揭秘工业厂房烟囱内部气体流动

在上一期的内容中，我们对标准工业厂房内部的气流结构以及温度分布进行了模拟分析。

本期小编将继续带大家了解，工业厂房烟囱内部气流受热驱动的影响。

本期模拟对象为一间带烟囱的工业厂房，厂房尺寸为长21.4m，宽6m，高10m。厂房左右两侧离地面0.8m处各有一个1.2m*1.2m的通风口与外界进行热质交换。厂房内置一个1m高的工作台，工作台的正上方0.3m处有一排风罩与通往室外的排风管相连。如图1所示：

图1 工业厂房示意图

A. 入风口温度20℃

B. 热源温度43℃

C. 环境温度20℃

图1模型结构说明：房间的底部有两个风机向房间内部吹风，中间是一个热源，由一个烟囱管道将热气流排出。

首先，设置气流向量截面，如图2所示。其次，我们围绕这个断面进行气流模拟及温度分析。

图2  断面示意图

在图3中可以看到，风从两侧吹入，由于没有其他的出风口直接吹向了中心的烟囱管道，另外热的作用也加速了该运动。

图3  断面速度云图

图4中描述的是断面速度场的向量，可以看到在整个气流中的气体的运动规律。从速度的分布可以看出，中心位置的热源和烟囱管道之间的关系，似乎还有很多改善的空间。大量速度被排在烟囱罩之外，也就是烟囱罩的开口位置和开口处的高度是可以继续优化。

图4  断面速度场

在图5中可以看出，由于风的作用，温度迅速在很短的距离（30cm左右）就降低了约10摄氏度的温度。再看烟囱的出口，持续的长度比较长，有2m左右。这与我们生活中，在烟囱的正上方的温度耗散慢相吻合。这是由气流传输直接影响，而与气流传输方向垂直的方向，热量的耗散非常快。通过等温线的密度，我们可以观察出来。

图5   断面温度云图

我们可以通过这个案例，调试速度的大小来比较温度本身的扩散与气流传输之间的关系。

实际上可以寻找出一种特殊属性的气体，在给定温度和速度下四面传输平均的气体。另一个方面，在传热中，对给定的流向与垂直流向的扩散距离下的温度Ｍ速度曲线，是有意义的。

在气流中扩散的温度场，包括温度诱导的速度场的问题中，结合仿真与试验、粗线条和细试验的组合，将使得研究和设计工作极为精确。

对仿真工具的理解本身就是一个比较重要的工作。最终我们要明确的是，仿真的作用是需要得到真实的气流运行情况和对工况的影响。

CFD本质的作用是可以极低的成本获取结构内的气流分布情况。如果在精度上有较高的要求，成本也会提升很多。

目前有很多应用在用户的视觉感受上，由于在精度上的低要求将成本和实时性可以做到很高。结合可视化的如VR技术，可以将场景真实的展现的用户眼中。在很多例如暴风或者大坝的坍塌等影视作品中，会借鉴CFD的效果来做动画效果。

借鉴的原因是如果使用原始的模型将会极大的增加仿真成本，同时在影视后处理中，很多工作仍然需要处理。这些和具体的应用场景和需求有很大的关系。