空調(diào)房間氣流組織模擬及優(yōu)化.doc

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畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 作 者： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 系(專業(yè))： 熱能與動(dòng)力工程 題 目： 空調(diào)房間氣流組織數(shù)值模擬和優(yōu)化 指導(dǎo)者： 講師 (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2012 年 6 月 2 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要 題 目 空調(diào)房間氣流組織數(shù)值模擬和優(yōu)化 摘要： 氣流組織對空調(diào)室內(nèi)的空氣環(huán)境、空氣品質(zhì)有著重要的影響，直接關(guān)系著室內(nèi)的溫度、區(qū)域流速及空調(diào)能耗，是空氣調(diào)節(jié)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。有效地通風(fēng)和合理的氣流組織對于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，保證實(shí)現(xiàn)健康建筑、健康舒適性空調(diào)有著重要的意義。 影響空調(diào)房間氣流組織的主要因素是入口風(fēng)速、進(jìn)風(fēng)口的位置、進(jìn)回風(fēng)口的相對位置等，本文首先使用Gambit軟件建立物理模型和網(wǎng)格劃分，并用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，以直觀的方式表示各不同氣流組織方案下的氣流的溫度場和速度場，分析得出對于辦公室等類似的空調(diào)房間，側(cè)送側(cè)回、上送下回、上送上回、下送上回等四種氣流組織都比較適合的。但是側(cè)送側(cè)回和上送上回的氣流組織形式更優(yōu)。 關(guān)鍵詞：氣流組織 數(shù)值模擬 紊流模型 溫度場 速度場 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要 Title Numerical simulation of air-conditioned room air distribution and optimization Abstract Airflow-organizing in air-conditioned indoor air environment, air quality has an important effect is directly related to the indoor temperature, area, flow rate and air-conditioning energy consumption is an important part of the air-conditioned. Effective ventilation and airflow organization has an important significance for improving indoor air quality, to ensure the realization of healthy buildings, healthy comfort air conditioning. The main factors to affect the flow in room inlet velocity, the location of the air inlet into the return air relative position Firstly, the establishment of a physical model and mesh using Gambit software, and numerical simulations using Fluent software, said in an intuitive way the temperature field and velocity field of airflow under different air distribution program, analyzing the draw for office and other similar air-conditioned room, Side of the send side back, on sending the next time, on to send back, next to send back to the four air distribution are more appropriate. But the better Side of the send side back and on to send back on the air current forms of organization. Keywords：Airflow-organizing;Numerical simulation; Turbulence model;Temperature field;Velocity field. 目 次 1 引言………………………………………………………………………1 1.1 研究的背景及意義…………………………………………………………………………1 1.2 國內(nèi)外的研究成果…………………………………………………………………………1 1.3 本文的主要內(nèi)容和工作…………………………………………………………………… 2 2 空調(diào)房間的氣流組織形式…………………………………………………… 3 2.1氣流組織的介紹 …………………………………………………………3 2.2常用的氣流組織形式……………………………………………………………3 2.2.1側(cè)送側(cè)回………………………………………………………………4 2.2.2上送下回…………………………………………………………………4 2.2.3 上送上回…………………………………………………………………………4 2.2.4 下送上回…………………………………………………………………………5 3 氣流組織和室內(nèi)舒適性的評價(jià)指標(biāo)………………………………………………5 3.1 技術(shù)指標(biāo)……………………………………………………………………………5 3.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)…………………………………………………………………………7 3.3 適性空調(diào)室內(nèi)空氣計(jì)算參數(shù)………………………………………………………8 4 空調(diào)房間的數(shù)值模擬過程…………………………………………………………8 4.1 物理模型的建立……………………………………………………………………8 4.2網(wǎng)格的劃分…………………………………………………………………………11 4.3數(shù)學(xué)模型……………………………………………………………………………11 4.4在Fluent里的參數(shù)……………………………………………………………… 13 4.5解算結(jié)果及后處理…………………………………………………………………14 5 數(shù)值模擬結(jié)果分析…………………………………………………………………15 5.1 側(cè)送側(cè)回的結(jié)果及分析…………………………………………………………15 5.2 異側(cè)下送上回的結(jié)果及分析…………………………………………………………… 17 5.3 上送上回的結(jié)果及分析……………………………………………………………………19 5.4 上送下回的結(jié)果及分析……………………………………………………………………20 結(jié)論 …………………………………………………………………………………………………22 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………… 23 致謝………………………………………………………………………………25 1 引言 1．1 研究的背景及意義 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們的物質(zhì)生活水平不斷提高，空調(diào)的使用越來越普及，人們對居住和工作環(huán)境的要求也越來越高，因此對通風(fēng)空調(diào)技術(shù)也提出了更高的要求。在空調(diào)房間內(nèi)，氣流組織是通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，氣流組織直接影響室內(nèi)空調(diào)效果，是關(guān)系著房間工作區(qū)的溫度、濕度基數(shù)、精度及區(qū)域溫差、工作區(qū)的氣流速度及清潔程度和人們舒適感的重要因素，是一切空調(diào)工程設(shè)計(jì)中必須考慮和重視的問題。有效地通風(fēng)和合理的氣流組織對于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)工作環(huán)境健康舒適性有著重要的意義。因此人們希望在建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就能詳細(xì)了解由空調(diào)通風(fēng)所形成的室內(nèi)空氣速度場、溫度場、濕度場以及有害物濃度場等的分布情況，從而制定出最佳的氣流組織方案[1]。 空調(diào)房間內(nèi)的空氣分布與送/回風(fēng)口的尺寸、形式、數(shù)量及位置，送風(fēng)參數(shù)（送風(fēng)溫度，風(fēng)速），房間的大小及污染源的位置和性質(zhì)等有關(guān)。這些參數(shù)直接影響空調(diào)室內(nèi)調(diào)節(jié)效果，影響室內(nèi)的溫度，風(fēng)速和室內(nèi)人員的舒適度，是空氣調(diào)節(jié)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是空調(diào)設(shè)計(jì)過程中要重點(diǎn)考慮的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于影響空氣分布的因素較多，加上實(shí)際工程中的具體條件的多樣性，因此難于用簡單的理論或經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式來綜合上述諸多因素的影響。目前，在空間氣流分布計(jì)算方面，較多采用依賴于實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)式，由于實(shí)驗(yàn)條件的不同，在各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果間存在一定的差異，但在總體規(guī)律性方面卻基本雷同[2]。 1.2 國內(nèi)外的研究成果 鑒于空調(diào)房間的氣流組織形式對能源的損耗、室內(nèi)空氣的品質(zhì)和人體健康舒適性有著至關(guān)重要的作用。國外從20世紀(jì)20年代就對此領(lǐng)域展開了研究，如對等溫、非等溫射流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，送風(fēng)方式與舒適度關(guān)系的研究，各類建筑物不同送/回風(fēng)方式的研究，室內(nèi)空氣品質(zhì)的研究等。 在國內(nèi)，天津大學(xué)的馬九賢教授于80年代組織建造了國內(nèi)第一個(gè)專門用來對空調(diào)房間內(nèi)氣流情況進(jìn)行研究的實(shí)驗(yàn)室，并取得了一定的研究成果，為進(jìn)一步進(jìn)行房間氣流的研究奠定了基礎(chǔ)[3]。文獻(xiàn)[4][5]得出下送風(fēng)氣流組織的送風(fēng)口形式、送風(fēng)進(jìn)口與人體距離、送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度對人體熱舒適的影響。文獻(xiàn)[6]利用C02作為示蹤氣體，研究了空氣齡與質(zhì)點(diǎn)換氣效率、房間換氣次數(shù)之間的關(guān)系。 Nielsen等人對空調(diào)房間模型內(nèi)二維流動(dòng)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)[7]。Zhang G、Morsing和Bjerg等人在Nielsen研究的基礎(chǔ)上改變模型房間長寬高等比例進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)[8]。J.D. Posner等人采用RNG k-ε模型模擬預(yù)測模型室的測量[9]。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)開始用于空調(diào)房間的氣流分析。1974年，丹麥的Nielsen首次將CFD技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)工程，數(shù)值模擬空調(diào)房間室內(nèi)空氣流動(dòng)情況，利用流函數(shù)和渦旋公式求解封閉二維流動(dòng)方程。Chen Qingyan則在1988年利用CFD技術(shù)對建筑物能耗、室內(nèi)空氣流動(dòng)情況以及室內(nèi)空氣品質(zhì)等問題進(jìn)行了分析和研究。在2000年Topp、Nielsen和Davidson在全方位通風(fēng)的房間內(nèi)，利用CFD方法模擬了在等溫壁條件下的空氣流動(dòng)情況[10]。 國內(nèi)也有眾多的研究者利用CFD技術(shù)對空調(diào)房間氣流組織進(jìn)行優(yōu)化和研究。1988年，張建忠分析了數(shù)值模擬方法在通風(fēng)空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，還對常見的工業(yè)敞口槽通風(fēng)問題作了數(shù)值計(jì)算分析，把問題簡化為二維穩(wěn)定不可壓縮的粘性流動(dòng)[11]。文獻(xiàn)[12]利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了空洞建筑上送風(fēng)情況下空調(diào)室內(nèi)的流場分步情況，指出送風(fēng)溫度和風(fēng)速是對溫度分層高度有重要影響。上述文獻(xiàn)雖對空調(diào)房間氣流組織進(jìn)行了大量的研究，但只是對工程上某種具體的氣流形式的研究沒有對不同氣流組織形式進(jìn)行系統(tǒng)、詳細(xì)地比較。關(guān)于空調(diào)室內(nèi)氣流組織下的溫度詳細(xì)分布的文獻(xiàn)未見報(bào)道。 1.3 本文的主要內(nèi)容和工作 本文以計(jì)算流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)為理論基礎(chǔ)，對空調(diào)房間的氣流組織形式和室內(nèi)空氣三維湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析，使用Gambit建立夏季空調(diào)房間常見的四種氣流組織模型，采用FLUENT軟件以直觀的方式顯示了四種氣流組織方案的氣流流型，分析討論其氣流分布規(guī)律、特點(diǎn)，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，并將各種不同送氣流組織形式下的溫度場和速度場進(jìn)行對比，總結(jié)各種氣流組織形式的優(yōu)缺點(diǎn)。 本文內(nèi)容安排 1、簡述氣流組織研究的背景及意義，并簡單介紹國內(nèi)外氣流組織研究現(xiàn)狀。 2、介紹空調(diào)房間氣流組織及常用的氣流組織形式。 3、介紹空調(diào)室內(nèi)舒適性的評價(jià)指標(biāo)和氣流組織的評價(jià)指標(biāo)。 4、使用Gambit建立氣流組織模擬的物理模型，并對其進(jìn)行適當(dāng)簡化，對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定Fluent軟件中的參數(shù)設(shè)置，應(yīng)用Fluent軟件，對常見的四種氣流組織形式進(jìn)行模擬計(jì)算。 5、對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論。 2 空調(diào)房間的氣流組織形式 2.1 氣流組織的介紹 狹義的氣流組織指的是上（下、側(cè)、中）送上（下、側(cè)、中）回或置換送風(fēng)、個(gè)性化送風(fēng)等具體的送回風(fēng)形式，即氣流組織形式；廣義的室內(nèi)氣流組織，是指一定的送風(fēng)口形式和送風(fēng)參數(shù)所帶來的室內(nèi)氣流分布。 經(jīng)過一定處理過后的空氣，經(jīng)過空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入空調(diào)房間，與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱濕交換后由回風(fēng)口排出。顯然，空調(diào)房間的速度場、溫度場的均勻性和穩(wěn)定性與室內(nèi)空氣的流動(dòng)情況密切相關(guān)。氣流組織設(shè)計(jì)的目的就是合理的組織室內(nèi)空氣的流動(dòng)和分布，使室內(nèi)工作區(qū)空氣的溫度、濕度、風(fēng)速和潔凈度能更好地滿足室內(nèi)人員的舒適感要求。只有合理的氣流組織才能充分發(fā)揮送風(fēng)的冷卻和加熱作用，均勻地消除室內(nèi)的冷(熱)、濕負(fù)荷，并有效的排除有害物和懸浮在空氣中的灰塵,滿足室內(nèi)人員對新鮮空氣的需求。 好的通風(fēng)系統(tǒng)不僅要能夠給室內(nèi)體統(tǒng)一個(gè)健康、舒適的環(huán)境，而且要有很高的經(jīng)濟(jì)性。因此，根據(jù)室內(nèi)環(huán)境等的特點(diǎn)和需要，采取最恰當(dāng)?shù)耐L(fēng)系統(tǒng)和氣流組織形式，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效運(yùn)行，就顯得尤為重要。 2.2 常用的氣流組織形式 在實(shí)際工程中，常用的氣流組織形式有：側(cè)送側(cè)回、上送下回、上送上回、下送上回等。 2.2.1 側(cè)送側(cè)回 圖2-1 側(cè)送側(cè)回氣流分布 側(cè)送側(cè)回的送風(fēng)口布置在房間的側(cè)墻上部，氣流橫向送出，氣流吹到對面墻上后下落到工作區(qū)，以較低速度流過工作區(qū)，再通過布置在同側(cè)墻下方的回風(fēng)口排出。側(cè)送側(cè)回形式中，工作區(qū)處于回流區(qū)，由于氣流在到達(dá)工作區(qū)之前，已經(jīng)和房間內(nèi)空氣進(jìn)行了比較充分的混合，使房間內(nèi)速度場和溫度場都趨于均勻和穩(wěn)定，因此能保證工作區(qū)具有穩(wěn)定和均勻的氣流速度和溫度。 2.2.2 上送下回 圖2-2 上送下回氣流分布 這種氣流組織形式是將送風(fēng)口布置在房間上部，回風(fēng)口布置在下部。該氣流組織的優(yōu)點(diǎn)是送風(fēng)氣流不直接進(jìn)入工作區(qū)，有較長的與室內(nèi)空氣混摻的距離，能夠形成比較均勻的速度場和溫度場。 2.2.3 上送上回 圖2-3 上送上回氣流分布 這種氣流組織形式是將送風(fēng)口和回風(fēng)口布置都在房間上部，氣流能充分的流過工作區(qū)，對于那些因各種原因不能在房間下部布置回風(fēng)口的場合是相當(dāng)合適的。 2.2.4 下送上回 圖2-4下送上回氣流分布 這種形式的送風(fēng)口布置在下部，回風(fēng)口布置在上部，排風(fēng)溫度高于工作區(qū)的溫度，故具有一定的節(jié)能效果，同時(shí)有利于改善工作區(qū)的空氣質(zhì)量。對于室內(nèi)余熱量大，特別是熱源又靠近頂棚的場合，如計(jì)算機(jī)房，廣播電臺(tái)的演播大廳等，采用這種氣流組織形式是非常合適的，對于同側(cè)下送上回的氣流組織形式，氣流能吹過房間的每個(gè)角落，空調(diào)效果非常好。但是，下送方式要求降低送風(fēng)溫差，控制工作區(qū)內(nèi)的風(fēng)速。 3 氣流組織和室內(nèi)舒適性的評價(jià)指標(biāo) 對以人為主要服務(wù)對象的舒適性空調(diào)來說，其評價(jià)指標(biāo)主要有技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩個(gè)方面。對大多數(shù)空調(diào)房問來說，相對濕度在一定范圍內(nèi)(30％～70％)對人體的舒適性影響不明顯，因此可以忽略空調(diào)房間內(nèi)濕度的影響，其主要考慮空氣溫度和氣流速度綜合作用。下面簡要介紹一下常用的評價(jià)指標(biāo),包括不均勻系數(shù)、換氣效率、熱舒適性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及舒適性空調(diào)室內(nèi)空氣計(jì)算參數(shù)[10][13][14]。 3.1 技術(shù)指標(biāo) （1） 不均勻系數(shù) 不均勻系數(shù)即空調(diào)房間室內(nèi)的溫度和風(fēng)速等參數(shù)的不均勻性，該方法是在室內(nèi)工作區(qū)內(nèi)選取n個(gè)測點(diǎn)，分別測得各點(diǎn)的風(fēng)速和溫度，求其算術(shù)平均值和均方根偏差，再求不均勻系數(shù)和 和 和 和 式中：n——測點(diǎn)數(shù) ——工作區(qū)測點(diǎn)的速度 ——n個(gè)測點(diǎn)的速度算數(shù)平均值 ——n個(gè)測點(diǎn)的溫度算數(shù)平均值 ——n個(gè)測點(diǎn)的速度均方根偏差 ——n個(gè)測點(diǎn)的溫度均方根偏差 有由上面的定義式可見，，越小，表示氣流分布的均勻性越好。 （2） 換氣效率 換氣效率是衡量換氣效果優(yōu)劣的一個(gè)指標(biāo)，是氣流自身的特性參數(shù)，與污染物無關(guān)?？疾禳c(diǎn)換氣效果的優(yōu)劣取決于該點(diǎn)的局部平均空氣年齡(空氣年齡指空氣質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入房間起至達(dá)到某點(diǎn)所需經(jīng)歷的時(shí)問)。因此，換氣效率可定義為理論上最短的換氣時(shí)間與實(shí)際換氣時(shí)間之比。 換氣效率定義式： 式中：——室內(nèi)空氣理論上的最短換氣時(shí)間 ——實(shí)際換氣時(shí)間 ——室內(nèi)平均空氣齡 根據(jù)換氣效率的定義式可知，對于理想的活塞流，=/2，為100%；全面孔板送風(fēng)，ζ≈100%；對于混合流，=，為50%。當(dāng)換氣效率在50%以上時(shí)，認(rèn)為該氣流組織有較好的換氣效率。換氣效率低于50%的送風(fēng)系統(tǒng)在一定程度上意味著短路送風(fēng)。由于≧/2，所以換氣效率的值都在0~100%之間。即除單向流送風(fēng)外，任何送風(fēng)方式的換氣效率都小于1 （3） 熱舒適性指標(biāo) 常見的熱舒適指標(biāo)有；有效溫度ET、吹風(fēng)感、和PMV—PPD指標(biāo)。 (1)有效溫度ET(Effective Temperature)的定義是“將干球溫度、濕度、空氣流速對人體冷熱感的影響的綜合數(shù)值，該數(shù)值等效于產(chǎn)生相同感覺的靜止飽和空氣的溫度”。但有效溫度存在的缺陷是過高的估計(jì)了濕度在低溫下對涼爽和舒適狀態(tài)的影響。應(yīng)用最廣并成為ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)55—74中舒適指標(biāo)的是新有效溫度ET。ET指標(biāo)被定義為一個(gè)相對濕度為50％的等濕環(huán)境中的當(dāng)量干球溫度。該指標(biāo)只適用于著裝輕薄，活動(dòng)量小，風(fēng)速低的環(huán)境下。 (2)吹風(fēng)感有效吹風(fēng)感或稱有效吹風(fēng)溫度θ的定義： 建議的舒適標(biāo)準(zhǔn)是： v<0.35 式中：——室內(nèi)空氣溫度，℃ ——吹風(fēng)的溫度，℃ V——吹風(fēng)的速度，m/s （3）PMV—PPD指標(biāo) PMV—PPD指標(biāo)，是目前世界上廣泛采用的室內(nèi)環(huán)境舒適性評價(jià)指標(biāo)，ISO 7730對PMV—PPD指標(biāo)的推薦值為：PPD<10%,即PMV值在-0.5～+0.5之間，相當(dāng)于在人群中允許有10%的人感覺不滿意。 3.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 能量利用系數(shù)β是評價(jià)氣流組織的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，放映了投入能量的利用程度，其定義為： 式中： ——送風(fēng)溫度 ——工作區(qū)設(shè)計(jì)溫度 ——排風(fēng)溫度 當(dāng)=時(shí)，β=1.0.氣流在室內(nèi)進(jìn)行熱交換，吸收余熱量后達(dá)到室內(nèi)溫度，并排出室外。 當(dāng)>時(shí) ，β>1.0，氣流吸收部分余熱達(dá)到室內(nèi)溫度、且能控制工作區(qū)的溫度，且排風(fēng)溫度高于室內(nèi)溫度，經(jīng)濟(jì)性良好。 當(dāng)<時(shí) ，β<1.0，送風(fēng)投入的能量沒有得到完全利用，使得工作區(qū)內(nèi)的溫度高于排風(fēng)溫度，經(jīng)濟(jì)性較差。 3.3 舒適性空調(diào)室內(nèi)空氣計(jì)算參數(shù) 根據(jù)我國《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50019-2003）的規(guī)定，舒適性空調(diào)室內(nèi)空氣計(jì)算參數(shù)如下表[14] 表3-1 空調(diào)房間舒適性的計(jì)算參數(shù) 參數(shù) 夏季 冬季 溫度（℃） 22～28 18～24 相對濕度（%） 40～65 30～60 風(fēng)速（m/s） ≤0.3 ≤0.2 4 空調(diào)房間的數(shù)值模擬過程 4.1 物理模型的建立 以天津市某一辦公室空調(diào)房間為研究對象，辦公室長X寬X高=6mx4mx3m，送風(fēng)口尺寸為0.3mx0.3m，回風(fēng)口尺寸為0.5mx0.5m，窗戶朝南，窗戶尺寸為2mx1.2m,距離地面1m，距離兩邊墻面各2m。辦公室按4人辦公布置，四套桌椅、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等辦公設(shè)備，四盞熒光燈。不改變房間送、回風(fēng)口的尺寸、形式、數(shù)量和送風(fēng)口的送風(fēng)參數(shù)，也不改變房間內(nèi)的任何設(shè)置，僅通過改變送、回風(fēng)口的位置來改變氣流組織形式。室內(nèi)辦公桌長1m，寬0.75 m，高0.65 m；電腦長寬高均為0.4 m，每臺(tái)電腦散熱量為360W；熒光燈長1.2 m，寬0.1m，高忽略不計(jì)，每盞熒光燈散熱量為35W；每人散熱量為75 W。打印機(jī)不常用，散熱量忽略。人座在電腦前，室內(nèi)無走動(dòng)。為了簡化模型，在模型中，我把每兩人的辦公桌椅電腦和打印機(jī)合在了一起，長2m,寬1m，高0.65m。 在使用Gambit繪制模型過程中，我直接建立房間的體，在房間體的基礎(chǔ)上在建立面，分別表示送風(fēng)口，回風(fēng)口，燈和窗戶，在房間體里面建立兩個(gè)小的體表示桌椅，電腦和人等，再把小的體切除。 四個(gè)氣流組織的物理模型圖如下 熒光燈 南墻 窗戶 人、電腦和桌子 回風(fēng)口 送風(fēng)口 圖4-1 側(cè)送側(cè)回 圖4-2 異測下送上回 圖4-3 上送上回 圖4-4 上送下回 圖4-1側(cè)送側(cè)回模型中送風(fēng)口距離房頂0.25m，回風(fēng)口距離地面也是0.25m。送回風(fēng)口都被Y=2000mm的面平分，窗戶設(shè)置在南墻上，距離地面1m，距離兩邊墻面各2m。桌子距離Y軸1.5m。距離X軸1m。兩桌子間距1m。熒光燈均勻布置在桌子正上方。在以上的四個(gè)氣流組織模型中，只有送回風(fēng)口的位置改變，其他物體位置一定。而且送/回風(fēng)口距離房頂或地面的距離都是0.25m。 4.2 網(wǎng)格的劃分 我所建立的模型是規(guī)則的長方體模型，因此取整個(gè)空調(diào)房間為計(jì)算區(qū)域，在笛卡爾直角坐標(biāo)系下使用0.08m0.08m0.08m的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)總計(jì)137300個(gè)，模型如下圖，數(shù)值模擬采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。 圖4-5 網(wǎng)格劃分的模型圖 4.3 數(shù)學(xué)模型 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的氣流流動(dòng)為不可壓流體的定常流動(dòng), 滿足質(zhì)量守恒定律, 動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律，各微分方程如下[20] 1）連續(xù)性方程 對不可壓縮均質(zhì)流體，密度為常數(shù)，有 式中：ui為i 方向的速度 2） 動(dòng)量方程 式中： 為流體密度；P 為靜壓；為應(yīng)力張量；為i方向的體積力；Fi 為由熱源等引起的源項(xiàng) 式中：μ 為動(dòng)力粘度, 式（3）右邊第二項(xiàng)是體積擴(kuò)散的影響。 3） 能量守恒方程 式中：，為有效導(dǎo)熱系數(shù)；是組分j 的擴(kuò)散流量，方程右邊的前三項(xiàng)分別為導(dǎo)熱項(xiàng)、組分?jǐn)U散項(xiàng)和粘性耗散項(xiàng)；是化學(xué)反應(yīng)熱和其他體積熱源； 4） 標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型 式中：表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；表示由于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；表示可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對總的擴(kuò)散率的影響；湍流粘性系數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，主要是基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率。K方程是個(gè)精確方程，ε方程是個(gè)由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。k-ε模型假定流場完全是湍流，分子之間的粘性可以忽略。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型因而只對完全是湍流的流場有效 采用k-ε三維紊流模型方程，為簡化問題作出如下假設(shè)， 1.室內(nèi)空氣低速流動(dòng)，為不可壓縮流體且符合Boussinesq 假設(shè)，即流體密度變化僅對浮升力產(chǎn)生影響。 2.氣體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。 3.忽略固體壁面間的熱輻射。 4.不考慮門的影響，不考慮通過窗戶的太陽輻射。 5.假設(shè)流場具有高紊流Re數(shù)，流體的紊流粘性具有各向同性。 6.不考慮漏風(fēng)的影響，即房間氣密性良好。 4.4 在Fluent里的參數(shù)設(shè)置 在Gambit中設(shè)置好邊界條件生成mesh文件，再在Fluent中打開mesh文件，按照幫助軟件中的例題步驟進(jìn)行操作，并按照下列表格中的數(shù)值進(jìn)行設(shè)置[15]。 1.解算器的設(shè)置 設(shè)置參數(shù) 三維(3D) 穩(wěn)態(tài)(steady) 獨(dú)立的(Segregat) 隱式的（Implicit） 絕對坐標(biāo)(Abosolute) 流動(dòng)方程(Flow) 能量方程(Energy) 2. 材料屬性的設(shè)置 材料名稱 熱工屬性 單位 設(shè)置參數(shù) 空氣 密度 Kg/m 1.225 定壓比熱 J/(kgK) 1006.43 導(dǎo)熱系數(shù) W/(mK) 0.242 運(yùn)動(dòng)粘度 Kg/(ms) 1.7894e-05 3.運(yùn)行條件的設(shè)置 設(shè)置項(xiàng)目 單位 邊界條件設(shè)置值 工作壓力(operatingpressure) Pa 101325 參考?jí)毫ψ鴺?biāo)(Refrence Pressure Locatiao) m X=0,y=0,z=0 重力加速度(Grayity) N/kg 9.8 4.計(jì)算精度的設(shè)置 計(jì)算殘差項(xiàng)目 計(jì)算殘差設(shè)置 continuity 1e-05 X-velocity 1e-05 y-velocity 1e-05 Z-velocity 1e-05 energy 1e-06 k 1e-05 epsilon 1e-05 5.邊界條件的設(shè)置 邊界名稱 類型 設(shè)置項(xiàng)目 單位 設(shè)置值 空氣(air) 流體（Fluid） 材料 空氣 送風(fēng)進(jìn)口 (airinlet) 速度進(jìn)口(volocity-inlet) 速度 m/s 3 溫度 k 292 送風(fēng)出口 (airoutlet) 壓力出口 (pressure- outlet) 溫度 k 300 相對壓力 Pa 0 南墻 壁面(wall) 熱流密度 W/㎡ 7.17 其余墻體 壁面(wall) 熱流密度 W/㎡ 0 窗戶 壁面(wall) 熱流密度 W/㎡ 199.58 燈 壁面(wall) 熱流密度 W/㎡ 145.83 人和電腦 壁面(wall) 熱流密度 W/㎡ 115.23 4.5 解算結(jié)果及后處理 本論文在Fluent軟件中設(shè)定好參數(shù)和邊界條件后，就進(jìn)行控制方程的迭代計(jì)算。經(jīng)過迭代多步之后，計(jì)算過程的殘差圖如下 圖4-6 計(jì)算殘差圖 5 數(shù)值模擬結(jié)果分析 本論文由于技術(shù)原因，對于四種氣流組織的模擬結(jié)果和室內(nèi)舒適性的評價(jià)，只按照舒適性空調(diào)室內(nèi)空氣計(jì)算參數(shù)的規(guī)定和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行分析。人體工作區(qū)在Z=0mm到Z=1000mm之間。 5.1 側(cè)送側(cè)回的結(jié)果及分析 圖5-1 Y=2000mm時(shí)的速度矢量圖 圖5-2 Y=2000mm時(shí)的速度分布圖（m/s） 圖5-3 Y=2000mm時(shí)的溫度分布圖（K） 圖5-2示出了X-Z截面上Y=2000mm時(shí)的速度示意圖。從圖上可以看出，空調(diào)房間的氣流在入射風(fēng)口貼附射流的形狀，射流區(qū)流程不斷擴(kuò)大，射流的速度的衰減程度就減慢，氣流射流到對面墻體上后向下流動(dòng)，經(jīng)過工作區(qū)，由于射流的卷吸作用，在工作區(qū)形成了漩渦區(qū)，在工作區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速0.059m/s～0.38m/s,略大于0.3m/s，基本符合規(guī)范。 圖5-3示出了X-Z截面上Y=2000時(shí)的溫度示意圖。從圖上可以看出，房間內(nèi)存在一定的溫度分層，房間上部的溫度較低，下部的溫度較高，在人體工作區(qū)的溫度范圍是296.86K～298.84K，符合舒適性空調(diào)室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范（295K～301K）。由經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)的定義式可得，在側(cè)送側(cè)回形式下，工作區(qū)的溫度遠(yuǎn)小于排風(fēng)溫度，β>1.0，送風(fēng)吸收部分余熱達(dá)到室內(nèi)溫度且能控制工作區(qū)的溫度，而排風(fēng)溫度可以高于室內(nèi)溫度，經(jīng)濟(jì)性好。 5.2 異測下送上回的結(jié)果及分析 圖5-4 異測下送上回Y=2000mm時(shí)的速度矢量圖 圖5-5 異測下送上回Y=2000mm時(shí)的速度分布圖（m/s） 圖5-6 異測下送上回Y=2000mm時(shí)的溫度分布圖 圖5.4 是異測下送上回X-Z截面上Y=2000時(shí)的速度示意圖。從圖上可以看出，在入射風(fēng)口前方呈受限射流的形狀，氣流受到了辦公桌的阻擋，氣流受阻后向房頂方向射流，射流區(qū)流程不斷擴(kuò)大，射流的速度的衰減程度就減慢。人體工作區(qū)處在回流區(qū)，速度分布范圍：0.029m/s～0.33m/s,略大于設(shè)計(jì)規(guī)定。但是在圖左邊的辦公桌的人員腳部可能會(huì)感到風(fēng)速較大。 人體工作區(qū)域的溫度范圍：295.60K～300.28K。符合設(shè)計(jì)規(guī)定，說明該氣流組織對于此房間的溫度調(diào)節(jié)效果很好。從圖中不難看出，在兩個(gè)辦公桌之間的等溫線比較密集，這是因?yàn)?，人體和電腦都是熱源，向外散發(fā)熱量。異側(cè)下送上回的β>1.0，經(jīng)濟(jì)性好。 5.3 上送上回的結(jié)果及分析 圖5-7 上送上回Y=2000mm時(shí)的速度矢量圖 圖5-8上送上回Y=2000mm時(shí)的速度分布圖 圖5-9上送上回Y=2000mm時(shí)的溫度分布圖 由圖5-8所示，空調(diào)房間的氣流在入射風(fēng)口附近的地方呈手半受限射流的形狀，在房間頂層附件形成貼附射流，射流中心的速度不斷衰減，在射流的尾部時(shí)速度為0.56m/s，氣流在人體工作區(qū)形成小漩渦，人體處在回流區(qū)，吹過人體的風(fēng)速為0.03m/s～0.30m/s,滿足設(shè)定的風(fēng)速要求（≤0.3m/s）。人體工作區(qū)的溫度范圍：298.29K～301K。也滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)濟(jì)型評價(jià)：工作區(qū)的溫度高于排風(fēng)溫度，β<1.0，投入的能量沒有得到完全的利用，經(jīng)濟(jì)性較差。 5.4 上送下回的結(jié)果及分析 圖5-10上送下回Y=2000mm時(shí)的速度矢量圖 圖5-11 上送下回Y=2000mm時(shí)的速度分布圖 圖5-12上送下回Y=2000mm時(shí)的溫度分布圖 圖5-11所示，上送下回速度的分布圖與上送上回的速度分布圖相似，都是氣流在入射風(fēng)口附近的地方呈貼附射流的形狀，在房間頂層附件形成貼附射流，射流中心的速度不斷衰減，在半受限射流的尾部時(shí)速度為0.38m/s，人體同樣處在回流區(qū)，工作區(qū)速度范圍：0.05m/s～0.36m/s，比規(guī)定范圍微大。溫度范圍：298.29K～301.36K。在設(shè)計(jì)規(guī)定范圍內(nèi)。經(jīng)濟(jì)型評價(jià)：由于工作區(qū)的溫度高于排風(fēng)溫度，β<1.0，投入的能量沒有得到完全的利用，經(jīng)濟(jì)性較差。 結(jié) 論 本文運(yùn)用Fluent對夏季空調(diào)房間常見的四種氣流組織方式進(jìn)行了模擬及分析，通過數(shù)值模擬的方法，可以直觀的圖中看出房間內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的溫度和風(fēng)速，進(jìn)而可以對整個(gè)空調(diào)房間內(nèi)溫度分布和速度分布進(jìn)行全面的分析和評價(jià)。這表明了計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件FLUENT在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的通風(fēng)方案優(yōu)化和預(yù)測方面的應(yīng)用是可行的?？照{(diào)房間內(nèi)的空氣的流場取決于送、回風(fēng)口位置和送風(fēng)射流。送/回風(fēng)口設(shè)置在房間內(nèi)的位置不同，空氣的流場就不相同。在Fluent運(yùn)行過程中，調(diào)整松弛因子能使計(jì)算殘差圖收斂得更好。 側(cè)送側(cè)回是送風(fēng)口以貼附射流形式進(jìn)行送風(fēng)，射流有足夠的射程能夠送到對面墻上，工作區(qū)處在回流區(qū)，氣流在整個(gè)房間截面內(nèi)形成一個(gè)大的回旋氣流，房間內(nèi)的有害氣體可以隨著氣流的擠壓流動(dòng)由回風(fēng)口排出。由于送風(fēng)射流在到達(dá)工作區(qū)之前，已與房間空氣進(jìn)行了比較充分的混合，速度場和溫度場都趨與均勻和穩(wěn)定。 異側(cè)下送上回方式本是一個(gè)倒置的貼附射流，但由于本文的模型設(shè)計(jì)，使得它成為了一個(gè)半受限射流，氣流由送風(fēng)口進(jìn)人房間后，由于桌子的阻擋，氣流向上運(yùn)動(dòng)。但是經(jīng)過模擬分析，發(fā)現(xiàn)這種氣流組織形式能夠有效的清除余熱，使得工作區(qū)的溫度和速度都能滿足設(shè)計(jì)要求。 上送上回方式就是典型的貼附射流形式，氣流進(jìn)人房間后，開始擴(kuò)散，由于重力的影響，有部分氣流向下擴(kuò)散進(jìn)人工作區(qū)。由于氣流不是直接吹過工作區(qū)，工作區(qū)風(fēng)速較低，室內(nèi)人員無吹風(fēng)感，而且工作區(qū)的溫度和速度較為穩(wěn)定。對于那些由于各種原因不能在房間下部布置風(fēng)口的場合是相當(dāng)適合的。 上送下回也是貼附射流形式，送風(fēng)氣流不直接進(jìn)入工作區(qū), 有較長與室內(nèi)空氣混摻的距離, 能夠形成均勻的溫度場和速度場。 綜合以上的模擬和分析，我認(rèn)為對于辦公室等類似的空調(diào)房間，以上的四種氣流組織都比較適合的。但是側(cè)送側(cè)回和上送上回的氣流組織形式更優(yōu)。 參 考 文 獻(xiàn) [1]魏潤柏．通風(fēng)工程空氣流動(dòng)理論．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1981 [2]周力行．湍流兩相流動(dòng)與燃燒的數(shù)值模擬．北京：清華大學(xué)出版社，1991 [3]巨永平，馬九賢．氣流運(yùn)動(dòng)及其與熱舒適關(guān)系研究的進(jìn)展與評述.暖通空調(diào)，1999(4):27～30 [4]王海英，連之偉等．下送風(fēng)氣流組織影響因素的實(shí)驗(yàn)研究．暖通空調(diào)，2002，32(5)：20～22 [5]王海英.下送風(fēng)空調(diào)氣流組織的實(shí)驗(yàn)研究：[碩士學(xué)位論文]．西安：西安建筑科技大學(xué)，2000 [6]王偉．幾種房問送、回風(fēng)方式的空氣齡評價(jià)：[碩士學(xué)位論文]．天津：天津大學(xué)，2001 [7]Chen 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