📚 课程目录第2章工业通风系统与流场基础

2. 工业通风系统与流场基础

工业通风的目标不是“把空气吹起来”，而是用可控的气流把污染物、热量或湿气从产生位置带走，并使其在人员呼吸区之外被收集或稀释。不同通风方式对应完全不同的流场结构，理解这些结构，是后续建模、网格划分和边界条件设置的前提。

局部排风依靠排风罩口附近的负压把污染物在扩散前“就地捕获”。其流场是典型的汇流场：流线从四周向罩口汇聚，速度随距罩口距离迅速衰减。对常见的圆形或方形罩口，可近似用点汇模型估算轴线速度：

v_x ≈ v_0 · A / (10 · x²)   （x 为距罩口距离，A 为罩口面积）
或按经验：v_x / v_0 ≈ 1 / (1 + 10 · x / √A)

例如罩口尺寸 0.5 m×0.5 m、罩口平均风速 1.0 m/s，在距罩口 0.3 m 处轴线速度约降至 0.25 m/s 量级。这说明局部排风的有效控制区很窄，罩口必须尽量靠近污染源，且要防止横向气流干扰。

全面通风用送风稀释整个车间，靠换气次数控制平均浓度。其流场由送风口射流与回风口汇流叠加而成，室内存在明显的回流区和死区。工程上常用稀释方程估算稳态浓度：

C = G / (Q · K)   （G 为污染物散发量，Q 为通风量，K 为混合不均匀系数）

K 通常取 1.5～3.0，K 越大说明混合越差、实际浓度越高。全面通风的关键不是风量大小，而是送排风位置能否让新鲜空气先经过人员呼吸区。

置换通风利用热浮升力形成“下送上回”的分层流场：低速新鲜空气从底部以约 0.1～0.3 m/s 送入，沿地面铺展，遇到热源后上升形成热羽流，在房间上部形成热污空气层。其核心参数是热分层高度和送风温度差，通常送风温差控制在 2～4 ℃，避免冷风直接吹向人员。

吹吸式通风由一侧送风射流和另一侧排风罩组成，射流像“气幕”一样把污染物定向输运到排风口。其流场是射流与汇流的耦合，控制效果取决于射流动量、吹吸距离和排风量匹配。吹吸距离过大时射流会衰减、扩散，污染物容易逃逸。

CFD 求解得到的不是“一张彩色图”，而是速度、压力、温度、浓度四个相互耦合的场。每个场对应不同的工程判断。

速度场回答“气流往哪走、够不够快”。局部排风要看罩口轴线速度是否达到控制风速；全面通风要看人员呼吸区是否有 0.1～0.3 m/s 的轻微流动；置换通风要看送风是否形成稳定的低速度地面铺展层。速度矢量图还能暴露回流、涡旋和短路，这些是通风效率低下的常见原因。

压力场回答“风从哪里来、往哪里去”。室内相对大气的压差决定空气是渗入还是渗出。排风量大于送风量时房间呈负压，可防止污染物外溢到相邻区域；送风量大于排风量时呈正压，可阻挡外部污染侵入。压力场还用于判断过滤器、风管、阀门的阻力分布是否合理。

温度场回答“热往哪聚、分层是否稳定”。置换通风依靠热浮升力，温度分层高度直接决定呼吸区是否清洁；全面通风中温度场影响热压驱动的自然对流；局部排风若吸入高温烟气，还需考虑浮力对捕获效果的影响。温度场与速度场通过浮力项耦合，忽略浮力会导致热羽流模拟失真。

污染物浓度场回答“污染物在哪、浓度多少”。这是通风效果最直接的判据。局部排风看污染源附近浓度是否被有效抑制；全面通风看呼吸区平均浓度是否低于职业接触限值；置换通风看分层界面以下浓度是否接近送风本底；吹吸式通风看排风口捕集效率。浓度场还用于计算通风效率、排污效率和暴露指数。

四个场并非独立。速度场决定对流输运，温度场通过浮力改变速度场，浓度场随速度场和湍流扩散迁移，压力场则通过动量方程与速度场耦合。因此 CFD 设置中必须同时考虑：

工程建议：先做速度场收敛，再开启温度与浓度耦合；若浮力影响显著（如置换通风、热源上方），必须开启 Boussinesq 近似或全浮力模型，否则热分层和热羽流形态会明显偏离实际。

判断仿真是否可信，不能只看残差曲线。应检查：送排风量是否守恒、呼吸区速度是否在合理范围、温度分层是否稳定、浓度场是否出现非物理负值或过度扩散。若速度场出现大面积回流、浓度场在排风口附近反而升高，通常说明边界条件或湍流模型选择不当，需要回到几何与边界设置重新检查。