摘 要：采用計算流體力學(xué)軟件(Fluent)對室外空間噴霧降溫過程進行了數(shù)值模擬，在不同環(huán)境風(fēng)速、噴霧壓力、噴嘴流量工況下，模擬模型區(qū)域的溫度場、速度場、相對濕度分布。環(huán)境風(fēng)速較小時，局部區(qū)域降溫幅度大，范圍窄，溫度梯度大；環(huán)境風(fēng)速增大使液滴飄散效果更好，雖然降溫幅度減小，但降溫區(qū)域分布更廣，溫度分布更均勻。環(huán)境風(fēng)速較小的地區(qū)，可以減小單個噴嘴流量，縮短噴嘴布置間距，使噴嘴作用范圍內(nèi)溫度分布更加均勻。環(huán)境風(fēng)速較大的地區(qū)，宜適當(dāng)增加單個噴嘴流量并增大下游噴嘴間距，利用環(huán)境風(fēng)速使液滴飄散。此外，在環(huán)境風(fēng)速較大的情況下還可以適當(dāng)降低噴嘴高度使人員可感知區(qū)域的溫降增大。在相同環(huán)境風(fēng)速下，噴霧壓力對降溫范圍與降溫幅度的影響較小，可適當(dāng)降低噴霧壓力，以提高噴霧系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。
關(guān)鍵詞：噴霧降溫； 蒸發(fā)冷卻； 計算流體力學(xué)
Numerical Simulation Analysis on Influencing Factors of Mist Cooling Effect
Abstract：The outdoor mist cooling process is numerically simulated by computational fluid dynamics software(Fluent)．The distributions of temperature field．velocity field and relative humidity in the model area are simulated under the conditions of difierent ambient wind speeds，spray pressures and nozzle flow rates．When ambient wind speed is smaller，the cooling range in local areas increases with a narrow scale and large temperature gradient，which is not beneficial for Dersonal thermal comfort．Increase of ambient wind speed makes the droplet scattering effect hetter，while the cooling range reduces，but the cooling area distrihution is broader．and the temperature distribution is Tnore unifbrm．In the areas where the ambient wind speed is smaller．the flow rate of single nozzle can be reduced．and the nozzle arrangement spacing can he shortened．which makes the temperature distribution more unitorm within the scope of the nozzle function．In the areas where the ambient wind speed is larger，the flow rate of single nozzle should be appropriately increased，and the downstream nozzle spacing should be int：reased to scatter droplets by ambient wind speed．In addition，the nozzle height can be appropriately reduced to increase the temperature drop in the personal Derceived areas under the condition of large ambient wind speed．Under the same ambient wind speed，mist pressure has less effect on the cooling range and scale，so mist pressure can be appropriately reduced to improve the operation economy of the mist system．
Keywords：mist cooling；evaporative cooling；computational fluid dynamics
水是一種汽化潛熱較大且對環(huán)境無污染的工質(zhì)，通過噴霧技術(shù)將水處理為微細液滴，使水與周圍空氣接觸面積增大而直接蒸發(fā)，可以達到迅速降低局部環(huán)境溫度的效果，所需噴水量、耗電量均較小。近年來，研究人員將噴霧降溫技術(shù)應(yīng)用于城市局部室外空間熱環(huán)境的調(diào)節(jié)也取得了成效[1-4]。
采取CFD(計算流體力學(xué))手段可以對包含相變的液滴蒸發(fā)吸熱過程進行仿真模擬，彌補實測手段受自然因素(如風(fēng)速、風(fēng)向)影響較大的不足，獲得不同因素對噴霧降溫效果的影響程度。本文對噴霧降溫效果的影響因素進行數(shù)值模擬與分析。
1 數(shù)學(xué)模型
1.1 數(shù)值模擬方法
在由連續(xù)相(即流體相)、分散相組成的飄散多相流體系中，將流體相視為連續(xù)介質(zhì)，分散相視為離散介質(zhì)，這種模型稱為離散相模型(DPM) [5]。本文采用計算流體力學(xué)軟件Fluent，通過離散相模型對氣相流場中液滴相變吸熱的傳熱傳質(zhì)過程進行模擬。在歐拉坐標系下進行連續(xù)相計算，求解時均N-S方程(黏性不可壓縮流體動量平衡方程)得到連續(xù)相速度等參量。在拉格朗日坐標系下進行離散相計算，對液滴的運動方程進行積分運算得到液滴運動軌跡，通過傳熱傳質(zhì)關(guān)聯(lián)定律計算液滴蒸發(fā)對連續(xù)相的影響。
1.2 連續(xù)相控制方程與計算模型
將環(huán)境空氣視為連續(xù)相，空氣的流動及傳熱過程遵守連續(xù)性方程、動量方程、能量方程。液滴在空氣中蒸發(fā)，液態(tài)水變?yōu)樗魵膺M入空氣，遵循質(zhì)量守恒定律。液滴噴入空氣中發(fā)生的氣液流動成自由湍流狀態(tài)，遵守湍流輸運方程[6]。在湍流模型中，標準k-e模型有較廣的適用性，但對于流向有曲率變化、有較強壓力梯度等復(fù)雜流動問題模擬效果不理想，而帶旋流修正的Realizable k-e模型處理以上流動問題更具有優(yōu)勢[7]。針對本文空氣流場內(nèi)包含噴射源的情況，湍流模型選用Realizable k-e模型。
1.3 離散相控制方程
在連續(xù)相流場計算結(jié)果的基礎(chǔ)上加入噴射源進行非穩(wěn)態(tài)計算，通過離散相模型計算液滴傳熱傳質(zhì)、流動及其對連續(xù)相的影響。離散相的計算遵守傳熱傳質(zhì)方程、液滴受力平衡方程以及液滴湍流擴散方程，在離散的時間步長內(nèi)逐步進行積分運算，求解得到液滴軌跡以及液滴與環(huán)境空氣的熱質(zhì)傳遞結(jié)果。
①傳質(zhì)方程
根據(jù)薄膜理論，當(dāng)空氣從液滴表面流過時，液滴表面存在一層薄膜，可視為液滴溫度對應(yīng)飽和濕空氣的濃度邊界層，液滴蒸發(fā)的傳質(zhì)過程相當(dāng)于發(fā)生在此邊界層上的擴散作用。設(shè)定液滴為球形，根據(jù)菲克定律，計算在運動坐標系下水蒸氣通過薄膜單位面積傳遞的質(zhì)量擴散通量，即液滴的蒸發(fā)量。
②傳熱方程
Fluent軟件通過熱平衡方程計算液滴溫度，關(guān)聯(lián)了液滴的顯熱變化與液滴通過對流換熱、輻射換熱得到的熱量以及液滴蒸發(fā)失去的熱量之間的關(guān)系。在液滴傳熱模型中，認為液滴與環(huán)境空氣之間的熱交換是由于溫差引起的，液滴依靠與空氣的對流換熱得到熱量，用于液滴的升溫及蒸發(fā)。同時，受到在室外環(huán)境中太陽輻射、天空輻射、地面反射輻射等因素的影響，室外空間表面如地面、建筑物表面溫度升高，加快與環(huán)境空氣的對流換熱，液滴表面也會與這些熱表面發(fā)生輻射換熱。由于液滴表面積小，液滴蒸發(fā)速度快，熱輻射對液滴的加熱和蒸發(fā)作用相對微弱，可以忽略[8]。因此，本文將輻射的作用僅考慮為對地面溫度產(chǎn)生影響。液滴蒸發(fā)熱平衡方程為：
式中mp——液滴質(zhì)量，kg
cp——液滴比定壓熱容，J/(kg·K)
Tp——液滴溫度，K
t——時間，s
d——液滴粒徑，m
h——液滴與環(huán)境空氣的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)
T¥——環(huán)境空氣溫度，K
Q——汽化潛熱，J／kg
③液滴受力平衡方程
在拉格朗日坐標系下，對液滴作用力微分方程進行積分求解可以得到液滴在軌道每個位置上的速度，沿每個坐標方向?qū)σ旱蔚倪\動方程積分可以得到液滴的運動軌跡。
2 模型設(shè)置
2.1 幾何模型及初始條件
本文討論室外開敞空間應(yīng)用噴霧降溫的情況。室外開敞空間噴霧降溫的幾何模型長×寬×高為15m×8m×4m，見圖1。模擬地點為重慶市，夏季連晴高溫天氣期間，建筑密集區(qū)等局部地區(qū)最高室外溫度常達40～44℃，給人們生產(chǎn)、生活造成影響。因此，參考夏季連晴高溫天氣期間的氣象條件，設(shè)置數(shù)值模擬的初始條件為：室外空氣溫度為40℃，相對濕度為26％；地面設(shè)置為壁面，溫度為47℃；空氣入口為速度入口，環(huán)境風(fēng)速分別設(shè)為0.1、0.2、0.4m／s，流動方向為y軸正方向；兩側(cè)面為壓力入口，上表面及空氣出口為壓力出口。網(wǎng)格劃分采用規(guī)則的六面體網(wǎng)格形式，網(wǎng)格數(shù)6×104個，見圖2。
2.2 噴嘴模型
在空間中布置5個噴嘴(噴射源)，第1個噴嘴坐標為(4，2，2.5)，其余噴嘴依次朝y軸正方向以間距2.5m展開，單個噴嘴流量為3L/h，水溫22℃，噴霧壓力分別設(shè)置成6.0、4.5、3.0MPa，設(shè)定通過調(diào)整噴嘴內(nèi)直徑保持不同噴霧壓力下噴嘴流量不變。噴嘴模型采用壓力旋流式霧化噴嘴模型，參考單級噴孔霧化的試驗計算式[9]，設(shè)定噴霧壓力及噴嘴內(nèi)直徑作為噴射源的初始條件，并設(shè)定噴嘴向四周均勻噴灑。
在液滴粒徑的表示方法中，索爾太平均粒徑(SMD)用全部噴出液滴的體積除以總表面積來表征一種平均粒徑，適用于傳質(zhì)、液滴流動層阻力分析等場合[7]。本文采用SMD作為液滴粒徑的表示方法，在噴嘴流量不變的情況下，索爾太平均粒徑越小說明液滴與空氣接觸的總表面積越大。
3 模擬結(jié)果與分析
3.1 環(huán)境風(fēng)速的影響
不同環(huán)境風(fēng)速下，噴霧壓力為6MPa時x=4m截面的溫度、速度分布云圖分別見圖3、4。由圖3、4可知，在來流空氣與噴霧引起的氣流的綜合作用下，環(huán)境風(fēng)速不同時模型空間呈現(xiàn)出不同的溫度、速度分布。
①環(huán)境風(fēng)速為0.1m／s時，噴霧引起的氣流對模型空間的溫度、速度場分布占主導(dǎo)地位，噴嘴附近空氣降溫效果顯著，但降溫區(qū)域有限，整個模型空間的冷熱分布不均。反映出：液滴經(jīng)噴嘴噴出后向下運動，在低風(fēng)速下沉積明顯。
②環(huán)境風(fēng)速為0.2m／s時，噴嘴1處的溫度、速度分布受來流空氣的影響加強，且降溫區(qū)域下部出現(xiàn)傾斜，并有變窄的趨勢。反映出：受空氣風(fēng)速增大的影響，液滴開始出現(xiàn)向下游飄移。
③環(huán)境風(fēng)速為0.4m／s時，來流空氣對整個模型空間的溫度、速度分布的影響占主導(dǎo)地位，上游噴嘴附近區(qū)域降溫不明顯，z=1.5m高度以下區(qū)域溫降僅1～2K，但作用范圍變大，有利于空間溫度的均勻分布。反映出：環(huán)境風(fēng)速增大影響了液滴的運動特性，進一步促進液滴的飄移。
環(huán)境風(fēng)速分別為0.1、0.4m／s下，噴霧壓力為6MPa時在z=1.5m截面及y=14m截面的溫度分布見圖5、6。環(huán)境風(fēng)速為0.1m／s時，z=1.5m截面上降溫區(qū)域集中，其他區(qū)域降溫幅度僅0.5～1.0K，y=1.4m截面上空氣溫度幾乎沒有被影響。環(huán)境風(fēng)速為0.4m／s時，降溫1～2K的范圍變大，降溫區(qū)域分布更均勻，在y=14m截面上出現(xiàn)1～3K的溫降，并且處在人員可感知的高度上。
3.2 噴霧壓力的影響
在建立的模型空間內(nèi)，當(dāng)各種噴霧壓力工況在空間溫降達到平衡狀態(tài)時，由Fluent軟件的追蹤結(jié)果可知，所有噴出的液滴幾乎全部蒸發(fā)。通過對比。液滴粒徑主要與噴霧壓力有關(guān)，幾乎不受環(huán)境風(fēng)速影響。因此，選取環(huán)境風(fēng)速為0.2m/s時，通過Fluent軟件，得到各噴霧壓力產(chǎn)生的索爾太平均粒徑(ds)：噴霧壓力為3MPa時，ds為17mm；噴霧壓力為4.5MPa時，ds為14.1mm；噴霧壓力為6MPa時，ds為11.4mm。噴霧壓力較高時，液滴運動初速度增大，也增大了夾帶氣流的初速度，液滴向下運動的動能增大，使液滴沉積，但同時液滴粒徑相應(yīng)減小，易受外界氣流的影響，更易飄散[10]。
模擬結(jié)果顯示，在相同環(huán)境風(fēng)速下，3種噴霧壓力的降溫范圍與降溫幅度沒有明顯差別，說明在模擬的噴霧壓力范圍內(nèi)，噴霧壓力對降溫效果的影響很小，不如環(huán)境風(fēng)速對降溫效果的影響明顯。
3.3 噴嘴流量的影響
在環(huán)境風(fēng)速為0.4m／s，噴霧壓力為6MPa的條件下，增加單個噴嘴的流量進行模擬，對比3種噴嘴流量(3.0、4.5、6.0L／h)下，x=4m截面上。z=1.5m處在y軸方向上產(chǎn)生的降溫效果，見圖7。
噴嘴流量增加時，由于較高環(huán)境風(fēng)速的作用，上游區(qū)域的溫降幅度較小。但噴嘴流量的增大使下游噴霧降溫的疊加效果更明顯，噴嘴流量越大越能在更短的距離內(nèi)達到較大的溫降。環(huán)境風(fēng)速較大有利于液滴飄移，但不同位置噴嘴形成的噴霧之間容易形成疊加效果，當(dāng)累積到一定程度時會對空氣流場起到阻滯作用，使下游噴霧降溫效果與低風(fēng)速時相似，不利于降溫區(qū)域的均勻分布。
3.4 空氣相對濕度分布
液滴在空氣中直接蒸發(fā)是一個等焓降溫過程，空氣相對濕度增加趨勢與溫度降低趨勢一致，溫降越大處相對濕度增長越大。噴嘴流量3L／h、噴霧壓力6MPa下，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為0.1m／s時，溫降最大處溫度由313K降低至301K，空氣相對濕度由25％增加到70％；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為0.4m／s時，液滴由于環(huán)境風(fēng)速較大而發(fā)生了飄移，在上游的高度方向上降溫效果不明顯，1.5m高度處相對濕度約30％，還有具有很大的降溫空間。
4 結(jié)論
①環(huán)境風(fēng)速較小時，局部區(qū)域降溫幅度大，范圍窄，溫度梯度大，不利于人員熱舒適；環(huán)境風(fēng)速增大使液滴飄散效果更好，雖然降溫幅度減小，但降溫區(qū)域分布更廣，溫度分布更均勻。
②環(huán)境風(fēng)速較小的地區(qū)，可以減小單個噴嘴流量，縮短噴嘴布置間距，使噴嘴作用范圍內(nèi)溫度分布更加均勻；環(huán)境風(fēng)速較大的地區(qū)，宜適當(dāng)增加單個噴嘴流量并增大下游噴嘴間距，利用環(huán)境風(fēng)速使液滴飄散。此外，在環(huán)境風(fēng)速較大的情況下還可以適當(dāng)降低噴嘴高度使人員可感知區(qū)域的溫降增大。
③模擬結(jié)果顯示，在相同環(huán)境風(fēng)速下，3種噴霧壓力的降溫范圍與降溫幅度沒有明顯差別。說明在模擬的噴霧壓力范圍內(nèi)，噴霧壓力對降溫效果的影響很小，不如環(huán)境風(fēng)速對降溫效果的影響明顯。因此可適當(dāng)降低噴霧壓力，以提高噴霧系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。
④由于計算條件限制，本文僅布置了5個噴嘴，在環(huán)境風(fēng)速較大的情況下，多噴嘴布置對下游流場的影響以及多噴嘴之間液滴疊加作用的相互影響還有待進一步分析。
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本文作者：陶矗 肖益民 高陽華 何澤能 陳志軍 楊雪梅
作者單位：重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室
重慶市氣象科學(xué)研究所，重慶401147)
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