高大空间气流组织优化研究

高大空间气流组织优化研究目 录摘 要2Abstract3第一章 绪论41.1 论文研究的背景和意义41.2 大空间建筑分层空调技术51.2.1 大空间建筑分层空调技术介绍51.2.2 大空间建筑分层空调的目的和意义51.3 国内外分层空调技术的研究现状61.3.1 国外分层空调研究现状61.3.2 国内分层空调研究现状71.3.3 数值模拟研究现状81.4 课题研究内容和目标8第二章 CFD软件和正交试验的介绍92.1什么是CFD92.1.1 CFD的求解步骤33102.1.3 CFD技术的意义102.2PHOENICS模拟软件简介102.3 正交试验法简介122.2.1什么是正交试验法34122.2.2正交试验法的试验方法132.2.3正交实验的分析方法35142.3本章小结15第三章 厂房空调系统和模型建立153.1厂房基本概况153.2厂房的空调系统153.2.1空调设计基础资料153.2.2风速和温度的要求163.2.3室内负荷163.3厂房物理模型的建立163.3.1基本模型163.3.2模型简化173.3.3 风口模型183.3.4网络的划分183.4本章小结19第四章 模拟结果及分析194.1 夏季工况的计算194.1.1夏季正交表的建立194.1.2夏季边界条件的设置204.2夏季分层空调气流组织模拟结果分析214.2.1分层空调气流组织特性分析214.3 夏季工况计算结果254.4冬季工况的计算结果274.4.1冬季边界条件的确定274.4.2分层供暖气流组织模拟结果分析274.4.3冬季工况计算的计算总结果294.5本章小结30第五章 室内热环境和参数影响因素分析305.1送风速度305.1.1夏季送风速度的影响305.1.2 冬季送风速度的影响325.2送风角度345.3送风温度375.4本章小结38结 论39致 谢40参考文献40高大空间气流组织优化研究摘 要在进行大空间分层空调设计时，确定合理地对流热转移量和预测不同设计方案的空调效果一直是设计人员的难题。本文通过采用CFD数值模拟与经验公式相结合的方法研究高大空间分层空调的对流热转移量，并对设计参数进行了敏感性分析。研究以北京地区某大型机械加工厂房分层空调为对象，根据建筑的实际几何尺寸以及空调设计参数，建立厂房分层空调设计方案下的计算模型，采用PHONEIC软件对分层空调设计方案进行了三维数值模拟研究。本文针对夏季分层空调设计方案，详细分析了分层空调气流分布特性和送风机理，并对不同分层空调方案下的温度场、速度场合不同影响因素进行了分析。本文突出冬季工况下通过控制送风射流下边界高度和射流搭接高度来选择适合的送风角度，讨论送风角度、送风速度、送风温度对实现分层供暖、抑制对流热转移的影响。研究结果表明：本文模拟计算的结果基本符合文献4的曲线，可以用来计算分层空调对流热转移负荷，也证明利用CFD软件方法来研究大空间分层空调对流热转移的可行性；通过适合的分层供暖气流组织，可以使热射流充分作用于供暖去，抑制大空间上下部分之间的热对流，真正起到分层供暖的目的。关键词： 分层空调；数值模拟；正交试验；气流组织；CFD44Airflow Optimization of Large Spac ResearchAbstractDuring the design of stratified air conditioning in a large space, how to determine the load of convecting heat transfer and air condition result of different design has been the difficulties to the designers .The load of convecting heat transfer is researched by adopting the meathod of combination of CFD numerical simulation and empirical formula, an carries on sensitivity analysis to the design parameters in this thesisWe choose a large machine workshop in Beijing area of the object. This dissertation builds computational models under the stratified air conditioning design schemes according to the real geometry size of the building and the calculative parameter of the air conditioning. And the PHONEIC software is used to realize the three-dimensional simulation of the temperature field and velocity field under the different air distributions.Based on the stratified air conditioning of the summer design ,detailed analysis of distribution of air flow and wind mechanism under the stratified air conditioning is given. The temperature field ,speed field ,the load of convecting heat transfer and the influencing factors are analysised under the model of different projects. Choosing the reasonable air supply angle is proposed in this paper through controlling the altitude of the low border of supply jet and the joining of jet flow. Discuss the effects of the air supply angle, air supply rate , air supply temperature difference to achieve stratified air conditioning ,inhibit convective heat transfer. The research results show that the simulation results in this paper are broadly in line with the return of the experimental curves in literature 4, that can be used to calculate the load of convecting heat transfer of stratified air conditioning ,it also shows the feasibility of convencting heat transfer of stratified air conditioning in large spaces full role in the heating area , inhibit thermal convection between the upper and lower in large space , serve the purpose of stratified heating. Keywords: stratified air conditioning; numerical simulation ; air distribution; Orthogonal experimental ; CFD 第一章 绪论1.1 论文研究的背景和意义由于地球气候的改变和人们对自身追求的提高，人们越来越关注自身居住和生活环境。所以大空间建筑的数量正在急剧增加。大空间建筑普遍具有以下的特点：高度较高，体积较大，内热源庞大，空调负荷大，能源消耗大等1,2，这些特点使得在用一般空调下的大空间建筑循环风量大，冷量大、耗电量大，造成了相当大的能源股浪费。由于大空间建筑高度较高，热分层现象比较明显，每年由于没有充分考虑热分层作用，而使得空调负荷过高估计值高达45.5% 3。因此，良好的室内热环境和能耗的节约与建筑内部保持合理的气流组织有着重要的联系。对于高大空间室内空调方式，从保证人体舒适度和节省空调能耗两个方面考虑，大空间建筑室内空调一般采用“分层空调”较好，“分层空调”的气流将大空间室内空气隔断成上下两个部分，它仅对下部工作区域进行空调，而对上部空间不进行空调或只进行通风排热的空调方式，从而降低空调的冷负荷、减小设备大小，节省设备投资和运行费用，与其他空调方式相比，其对能源的节约效率可以达到15%-40% 3。但是，由于分层空调气流方式的独特性和大空间建筑本身受到很多方面的因素的干扰，其最大难点在于难以准确有效地预测空间内气流的流动情况，无法在设计阶段估计出室内空气温度与速度分布。目前，主要通过以下四种方法来研究分层空调室内空气的分布情况：经验公式法、模型试验法、简易能量平衡模型法和微分方程数值求解法。经验公式法仅能得出总参数信息，不能给出详细资料，因此无法用于分析多组合气流；模型试验法成本高、耗时多、任务量大，而且对模型的选择要求高，若是选择的模型和适当会造成实验的错误；简易能量平衡模型法是假设每个控制参数都一致，通过建立能力方程而得出空调的各个参数，但是这只是一个相对准确的总结果；微分方程数值求解法师根据计算流体力学和计算传热学的基础理论，建立合理的数学模型和物理模型，然后借助于商业软件（FLUENT、Airpak等）进行三维数值模拟。其优势在于：可以应用范围较广，具有模拟真实条件的能力，耗时少、成本低、速度快，可以得到较为详细的空气分布6。1.2 大空间建筑分层空调技术1.2.1 大空间建筑分层空调技术介绍在大空间建筑空调设计中广泛采用的空调技术是分层空调，即在大空间中，利用合理的气流组织仅对大空间建筑室内的工作区域进行通风空调，而对于非工作区域不进行空调，非空调区和空调区域以大空间腰部喷口送风形成的射流层作为分界线。大空间建筑分层空调使用的气流组织形式主要有四种：带空气幕的双侧对喷下部排风；双侧对喷上、下不排风；双侧对喷上、下部排风中部一次回风；双侧对喷上、下部排风中部送新风。这种技术应用的基本原则是：供冷时，冷风只送到工作区域，此外利用室外空气或回风以分隔形成上部非空调空间，或用于满足消防排烟只需；供暖时，送风温差小，且应送到工作区。采取这些措施后，空调负荷可以减少30%-40% 5。1.2.2 大空间建筑分层空调的目的和意义分层空调的设计中，气流组织非常重要，他直接与空调效果有关。只要将空调区域的气流组织设计分部的适合，就能在满足工作区域空调要求的同时，最大限度节约空调负荷，减小空调设备容量并节省设计运转费用。大空间建筑分层空调主要是通过多股平行非等文射流形成的气流，可以将大空间分成两个部分。对于圆形射流，如图1-1，射流在一段时间后，各单股射流受到以其邻近的射流相互作用，在A点后发生干扰，并相互重叠，汇聚成一片气流。多股射流间的重合现象，是引起空调区域气流组织的变化的原因。由于在干扰点以后，空气卷吸作用受到限制，因此汇合后射流的轴心落差，温度衰减、速度衰减都比之前的单股射流缓慢。 图1-1射流干涉图分层空调与其他全室空调的基本区别在于它的气流的独特性。分层空调的气流组织实际上是单侧喷口或双层对喷的方法来限制室内的射流，同时伴随非空调区域的通风气流组成三维流动，这种气流组织形式复杂，流动空间大，同时受到内外干扰、送风参数、送风方式等因素的影响，对了达到大空间建筑在具有良好的热环境的同时还要节约能源，所以要对大空间室内气流组织影响因素的研究室非要重要的。1.3 国内外分层空调技术的研究现状1.3.1 国外分层空调研究现状20世纪60年代初分层空调技术起源于美国。1964年，分层空调技术应用与美国纽约万国博览会的通用电器公司展览馆；1968年，分层空调技术应用与前苏联的格林维尔燃气轮机厂和维尔明顿反应堆燃料加工厂。20世纪70年代日本开始应用研究分层空调技术，同时美国开始从理论上研究分层空调的冷负荷计算法。1974，小林满等对神户大型精密机械加工装配车间分层空调进行可现场测试，并将模型试验和现场测试结果进行对比，取得了良好的效果，并得出该工程应用分层空调技术使得冷负荷节约38%9。1979年，美国堪萨斯大学的L.Gorton和D.Ball等分别研究了分层空调的气流组织和冷负荷情况，他们用简易的数学模型进行了分析，但他们所得的研究结果与实际情况有一定的差距，难以应用到实际情况中8。20世纪80年代以后，分层空调技术在日本高大民用建筑中开始广泛的应用。如：1982年，滨松旅馆的开启式中庭应用了分层空调；1988年竣工的扎幌后乐园宾馆、1989年竣工的日本会议中心之幕张国际展示场采用的都是分层空调系统。以及2004年雅典奥运会体育馆用的是分层空调系统35。日前，国外对分层空调技术的研究，主要采用两种方法。一种是根据相似理论进行的模型试验。它可以验证设计需要达到需求，同时应用气流观察试验作为直观的识别手段。另一种是采用气流数值模拟，利用计算机的大容量化和高端化以及计算流体力学的发展，使用紊流模型k-型基本方程和差分法进行三维紊流数值分析，对复杂的大空间的气流分布可获得其风俗分布和速度矢量分布。此外，通过对室内空气和热流动的综合解析，还可以对大空间内的温度场以及空间PMV值分布进行模拟，如东京国际Forum的中庭设计就采用了该方法3。1.3.2 国内分层空调研究现状20世纪70年代以后，我国开始应用分层空调技术。1976年，南京汽轮电机厂二主车间是我国首次采用分层空调系统。1977年，天津第一机床厂和西安变压器厂再次采用了分层空调系统。1978年，葛洲坝水电站主机房也采用了分层空调系统29。20世纪80年代分层空调技术的应用得到了发展，分层空调系统的优越性也得到了初步验证。1983年，二江水电站主厂房发电机房采用了分层空调系统，经过现场测试验证，空调效果良好，节约冷量较全室空调高达32%。1988年，北京二七机车厂的柴油机组厂房采用了分层空调系统，经运行和测试表明，分层空调技术在节约能源和减少初投资方面具有一定的意义2930。20世纪90年代分层空调技术开始应用在高大民用建筑中。1991年竣工的葛洲坝大江电站主厂房发电机房，1995年坤宫的珠海机场的候机楼，1998年竣工的深圳国际机场的候机大厅，1999年竣工的首都集成的候机大厅，2008年竣工的南京会展中心展厅，2009年竣工的新武汉火车站候车大厅，都采用了分层空调技术29,31,32。1.3.3 数值模拟研究现状CFD数值模拟中采用的数学模型主要是零方程模型，k-双方程模型、DSM模型、ASM模型、LES模型等。k-模型也称高Re数k-模型，适用于离地面一定距离的湍流区域。对于大空间低Re数非等温气流计算，由于浮升力作用，在垂直方向产生较大的温度梯度，这种温度分层现象是紊流有所减弱，因此会产生较大的误差22。20实际70年代中期，Launder和Spalding等提出了将雷诺应力做时均处理是的k-湍流模型，这一研究的湍流数值模拟与求解领域中取得了巨大的成就。近几年DMS模型和ASM模型得到很大的发展，他们直接从雷诺应力输送方程中得到雷诺应力，湍流模型各向异性，这一研究能充分反映湍流结构特性。ASM模型简单、计算量好，同时保留了雷诺运输模型的基本特征，被逐渐应用到室内热环境中8。1.4 课题研究内容和目标由于大空间建筑的种类和功能的不同，空调系统所要达到的室内热环境参数也就不同。因此，研究各种影响因素对高大空间分层空调的温度分布、速度分布以及热舒适性的影响对大空间分层空调的设计、对已有建筑进行合理改造以及直到分层空调系统的有效运行都具有重要的意义。本论文研究的是模拟北京某大空间厂房的空调房间在夏季和冬季运行工况下室内热环境和冷负荷大小，接下来通过改变送风的角度、送风温度和送风速度，保持其他的因素不变，通过正交试验方法进行多次模拟，得出一个较为适合的送风条件。具体内容包括以下方面：1 根据工厂的气象参数建立合理的工厂分层空调系统的物理模型；2 针对夏季分层空调方式设计大空间建筑内的边界条件，改变送风的条件，进行多次模拟试验。通过分析实验的结果，来得到一个最适以该工厂夏季的送风方式；3 针对冬季分层空调方式设计大空间建筑内的边界条件，改变供暖的条件，进行多次模拟试验。通过分析实验的结果，来得到一个最适以该工厂冬季的供暖方式；4 综合分析模拟结果，得出对大空间厂房的设计及改造有意义的结论。第二章 CFD软件和正交试验的介绍2.1什么是CFDCFD是通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。基本思想是：把原来在时间及空间区域上连续的物理量的场，如温度和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上变量之间的代数方程式组，然后求解代数方程组获得的场变量的近似值。CFD利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，这其中涉及流体力学、计算方法以及计算机图像处理等技术33。CFD的几个主要环节：建立物理数学模型、数值算法求解、结果可视化。CFD软件种类多，结构大体一致，由前处理器、求解器和后处理器三大部分组成。各部分的作用如下33：前处理器：用于完成前处理工作，建立描述问题的几何模型，将计算区域划分为不同区域的子区域，形成网络，选择相应的控制方程，定义流体的属性参数指定计算边界的条件，即瞬态问题，指定初始条件。求解器：CFD的核心，借助简单的函数来近似待求得流动变量，将该近似关系代入连续型的控制方程，形成离散方程组，求解代数方程组，有限体积法是目前商用CFD软件广发采用的方法。后处理器：目的是有效的观察和分析流动计算结果。给出所计算参数（如温度场、速度场、压力场合浓度等）的可视结果和动画处理。2.1.1 CFD的求解步骤33（1）建立控制方程：解决问题的第一步；（2）确定边界条件和初始条件：对于瞬态问题，必须给定初始条件，对于稳态问题，可以不需要初始条件、边界条件和控制方程构成完成的数学模型；（3）划分计算网格；（4）建立离散方程：计算区域有限数量位置（网格节点或者网格中心点）上的变量值当做基本的位置量，建立一组关于这些未知量的代数组，求解方程，即为节点值；（5）离散初始条件和边界条件；（6）求解离散方程；（7）判断解的收敛性；（8）显示和输出计算结果。2.1.3 CFD技术的意义CFD技术应用在模拟大空间建筑的空调气流组织方面：为大空间建筑空调系统优化设计、预测气流组织和热舒适等方面，提供可高的结合实际工程的指导，对今后类似大空间建筑的空调工程设计具有借鉴作用，将莫宁应用到空调设计和研究中，反映行业的中道转变和进步，提高能源利用效率，为实现绿色建筑又迈进了一步18。2.2PHOENICS模拟软件简介本次模拟运用的CFD软件为PHOENICS，它是世界上第一套计算流体与计算传热学商业软件，其主要特点如下：1.开放性：PHOENICS最大限度地向用户开放了程序，用户可以根据需要任意修改添加用户程序和用户模型。PLANT及INFORM功能的引入使用户不再需要编写FORTRAN源程序，GROUND程序功能使用户修改添加模型更加任意和方便。In-Form：用户接口功能，完成用户数学表达式的输入，IF判断等功能。方便了用户控制自定义的边界条件、初始条件、材料物性等参数的输入。2.CAD接口：Phoenics可以读入任何CAD软件的图形文件。Shapemaker：三维造型功能。3.MOVOBJ：运动物体功能可以定义物体运动，避免了使用相对运动方法的局限性。4.大量的模型选择：20多种湍流模型，多种多相流模型，多流体模型，燃烧模型，辐射模型。5.提供了欧拉算法也提供了基于粒子运动轨迹的拉格朗日算法。6.计算流动与传热时能同时计算浸入流体中的固体的机械和热应力。7.VR（虚拟现实）用户界面引入了一种崭新的CFD建模思路。8.PARSOL（CUT CELL）：PHOENICS独特的网格处理技术，特别对于CAD图形的导入，网格能自动生成。9.软件自带1000多个例题，附有完整的可读可改的原始输入文件。10.PHOENICS专用模块：建筑模块（FLAIR）电站锅炉模块（COFFUS）11.自动收敛控制：无论输入参数是否充分和一致，都能保证结果具有较好的收敛效果。12.细网格：适合小范围内网格的精确划分。13.固体应力计算；前后处理有了较大改进；对所有模型均使用动态内存分配；初始数组的给定勿需再通过FORTRAN编译。14.在VR下，增加了新的物体类型（曲面、斜板）；增加了力的积分功能；监视点参数变化曲线。PHOENICS应用领域：能源动力 、两相和多相流、 航空航天 、传热传质、 化工、 燃烧、爆炸 、船舶水利 、化学反应 建筑、暖通空调、 流体机械、 冶金 、磁流体、 环境 、材料。2.3 正交试验法简介我们都知道如果有很多的因素变化制约着一个事件的变化，那么为了弄清各个因素对实验结果的影响，就必须通过进行试验验证，但是如果因素较多，而且每个因素又有很多种变化，那么实验量就非常巨大，每一个实验都去做的话需要大量的时间。正交试验法是一种能够很大程度上减少试验次数的方法，而且不会降低试验可行度的方法34。2.2.1什么是正交试验法34所谓正交试验法，就是指使用正交表来安排试验并进行数据分析的一种方法。按照正交表来安排实验，挑选的是有代表性的水平组合，所以试验点分布均匀，试验次数少，能反映全面的情况。通常用L行数（水平数因子数）来表示。因子：影响测试的元素，称为因子。水平：每个元素的取值，称为水平。取值是指：对元素值进行等价类划分后的不同等价类。L表示正交表，行数表示采用该正交表的试验次数。正交表的列为因子，行为试验次数，具有两个特点：1 每列各个数出现次数一样多；2 任意两列组成的有序数对出现次数一样多。正交表的类型：1 标准水平正交表：各个因子的水平相同；2 混合水平正交表：各个因子的水平不相同。正交试验法使用的范围：1 因子数大于等于3；2 水平数大于等于2。2.2.2正交试验法的试验方法首先需要选择一张和你的实验因素水平相对应的正交表，已经有数学家制好了很多相应的表，你只需找到对应你需要的就可以了。所谓正交表，也就是一套经过周密计算得出的现成的实验方案，他告诉你每次实验时，用那几个水平互相匹配进行实验，这套方案的总实验次数是远小于每种情况都考虑后的实验次数的。比如3水平4因素表就只有9行，远小于遍历试验的81次；我们同理可推算出如果因素水平越多，试验的精简程度会越高。如下表表2-1 3水平4因素正交表组数因素1因素2因素3因数4111112122231333421325221362321731238323193312建立好实验表后，根据表格做实验，然后就是数据处理了。由于试验次数大大减少，使得试验数据处理非常重要。首先可以从所有的实验数据中找到最优的一个数据，当然，这个数据肯定不是最佳匹配数据，但是肯定是最接近最佳的了。接下来将各个因素当中同水平的实验值加和(注:正交表的一个特点就是每个水平在整个实验中出现的次数是相同的)，就得到了各个水平的实验结果表，从这个表当中又可以得到一组最优的因素，通过比较前一个因素，可以获得因素变化的趋势，指导更进一步的试验。各个因素中不同水平试验值之间也可以进行如极差、方差等计算，可以获知这个因素的敏感度等等，还有很多处理数据的方法。然后再根据统计数据，确定下一步的试验，这次实验的范围就很小了，目的就是确定最终的最优值。当然，如果因素水平很多，这种寻优过程可能不止一次34。2.2.3正交实验的分析方法35按照正交表的方案进行顺序实验，将实验结果填写与正交表的结果栏中就可以进行分析了。2.2.3.1 人工计算人工计算的方法就是用正交实验的数据，直接按照计算的原理进行因素的直观分析和方差计算。在直观的分析的时候，根据各因素水平分别求解因素个水平下的总值K和平均值k，且根据各水平下的k值求出因素水平对目标的效应极差根据极差的大小判断主次因素的顺序。2.2.3.2 Excel函数计算分析利用Excel进行正交试验分析，就是利用Excel中有关的函数把正交试验结果中直观分析的数据和方差分析的数据计算出来。只要将函数输入到相对应的位置，便可以轻松获得直观表和方差表，在利用Excel工具中的数据分析可以得到直方图，t检验和F检验等有关数据，分析结果较为准确和快捷。2.2.3.3 DPS软件统计分析选中所要分析的正交试验数据表，点击试验统计，选择正交试验方差分析，系统则提示选择输入处理和空闲因子总算和各列号隔开方式。一般系统都能够自动识别和处理空闲因子总算，各列号隔开方式系统默认文空格隔开，操作者只需要回车即可完成确定。2.3本章小结本章首先介绍了商业软件CFD的基本知识和求解方式，和CFD对空调系统和绿色建筑具有重大的意义。接下来介绍了本论文需要用到的方法，即正交试验法。对正交试验法做了简单的介绍，同时给出了正交试验法简单的试验步骤。第三章 厂房空调系统和模型建立3.1厂房基本概况本文研究的对象是北京通州某自动化程度较高的工厂，其几何尺寸为：长X宽Y高Y分别为X=24.6m Y= 12.3m Z= 9.12m。室内用三台生产流水线和少数的操作人员。该建筑为构架结构，屋顶为钢结构框架体系。3.2厂房的空调系统3.2.1空调设计基础资料（1）室外气象参数：冬季大气压力（KPa）：1夏季大气压力（KPa ）:0.97夏季空调室外计算日平均温度：32冬季空调室外计算日平均温度：-10（2）室内设计参数：夏季室内设计温度：22冬季室内设计温度：20（3）围护机构的传热系数屋顶：0.3外墙：0.8外窗：5.73.2.2风速和温度的要求人员活动区域的风速和温度是影响室内热舒适性的重要指标。在冷负荷较大的地方可以通过提供高风速来降低温度，但不能无限制的增大风速，工作区域的风速和温度都是有一定要求的。工厂车间为舒适性空调，舒适性空调冬季室内风俗不应该大于0.4m/s，夏季不应该大于0.5m/s。冬季室内空调温度一般为18-24，夏季为22-28，本文所研究的工厂车间风速允许0.4-0.8m/s之间。3.2.3室内负荷厂房内的热源情况如下表3-1所示表3-1 热源情况表热源项目热源大小（W）人80 X 9计算机、灯光等4320机械设备2500 X 3合计125403.3厂房物理模型的建立3.3.1基本模型该厂房空调区域长24米，宽12米，高9米，采用布置在房间一侧的4台组合式空调机组送风，一共布置8个送风口，8个回风口，送风方式为侧送侧回。送风口布置在高度2.2m处。回风口布置在高度为2.1m处，回风口为格栅风口，尺寸为450 X 400 （mm）。结合室内的热源建立模型如图3-1所示。图3-1厂房模型图3.3.2模型简化在进行数值模拟时，许多影响因素都会影响模拟结果的准确性。一次需要选择适当的数学模型来满足本文所选择的大空间厂房和所需要达到的厂房内部模拟结果的精度要求。但所选择的数学模型既不能太简单，也不能太复杂。太简单的数学模型会造成模拟结果的不准确，太复杂的数学模型对计算机的硬件要求太高，同时会增加计算时间19。为了得到理想的结果，因此本文对模型进行了如下简化：1 室内空气不可压缩，为常物性，准稳态的流动，满足Boussinesq假设，即认为除魔度外其他物性参数均为常数，对密度的变化只在动量方程中计算浮力是考虑；2 房间的各个壁面（包括屋顶、地板和墙壁）传热均匀，按照稳态传热，各个壁面都采用恒热流边界条件；3 由于大厂房玻璃窗的面积相对墙壁的面积很好，所以不考虑玻璃的辐射影响；4 忽略能量方程中由于粘性作用引起的能量消耗；5 空气的湍流粘性各方向均相同；6 送风口处气流送风参数均一致。3.3.3 风口模型送风口空气入流条件对空调房间的空气流动情况影响很大，我们应当知道送风参数的详细情况以正确描述入流边界条件，而实际的送风口集合形状却很复杂，种类也很多。传统的CFD方法对风口的描述是很简略的，及将风口当作一个简单的开口，将垂直于风口的速度分量V按照入口空气体积流量L与外形面积A之比，即V=L/A。根据文献，给定k和的值，传统模型得到的轴心速度分布和扩展断面速度分布跟经典公式计算得出的速度分布也比较适合，所以本来采用传统模型来描述风口模型20。3.3.4网络的划分网格划分的质量对计算速度、精度和结果的收敛性都有非常重要的影响。目前，CFD计算中采用的有结构化网格和非结构化网格两种形式。结构化网格占用的计算资源较小，计算速度较快，但是适应性差；非结构化网格需要消耗大量的计算资源，计算速度慢，但是适用性强。因为本文模拟的对象形状较为规整，没有较为复杂的结构，所以为了提高计算精度和效率，本文对射流喷口处采用非结构化网格，其他部分用结构化网格。模型中的网格生成原则如下：1 温度梯度和速度梯度较大的区域，网格划分的要细密些；2 为了提高计算速度和精度，网格划分时，将网格直接与因变量在计算区域内的变化联系起来，在因变量随坐标轴变化比较陡的区域内网格划分比较细密，因变量随坐标轴变化较缓慢的区域内网格划分较稀疏。对于本文中研究的模型网格划分，风口处网格划分的比较细密，边界和热源附近的网格划分比较细，非空调区域的网格划分比较稀疏。如图3-3所示，X轴136，Y轴133，Z轴73。图3-2模型的网格划分3.4本章小结本章首先简单的介绍了工厂的工程概况、空调系统的冷热源以及空调设计的参数。然后给出了对于厂房车间内部的速度场和温度场的评价标准。最后对厂房的实际物理模型进行了合理的简化，建立了数值模拟中所需的物理模型和数学模型，选择了合适的计算区域进行网格划分。第四章 模拟结果及分析在大空间分层空调方式下，多股射流随着其动量不断向外传递将卷吸周围大量的空气跟随其运动，这些由射流卷吸上部分非空调区域空气产生空气流动的风量，它们是室内空调区域和非空调区域对流湿热交换的主要载体。由于非空调其余流向空调区域的对流热转移热量与大空间整个速度场和温度场有着密切的联系，所以本文分析便从速度场合温度场入手，选择一个最为合适该大空间的空调设计参数。我采用CFD软件PHOENICS对其建模，计算，以及对计算的数值结果进行分析。4.1 夏季工况的计算4.1.1夏季正交表的建立本文采用正交试验法来进行试验。以下是正交试验表的选择原则34：1 应满足正交表的自由度大于等级需要考虑的全部因素及其相互作用相的自由度之和，如果不做重复试验，df=总n-1，N为正交表的行数；2 从误差估计的精度方面考虑，当表中各列都排满，并且不想做重复试验室，中能采用影响较小的1个或者几个因素或交互作用项的均方来作为误差均方的估计值，这样做的精度不高，所以可以选择稍大一号的正交表；3 必须考虑不应使主效应与不可忽略的交互作用混杂。根据正交表的选择原则，建立了夏季的正交表如下表4-1所示：表4-1夏季正交表送风角度（）送风温度（）送风速度（m/s）1152072151883302084301874.1.2夏季边界条件的设置数值计算时在有限区域内进行的，因此需要对区域边界给定边界条件，而厂房内分层空调所设计的边界区域的流动和传热都相当复杂，很难对真是情况进行模拟，所以要对各项边界条件进行一定的简化。1 热源条件厂房内的主要散热设施为白炽灯、人员和设计。为了简化模型，本文将白炽灯的总热流密度4320W均匀的充满整个房间。在计算区域内，有3台设备，每台设备的散热约为2500W；每台设备配有2-3名工作人员，加上其余的工作人员一共9人，组件车间为轻劳动，查文献4得，轻劳动下，人员三人的显热为80W/人，一共720W。2 壁面边界壁面的条件如下表4-2所示：表4-2壁面条件表传热系数温度（）屋顶0.3532四周的墙壁0.832地板40天窗5.732 3.出口边界回风口设定为自由出流边界4.2夏季分层空调气流组织模拟结果分析本文分析的结果为夏季送风角度为15度，送风温度为18，送风速度为8m/s工况下的模拟结果。4.2.1分层空调气流组织特性分析图4-1为风口断面速度分布图，图4-2为风口断面温度分布图，可以看到夏季分层空调气流运动的特点：送风气流从喷口送出后，高速送出的射流沿程不断卷吸周围空气，卷吸空气主要来自下部分的空调区域；下部区域涡流明显，气流在人员活动区形成回流运动，在侧墙处沿墙壁上升最后又被卷入送风射流中；对喷送风射流子啊厂房中部碰撞后一部分气流上升，上升到一定高度就向两侧墙壁流动，在射流卷吸作用下形成上部区域的涡流。这种气流运动规律使得下部空调区域的温度相对均匀，而上部非空调区域温度梯度较大，总体来说，空间上下垂直温度梯度明显，温度分层现象明显。这样大量热空气积蓄在屋顶附近，上部屋面附近局部温度很高，大空间空调系统只需担任下部空调区域的热量，这样对于上部区域，可以设置进排风方式，减少上部区域对下部区域的热量转移。图4-1风口断面速度分布图图4-2风口断面温度分布图图4-3为高度Z=1.8m处断面速度分布图，从图中可以看出送风射流子喷口喷出后在开始阶段相互不干涉，各自按照自由射流流动规律运动，由于射流湍流横向脉动和卷吸作用，迫使气流与四周空气相互参杂，并发生了能量交换和热值交换，射流边界随着射程的增加而向外扩展，最后形成多股品行交叉射流，汇合后射流的轴心落差、温度衰减、速度衰减都比之前单股自由射流变得缓慢了许多。图4-3高度Z=1.8m处断面速度分布图为了便于分析对流换热，根据数值计算结果，按照气流流动特点可将全空间沿高度方向分为四个区域，由上至下分别为上部热滞流区、对流注区域、射流去喝下部回流区，以此来分析对流换热的影响因素。按照各个分区的特点，各分区的分界有的较为明显，有的不明显，如滞流去和对流注区域的分界较为明显，分界面上下气流流动明显不同。下面是哥哥区域的具体描述：（1） 上部热滞流区从图4-1可以看出，在屋顶附近，空气基本是静止状态。这是因为空间是封闭空间，无外界气流干扰，加之屋顶空气温度较高，使得滞流区空气上热下冷，热对流无法形成，因此产生了滞流区，该区域内空气流动缓慢，屋顶下表面空气温度骄傲，积聚了大量的余热。（2） 对流主区域因为送风射流沿程卷吸周围空气，其余部分气流流过来补充，所以空气流动形成了明显的流动规律，有流动大方向：射流对喷接触后，由于射流碰撞作用，一部分气流上升，上升气流速度衰减后再滞流区域对流中区域的分界处沿分界面流回送风侧墙，在射流卷吸作用下，然后沿侧墙下降，最后又被卷入送风射流，因此形成了有规律的流动。本文研究夏季分层空调对流换热，对流主区域是形成对流换热的主要区域，如何合理选定对流主区域将影响对流换热量的大小。因此对流主区域高度大小具有很招摇的意义，它也表示了由送风卷吸气流携带上部热量转化为空调区负荷的程度，这种热量主要是由质量流动引起的对流量下移，不仅指空调主流区对流热量的下移，还包括壁面向下流动界层内的对流热量下移。合理确定上部回流区高度不仅将上部滞流区和向下流强迫对流壁面区分开，同时为计算分层空调对流换热量提供依据。因为对流主区域高度受很多因素的影响，如建筑高度、送风参数、热源分布等多种因素影响，很难直接分析得到。本文通过分析上部滞流区和对流主区域交界面质量流量来判断这一高度。首先，根据速度场计算结果，按非空调去高度增加，逐一减速该高度上截面流量，当截面流量近似为零时，说明部分上升气流速度衰减较大，上部气流流动基本静止，来减速判断对流主区域高度。（3） 射流区射流区主要是送风射流所经过的区段内，该区段包括射流主体及射流撞墙引起的混合部分，流动比较混乱，在重力和回风作用下，一部分气体流向下部回流区，起到空调的目的；另一部分气流碰撞后上升，并在射流末端形成小的漩涡，会造成一部分制冷量的浪费。（4） 下部回流区送风射流在重力作用下进入下部区域，在下部回流区，靠近射流区的气体被送风射流卷吸，跟随送风射流运动，壁面附近空气对流较强，下部形成的漩涡流经整个工作区，形成有规律的空气流动，在回风作用下，气流总体流向是朝向回风口。在大空间分层空调方式下，多股射流随着其动量不断向外传递将卷吸周围大量的空气跟随其运动，其中由于射流卷吸上部非空调区空气产生空气流动的风量将是室内空调区域与非空调对流显热交换的主要载体，将大空间沿高度方向分区有利于分析大空间室内竖向温度分布，研究室内热环境，并有助于分析大空间分层空调对流换热量的形成机理，有助于分析对流换热的影响因素。4.3 夏季工况计算结果运用正交试验法进行模拟，根据模拟结果完成正交表，表4-3为完整的夏季的正交表：表4-3夏季正交试验结果表送风角度（）送风温度（）送风速度（m/s）空调区的平均温度（）1152072521518822.533020825.843018723.8由于因素的个数较少，所以才用极差法来分析结果。所谓极差就是平均效果中最大值和最小值的差。有了极差，就可以找到影响指标的主要因素，并可以帮助我们找到最佳因素水平组合。直观分析法的具体做法如下：1. 首先计算各因素每个水平的平均效果和极差。一般用罗马数字表示水平效果，用大写R表示极差，因素用角标表示。根据表4-1试验结果，可以计算得：A =（25+22.5）/2=23.75A=（25.8+23.8）/2=24.8RA =A-A=24.8-23.75=1.05同理可得：B=（25+25.8）/2=25.4B=（22.5+23.8）/2=23.15RB =25.4-23.15=-2.25C=（25+23.8）/2=24.4C=（22.5+25.8）/2=24.15R=24.4-24.15=-0.25将计算结果加到表4-3中，得表4-4表4-2完整的夏季正交表送风角度（）送风温度（）送风速度（m/s）空调区平均温度（）1152072521518822.533020825.843018723.823.7525.424.424823.1524.15R1.05-2.25-0.252. 然后对计算结果进行分析，分析各因素的主次和影响趋势，找到最优的试验方案。根据表4-2所示的计算结果，绝对值RbRaRc，这说明影响空调区平均温度的最主要因素是送风的温度，其次是送风的角度，而送风的速度影响最小。比较各因素不同水平的平均效果值，AB，CC说明随着送风温度和速度的只增加，空调区的平均温度就越高。4.4冬季工况的计算结果4.4.1冬季边界条件的确定冬季的边界条件和夏季的基本一致，只需改变壁面边界的设置。壁面边界条件的设置参见表4-5表4-5冬季壁面条件表传热系数温度（）屋顶0.37-10四周的墙壁0.8-10地板12天窗5.7-104.4.2分层供暖气流组织模拟结果分析以冬季工况W4模拟结果来分析大空间分层空调供暖特性。图4-4、图4-5和图4-6分别为冬季分层供暖方式下室内速度、温度分布图。从图中可以看出，以一定倾角送出的空气射流卷吸周围大量空气，但是与夏季分层空调不同的是，卷吸气流主要来自上部区域；因为送风射流沿程不断卷吸非供暖区上部周围空气和沿壁面下降气流的共同作用，上部区域形成两个比较明显的涡流；下部供暖区也存在两个相对较小的涡流，这是因为由送风射流沿程不断卷吸供暖区下部周围空气和沿壁面下降气流造成的。送风气流从风口射出