摘 要

摘　要：采用计算流体力学软件(Fluent)对室外空间喷雾降温过程进行了数值模拟，在不同环境风速、喷雾压力、喷嘴流量工况下，模拟模型区域的温度场、速度场、相对湿度分布。环境风

摘　要：采用计算流体力学软件(Fluent)对室外空间喷雾降温过程进行了数值模拟，在不同环境风速、喷雾压力、喷嘴流量工况下，模拟模型区域的温度场、速度场、相对湿度分布。环境风速较小时，局部区域降温幅度大，范围窄，温度梯度大；环境风速增大使液滴飘散效果更好，虽然降温幅度减小，但降温区域分布更广，温度分布更均匀。环境风速较小的地区，可以减小单个喷嘴流量，缩短喷嘴布置间距，使喷嘴作用范围内温度分布更加均匀。环境风速较大的地区，宜适当增加单个喷嘴流量并增大下游喷嘴间距，利用环境风速使液滴飘散。此外，在环境风速较大的情况下还可以适当降低喷嘴高度使人员可感知区域的温降增大。在相同环境风速下，喷雾压力对降温范围与降温幅度的影响较小，可适当降低喷雾压力，以提高喷雾系统运行的经济性。

关键词：喷雾降温；  蒸发冷却；　计算流体力学

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

 

水是一种汽化潜热较大且对环境无污染的工质，通过喷雾技术将水处理为微细液滴，使水与周围空气接触面积增大而直接蒸发，可以达到迅速降低局部环境温度的效果，所需喷水量、耗电量均较小。近年来，研究人员将喷雾降温技术应用于城市局部室外空间热环境的调节也取得了成效^[1-4]。

采取CFD(计算流体力学)手段可以对包含相变的液滴蒸发吸热过程进行仿真模拟，弥补实测手段受自然因素(如风速、风向)影响较大的不足，获得不同因素对喷雾降温效果的影响程度。本文对喷雾降温效果的影响因素进行数值模拟与分析。

1　数学模型

1.1　数值模拟方法

在由连续相(即流体相)、分散相组成的飘散多相流体系中，将流体相视为连续介质，分散相视为离散介质，这种模型称为离散相模型(DPM) ^[5]。本文采用计算流体力学软件Fluent，通过离散相模型对气相流场中液滴相变吸热的传热传质过程进行模拟。在欧拉坐标系下进行连续相计算，求解时均N-S方程(黏性不可压缩流体动量平衡方程)得到连续相速度等参量。在拉格朗日坐标系下进行离散相计算，对液滴的运动方程进行积分运算得到液滴运动轨迹，通过传热传质关联定律计算液滴蒸发对连续相的影响。

1.2　连续相控制方程与计算模型

将环境空气视为连续相，空气的流动及传热过程遵守连续性方程、动量方程、能量方程。液滴在空气中蒸发，液态水变为水蒸气进入空气，遵循质量守恒定律。液滴喷入空气中发生的气液流动成自由湍流状态，遵守湍流输运方程^[6]。在湍流模型中，标准k-e模型有较广的适用性，但对于流向有曲率变化、有较强压力梯度等复杂流动问题模拟效果不理想，而带旋流修正的Realizable k-e模型处理以上流动问题更具有优势^[7]。针对本文空气流场内包含喷射源的情况，湍流模型选用Realizable k-e模型。

1.3　离散相控制方程

在连续相流场计算结果的基础上加入喷射源进行非稳态计算，通过离散相模型计算液滴传热传质、流动及其对连续相的影响。离散相的计算遵守传热传质方程、液滴受力平衡方程以及液滴湍流扩散方程，在离散的时间步长内逐步进行积分运算，求解得到液滴轨迹以及液滴与环境空气的热质传递结果。

①传质方程

根据薄膜理论，当空气从液滴表面流过时，液滴表面存在一层薄膜，可视为液滴温度对应饱和湿空气的浓度边界层，液滴蒸发的传质过程相当于发生在此边界层上的扩散作用。设定液滴为球形，根据菲克定律，计算在运动坐标系下水蒸气通过薄膜单位面积传递的质量扩散通量，即液滴的蒸发量。

②传热方程

Fluent软件通过热平衡方程计算液滴温度，关联了液滴的显热变化与液滴通过对流换热、辐射换热得到的热量以及液滴蒸发失去的热量之间的关系。在液滴传热模型中，认为液滴与环境空气之间的热交换是由于温差引起的，液滴依靠与空气的对流换热得到热量，用于液滴的升温及蒸发。同时，受到在室外环境中太阳辐射、天空辐射、地面反射辐射等因素的影响，室外空间表面如地面、建筑物表面温度升高，加快与环境空气的对流换热，液滴表面也会与这些热表面发生辐射换热。由于液滴表面积小，液滴蒸发速度快，热辐射对液滴的加热和蒸发作用相对微弱，可以忽略^[8]。因此，本文将辐射的作用仅考虑为对地面温度产生影响。液滴蒸发热平衡方程为：

 

式中mp——液滴质量，kg

cp——液滴比定压热容，J/(kg·K)

Tp——液滴温度，K

t——时间，s

d——液滴粒径，m

h——液滴与环境空气的对流换热系数，W/(m²·K)

T¥——环境空气温度，K

Q——汽化潜热，J／kg

③液滴受力平衡方程

在拉格朗日坐标系下，对液滴作用力微分方程进行积分求解可以得到液滴在轨道每个位置上的速度，沿每个坐标方向对液滴的运动方程积分可以得到液滴的运动轨迹。

2　模型设置

2.1　几何模型及初始条件

本文讨论室外开敞空间应用喷雾降温的情况。室外开敞空间喷雾降温的几何模型长×宽×高为15m×8m×4m，见图1。模拟地点为重庆市，夏季连晴高温天气期间，建筑密集区等局部地区最高室外温度常达40～44℃，给人们生产、生活造成影响。因此，参考夏季连晴高温天气期间的气象条件，设置数值模拟的初始条件为：室外空气温度为40℃，相对湿度为26％；地面设置为壁面，温度为47℃；空气入口为速度入口，环境风速分别设为0.1、0.2、0.4m／s，流动方向为y轴正方向；两侧面为压力入口，上表面及空气出口为压力出口。网格划分采用规则的六面体网格形式，网格数6×10⁴个，见图2。

 

 

2.2　喷嘴模型

在空间中布置5个喷嘴(喷射源)，第1个喷嘴坐标为(4，2，2.5)，其余喷嘴依次朝y轴正方向以间距2.5m展开，单个喷嘴流量为3L/h，水温22℃，喷雾压力分别设置成6.0、4.5、3.0MPa，设定通过调整喷嘴内直径保持不同喷雾压力下喷嘴流量不变。喷嘴模型采用压力旋流式雾化喷嘴模型，参考单级喷孔雾化的试验计算式^[9]，设定喷雾压力及喷嘴内直径作为喷射源的初始条件，并设定喷嘴向四周均匀喷洒。

在液滴粒径的表示方法中，索尔太平均粒径(SMD)用全部喷出液滴的体积除以总表面积来表征一种平均粒径，适用于传质、液滴流动层阻力分析等场合^[7]。本文采用SMD作为液滴粒径的表示方法，在喷嘴流量不变的情况下，索尔太平均粒径越小说明液滴与空气接触的总表面积越大。

3　模拟结果与分析

3.1　环境风速的影响

不同环境风速下，喷雾压力为6MPa时x=4m截面的温度、速度分布云图分别见图3、4。由图3、4可知，在来流空气与喷雾引起的气流的综合作用下，环境风速不同时模型空间呈现出不同的温度、速度分布。

 

 

①环境风速为0.1m／s时，喷雾引起的气流对模型空间的温度、速度场分布占主导地位，喷嘴附近空气降温效果显著，但降温区域有限，整个模型空间的冷热分布不均。反映出：液滴经喷嘴喷出后向下运动，在低风速下沉积明显。

②环境风速为0.2m／s时，喷嘴1处的温度、速度分布受来流空气的影响加强，且降温区域下部出现倾斜，并有变窄的趋势。反映出：受空气风速增大的影响，液滴开始出现向下游飘移。

③环境风速为0.4m／s时，来流空气对整个模型空间的温度、速度分布的影响占主导地位，上游喷嘴附近区域降温不明显，z=1.5m高度以下区域温降仅1～2K，但作用范围变大，有利于空间温度的均匀分布。反映出：环境风速增大影响了液滴的运动特性，进一步促进液滴的飘移。

环境风速分别为0.1、0.4m／s下，喷雾压力为6MPa时在z=1.5m截面及y=14m截面的温度分布见图5、6。环境风速为0.1m／s时，z=1.5m截面上降温区域集中，其他区域降温幅度仅0.5～1.0K，y=1.4m截面上空气温度几乎没有被影响。环境风速为0.4m／s时，降温1～2K的范围变大，降温区域分布更均匀，在y=14m截面上出现1～3K的温降，并且处在人员可感知的高度上。

 

 

3.2　喷雾压力的影响

在建立的模型空间内，当各种喷雾压力工况在空间温降达到平衡状态时，由Fluent软件的追踪结果可知，所有喷出的液滴几乎全部蒸发。通过对比。液滴粒径主要与喷雾压力有关，几乎不受环境风速影响。因此，选取环境风速为0.2m/s时，通过Fluent软件，得到各喷雾压力产生的索尔太平均粒径(ds)：喷雾压力为3MPa时，ds为17mm；喷雾压力为4.5MPa时，ds为14.1mm；喷雾压力为6MPa时，ds为11.4mm。喷雾压力较高时，液滴运动初速度增大，也增大了夹带气流的初速度，液滴向下运动的动能增大，使液滴沉积，但同时液滴粒径相应减小，易受外界气流的影响，更易飘散^[10]。

模拟结果显示，在相同环境风速下，3种喷雾压力的降温范围与降温幅度没有明显差别，说明在模拟的喷雾压力范围内，喷雾压力对降温效果的影响很小，不如环境风速对降温效果的影响明显。

3.3　喷嘴流量的影响

在环境风速为0.4m／s，喷雾压力为6MPa的条件下，增加单个喷嘴的流量进行模拟，对比3种喷嘴流量(3.0、4.5、6.0L／h)下，x=4m截面上。z=1.5m处在y轴方向上产生的降温效果，见图7。

 

喷嘴流量增加时，由于较高环境风速的作用，上游区域的温降幅度较小。但喷嘴流量的增大使下游喷雾降温的叠加效果更明显，喷嘴流量越大越能在更短的距离内达到较大的温降。环境风速较大有利于液滴飘移，但不同位置喷嘴形成的喷雾之间容易形成叠加效果，当累积到一定程度时会对空气流场起到阻滞作用，使下游喷雾降温效果与低风速时相似，不利于降温区域的均匀分布。

3.4　空气相对湿度分布

液滴在空气中直接蒸发是一个等焓降温过程，空气相对湿度增加趋势与温度降低趋势一致，温降越大处相对湿度增长越大。喷嘴流量3L／h、喷雾压力6MPa下，当环境风速为0.1m／s时，温降最大处温度由313K降低至301K，空气相对湿度由25％增加到70％；当环境风速为0.4m／s时，液滴由于环境风速较大而发生了飘移，在上游的高度方向上降温效果不明显，1.5m高度处相对湿度约30％，还有具有很大的降温空间。

4　结论

①环境风速较小时，局部区域降温幅度大，范围窄，温度梯度大，不利于人员热舒适；环境风速增大使液滴飘散效果更好，虽然降温幅度减小，但降温区域分布更广，温度分布更均匀。

②环境风速较小的地区，可以减小单个喷嘴流量，缩短喷嘴布置间距，使喷嘴作用范围内温度分布更加均匀；环境风速较大的地区，宜适当增加单个喷嘴流量并增大下游喷嘴间距，利用环境风速使液滴飘散。此外，在环境风速较大的情况下还可以适当降低喷嘴高度使人员可感知区域的温降增大。

③模拟结果显示，在相同环境风速下，3种喷雾压力的降温范围与降温幅度没有明显差别。说明在模拟的喷雾压力范围内，喷雾压力对降温效果的影响很小，不如环境风速对降温效果的影响明显。因此可适当降低喷雾压力，以提高喷雾系统运行的经济性。

④由于计算条件限制，本文仅布置了5个喷嘴，在环境风速较大的情况下，多喷嘴布置对下游流场的影响以及多喷嘴之间液滴叠加作用的相互影响还有待进一步分析。

 

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本文作者：陶矗  肖益民  高阳华  何泽能  陈志军  杨雪梅

作者单位：重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室

  重庆市气象科学研究所，重庆401147)