摘要采用數(shù)值模擬方法，利用FLUENT軟件模擬了不同情形下兩種氣流組織形式下空調(diào)區(qū)的二維溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的變化情況及差異性，通過模擬結(jié)果分析了回風(fēng)口的位置對(duì)整個(gè)空調(diào)房間的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，結(jié)果表明采用上送異側(cè)下回的方式時(shí)，室內(nèi)的氣流組織分布較好。當(dāng)室內(nèi)送風(fēng)方式選擇上送下回時(shí)，送、回風(fēng)口最好對(duì)角布置，以提高送風(fēng)作用的有效性。

　　關(guān)鍵詞空調(diào)房間;溫度場(chǎng);速度場(chǎng);數(shù)值模擬

　　0引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的日益提高，室內(nèi)空氣品質(zhì)受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾昜1]。不同的氣流組織形式，其在室內(nèi)形成的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)均不相同，并且不同的氣流組織形式的能源消耗量也不相同。室內(nèi)空氣品質(zhì)的高低將直接影響人們的工作效率甚至身體健康。因此，關(guān)注室內(nèi)氣流組織形式，追求健康、節(jié)能的空調(diào)方式對(duì)提高室內(nèi)熱舒適性和建筑節(jié)能具有重要的意義。

　　目前，隨著計(jì)算機(jī)和模擬仿真技術(shù)的逐漸成熟，人們對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境及氣流組織進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)各種工況下室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的分布規(guī)律，對(duì)不合理的通風(fēng)方式加以改進(jìn)，以達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的[2]。利用FLUENT軟件模擬不同送風(fēng)速度下2種氣流組織形式(上送同側(cè)下回、上送異側(cè)下回)空調(diào)區(qū)的二維溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的變化情況及其差異性，以期為實(shí)際空調(diào)工程中氣流組織的設(shè)置提供參考。

　　1模型的建立

　　1.1物理模型

　　以濟(jì)南市某空調(diào)房間為例，氣流組織形式為上部送風(fēng)，下部回風(fēng)。送風(fēng)口和回風(fēng)口尺寸均為0.4m×0.3m。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將空調(diào)房間視為空腔，不考慮室內(nèi)熱源和設(shè)備的影響。由于建筑結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，因此模擬時(shí)采用了二維模型，只研究房間寬度與高度截面的溫度與速度分布規(guī)律。風(fēng)口頂部距房頂20cm，回風(fēng)口的底部距地面20cm。送風(fēng)速度(v)分別為2.0m/s，2.5m/s和4.0m/s，對(duì)房間氣流分布進(jìn)行數(shù)值模擬。

　　1.2數(shù)學(xué)模型

　　在解決實(shí)際問題時(shí)，需要對(duì)室內(nèi)氣流流動(dòng)作假設(shè)或簡(jiǎn)化[3]：1)穩(wěn)態(tài)湍流傳熱問題。2)流體按連續(xù)介質(zhì)處理[4-5]。3)室內(nèi)空氣為低速不可壓縮流體。4)密度采用Boussinesq假設(shè)，其他物性取常數(shù)。5)忽略流體中的黏性耗散。6)不考慮漏風(fēng)影響，認(rèn)為房間內(nèi)氣密性較好。7)忽略室內(nèi)物體間或與墻壁之間的輻射作用。

　　1.3控制方程

　　該問題可以看作二維強(qiáng)迫對(duì)流和擴(kuò)散問題，其直角坐標(biāo)系中的通用控制方程為：Syxxyyvxu()()()()t()(1)其中：為流體密度(kg/m3);t為時(shí)間(s);U為流體速度矢量(m/s);為通用變量，比如動(dòng)量方程中的x，y，z方向上的速度分量u，v，w(m/s)，能量方程中的溫度T(K)，濃度方程中的濃度c(mol)等;為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為源項(xiàng)，本文模型簡(jiǎn)化為無內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)傳熱問題，因此S為0。

　　1.4邊界條件

　　忽略太陽輻射及地板傳熱的影響，假設(shè)房間的上下側(cè)是絕熱的，右側(cè)墻為北外墻定壁溫條件，溫度為308K;左側(cè)墻為南外墻，考慮到南外墻為熱墻并受空調(diào)工作時(shí)散發(fā)熱量的影響，將南外墻設(shè)為定熱流密度條件，其值為50W/m2;送風(fēng)溫度為293K;回風(fēng)口溫度為303K，且出口邊界滿足總體質(zhì)量守恒修正[6]。

　　2求解方法

　　2.1數(shù)值方法

　　采用SIMPLE算法對(duì)壓力速度耦合問題進(jìn)行求解。采用標(biāo)準(zhǔn)k雙方程湍流模型，方程采用有限體積法進(jìn)行離散，動(dòng)量方程與能量方程的離散選用一階迎風(fēng)格式，并在動(dòng)量方程離散形式的求解過程中加入松弛因子處理。設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)：能量方程為1×10-6，流動(dòng)方程為1×10-3。由于是傳熱問題，故開啟能量方程。

　　2.2模擬方法

　　使用GAMBIT建立幾何模型，區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格單元為均勻四邊形網(wǎng)格，對(duì)流動(dòng)劇烈區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確[7]。采用FLUENT軟件模擬計(jì)算。

　　3模擬結(jié)果及分析

　　3.1房間數(shù)值模擬速度矢量

　　可以看出兩種氣流組織形式下，氣流由送風(fēng)口送入，形成貼附有限空間射流，氣流在重力的作用下向下流動(dòng)，之后氣流在回風(fēng)口流出，在房間內(nèi)部形成了一個(gè)大的渦旋區(qū)域。當(dāng)氣流組織為上送同側(cè)下回時(shí)，約在房間的正中間位置形成了渦旋區(qū)，房間中間部位及四個(gè)墻角處速度較小，房間上部及下部速度較大。而上送異側(cè)下回的氣流組織形成的渦旋區(qū)在靠近右墻出風(fēng)口處，速度較大的部位在進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、出風(fēng)口上側(cè)及左側(cè)區(qū)域，房間其他各處區(qū)域速度都較小。在旋渦氣流的誘導(dǎo)作用下，大部分污染物可隨氣流由回風(fēng)口流出，但在渦旋中心和墻角處，由于速度過小，氣流擾動(dòng)不強(qiáng)，可能出現(xiàn)污染物因排出不及時(shí)而發(fā)生污染物存留的現(xiàn)象。

　　3.2速度場(chǎng)數(shù)值模擬分析

　　室內(nèi)氣流的速度大小是影響人體熱舒適度的因素之一，過大的速度能使人產(chǎn)生吹風(fēng)感，引起人體的不舒適感覺。空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定舒適性空調(diào)夏季室內(nèi)風(fēng)速不大于0.3m/s。當(dāng)送風(fēng)速度為2m/s時(shí)。同側(cè)送回風(fēng)方式下，房間內(nèi)氣流速度的梯度較大，速度分層明顯，容易使人產(chǎn)生吹風(fēng)感，除房間中部外其他區(qū)域速度都不能滿足人體舒適性要求。異側(cè)送回風(fēng)方式下，室內(nèi)氣流速度梯度較小，人員工作區(qū)風(fēng)速基本都可滿足要求，僅送、回風(fēng)口及回風(fēng)口附近的地板處氣流速度稍大。

　　通過人頭頂處的速度分布可看出，異側(cè)送回風(fēng)下，Y=1m處速度均隨著送風(fēng)速度的增大而增大，氣流分布具有規(guī)律性，而同側(cè)送回風(fēng)方式則沒有該規(guī)律。而且與同側(cè)送回風(fēng)相比，異側(cè)送回風(fēng)于不同的送風(fēng)速度下在房間水平方向上速度分布更加均勻。同時(shí)發(fā)現(xiàn)最小的氣流速度出現(xiàn)在約為房間高度的1/2處，兩種氣流組織下(X=5m處)速度沿高度方向出現(xiàn)最小值的情況。

　　同側(cè)送回風(fēng)下，X=5m處出現(xiàn)最小速度的高度隨送風(fēng)速度的增大而升高，相反，異側(cè)送回風(fēng)下，X=5m處出現(xiàn)最小速度的高度隨送風(fēng)速度的增大而降低。由于兩種送風(fēng)形式下室內(nèi)氣流都形成了旋渦，越遠(yuǎn)離旋渦中心處的速度越大，所以最小速度在高度方向上出現(xiàn)的高度越低，人員頭頂處的速度就越低，因此認(rèn)為異側(cè)送回風(fēng)下人員舒適性較高。

　　3.3溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析

　　國際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：在工作區(qū)地面以上0.1m到1.1m之間的溫度大小不應(yīng)高于3℃，室內(nèi)溫度分布應(yīng)符合“腳暖頭涼”的要求。研究中發(fā)現(xiàn)兩種送風(fēng)形式房間內(nèi)溫度均隨送風(fēng)速度的增大而有所減小。考慮出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是速度增大使得房間內(nèi)氣流的擾動(dòng)增強(qiáng)，加速了室內(nèi)氣流的對(duì)流傳熱。同側(cè)送回風(fēng)方式下，房間整體溫度稍高，射流方向的兩側(cè)遠(yuǎn)角有明顯的高溫區(qū)。異側(cè)送回風(fēng)方式下，房間整體溫度分布較均勻，無明顯的高溫區(qū)。從V=2m/s時(shí)兩種氣流組織下人腳踝和頭頂?shù)臏囟确植贾锌梢钥闯鱿啾扔谏纤屯瑐?cè)下回方式上送異側(cè)下回能更好地符合“腳暖頭涼”的要求。

　　4小結(jié)

　　通過運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)不同送風(fēng)速度和送風(fēng)形式下空調(diào)房間內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的模擬分析，得出以下結(jié)論：同側(cè)送回風(fēng)方式下房間內(nèi)氣流速度梯度較大，速度分層明顯，地面工作或休息區(qū)的速度較大，容易使人產(chǎn)生吹風(fēng)感。房間整體溫度稍高，射流方向的兩側(cè)遠(yuǎn)角有明顯的高溫區(qū)，很容易形成死角，通風(fēng)效率低。異側(cè)送回風(fēng)方式下房間內(nèi)氣流速度梯度小，人員工作區(qū)速度小，在房間水平方向上速度分布較均勻，室內(nèi)氣流速度分布具有規(guī)律性。相比同側(cè)送回風(fēng)方式房間整體溫度稍低且無明顯高溫區(qū)，工作人員舒適度較高。

　　本文研究發(fā)現(xiàn)采用上送異側(cè)回風(fēng)時(shí)，辦公室房間氣流組織分布更好，人員舒適度更高。所以在選擇室內(nèi)空氣的通風(fēng)方式時(shí)，要重視排風(fēng)口的位置在空間氣流分布中的作用，忽略該作用，將導(dǎo)致降低送風(fēng)作用的有效性。如果室內(nèi)送風(fēng)方式選擇上送下回時(shí)，送風(fēng)口和回風(fēng)口盡量不要布置在同一側(cè)，最好對(duì)角布置。本文僅對(duì)兩種送風(fēng)方式下房間內(nèi)的舒適度情況進(jìn)行了分析，關(guān)于上送異側(cè)回風(fēng)下房間內(nèi)的最佳送風(fēng)速度及在該速度下室內(nèi)溫度、速度的分布規(guī)律還需進(jìn)一步研究。

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　　相關(guān)論文投稿刊物：《制冷與空調(diào)》雜志創(chuàng)辦于1990年，2001年正式發(fā)行，是中國制冷空調(diào)工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)刊，由科學(xué)技術(shù)部主管，中國制冷空調(diào)工業(yè)協(xié)會(huì)、中國科學(xué)技術(shù)交流中心聯(lián)合主辦的專業(yè)性期刊，國內(nèi)外公開發(fā)行，國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)為CN11-4519/TB，國際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)為ISSN1009-8402。國內(nèi)郵發(fā)代號(hào)：2-857，國外發(fā)行代號(hào)：8402BM。