面内不同时刻湿度的分布云图，考虑到空间温湿度的平衡，采用单个喷头供水流量为0.35kg/s。在前10s内空间湿度特别大，温湿度参数均处于不稳定状态。细水雾开启后，空间湿度急剧升高，温度迅速下降。随着通风系统的持续运行，60s以后空间湿度进入缓慢下降趋势，在90s时空间湿度下降到60%，并在80s-560s较长时间内湿度符合国家规范规定。由此可以得出结论，细水雾系统开启周期为15min可以满足空间湿度的要求，同时供水流量确定0.35kg/s为最佳供水流量参数。
4.4 空间流场结果与分析
经过多次模拟分析，前10s空间流场不稳定的主要影响因素为供水压力和单个喷嘴流量。如图13，在细水雾喷头下方附近流速可以达到60m/s，此阶段机械送风对空间流场的分布微乎其微。在随后的时间，由于持续送风的作用，送风的速度成为影响流场的主导因素，图14为风速为1.4m/时空间的流场分布均匀，风速符合规范规定范围。送风口的位置分布应当均匀，流场中不宜形成漩涡和死角。多次模拟分析对比可以得出结论，送风风速1.4m/s为最佳送风参数，单个喷嘴流量为0.35Kg/s时能够达到稳定的流场分布，同时能够满足在较长时间内温度和湿度达到相关要求。
5结论
1）细水雾降温效果与液滴粒径大小和分布有密切关系，供水流量与喷嘴的类型是影响细水雾粒径的主要因素，本模拟结果显示供水流量为0.5Kg/s，细水雾主粒径大小为80um。本人针对压力旋转雾化喷嘴和气体辅助雾化喷嘴做了模拟对比，结果显示压力旋转雾化喷嘴在喷雾锥角为37.7度时，液滴粒径大致服从Rosin-Rammler分布，降温效果较好。
2）机械通风是改善空间湿度的有效方式，本模拟采用上送下回持续的通风方式，通过对比分析，采用送风风速为1.3m/s时，空间流场分布均匀。细水雾开启阶段，喷嘴下方附近流速较大，空间出现漩涡现象，为了避免这种现象可以适当增加喷雾的锥角和较小喷雾压力。供水温度与送风温度对降温效果不明显，为节省工程造价成本，在设计时可以适当修改此参数。
参考文献：
[1]李光，杨晓钢，戴干策，等.鼓泡塔反应器气液两相流CFD数值模拟[J].化工学报，2008，59（8）：1958-1965
[2]Thomson，Edward D.Recent developments in spray cooling of deep mines [J].Report of Investigatioms-United States Bureau of Mines，2006，14（3）：12-15
[3]Plenderieith.Recirculation of air in the ventilation and cooling of deep gold mines [J].Inst of Mining&Metallurgy，2007，223（5）：291-299
[4]刘乃玲，张旭.螺旋型喷嘴液滴分布特性及液滴直径经验公式的拟合[J].实验流体力学，2006，20（3）：8～12