（土木工程专业论文）大空间分层空调气流组织影响因素的数值模拟研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 查i 查莶 导师签名：奎塞堡日期：2 q ! q 生鱼县1 2 旦 摘要 摘要 分层空调是借助于空调送风口送出的多股平行非等温气流将高大空间在垂 直方向上分隔为上下两个部分，利用合理的气流组织，仅对建筑下部空间进行空 调，而对上部空间不空调，从而达到节约冷量的目的。分层空调系统有因其独特 的优越性而被广泛应用于大空间建筑中。 本文以某太阳能硅片组件车间的分层空调系统为研究对象，完成分层空调系 统正常运行工况下的温度分布和速度分布现场测量。建立了合理的物理模型和数 学模型，应用f l u e n t 软件对厂房内的温度场和速度场进行三维数值模拟，并 利用t e c p l o t 软件将模拟结果可视化。通过对实测结果和模拟结果进行比较， 验证了本文所采用的物理模型、数学模型以及各种边界条件的处理方法的可靠 性。 本文首先以设计工况为标准工况，对空调系统的温度分布、速度分布、有效 温度差丝丁值和a d p i 值进行计算，并对其气流组织分布特性进行评价。分别研 究了送风高度，送风口尺寸、送风口数量以及排风比对工作区的温度场和速度 场分布以及各种评价指标的影响j 隋况。 模拟结果及其分析表明：随着送风高度的升高，工作区内的平均速度有所降 低，平均温度和平均缸丁值有所升高；在送风温差和送风口面积保持不变的情 况下，随着送风口高度的增加，工作区的平均温度变化不大，平均速度下降，速 度不均匀系数增大；在总的送风量、送风速度和送风温差保持不变的情况下，随 着送风口数量的增加，工作区的平均温度和平均速度都略有降低；排风比对速度 分布和温度分布有着重要的影响。随着排风比的增大，工作区的平均温度先降低 后升高，平均速度有所降低，平均丝丁值有所增加。 因此，在选择合适的送风高度的时候，要同时考虑温度场和速度场的分布情 况，在满足房间速度场的条件下，通过适当降低送风高度来减少空调区的冷负荷， 从而达到节能的目的；送风口高度的选定要同时考虑平均速度和速度不均匀系数 两项指标；在夏季满足工作区空调参数的前提下，可以适当增加送风口数量，来 降低工作区的温度、温度不均匀系数、速度和速度不均匀系数，从而提高整个房 间内部的热舒适性；在一定程度内增大排风比，可以降低非空调区和空调区的温 度，但排风比受到一定限制。对于此类大空间建筑，将排风比控制在1 0 2 0 以内更为合理。 研究结果可以为大空间分层空调系统室内空气流动进行预测和对已有分层 空调系统进行优化设计提供参考依据。 关键词：数值模拟；现场测试；分层空调：高大空间；气流分布 a b s t m c t a b s t r a c t i i lo r d e rt oa c l l i e v et h ep u 印o s eo fs a v i i l gc 0 1 d ，也es 廿a t i f i e d a i r i c o n d i t i o i l i n g s y s t e ms e p a r a t e st l l el a 唱es p a c e 硫ot h eu p p e rp a n 锄dl o w e rp a ni i lav e n i c a l d i r e c t i o nb yu l es e v e r a lp a r a l l e ln o n i s o m 釉试a i r f l o w s i nt h i sc o n d i t i o n ，o n l yn l e l o w e rp a r to ft h eb u i l d 洫gc a i lb ec o o l e d b ya i fc o n d i t i o n i n gs y s t e m t 1 1 ：r o u 曲t h ep r o p e r a i r f l o w t h es n a t i f i e da i r - c o n d i t i o l l i n gs y s t e mh 嬲b e e n 谢d e l yu s e di i ll a r g es p a c e b u i l d i n gb e c a u s eo fi t su 1 1 i q u ea d v 锄t a g e s as n a t i f i e da i r - c o n d i t i o n i i l gs y s t e mi naw o t k s h o po fs i l i c o nc 0 m p o n e n t sh 勰 b e e ns e l e c t e d f 妇，t e s to ft h et e m p e r a t u r ea l l dv e l o c i 够d i 曲叵b u t i o no ft 1 1 ew o r k s h o p a r e 痂蚯s h e du n d e r 廿l en o m l a lo p e r a t i i l go ft h e 蚰r a t i 丘e da i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m a r e a u s o n a b l ep h y s i c a li n o d e la n dam 甜跚a t i cm o d e la r ef o u n d e d t h e n ，f l u e n ti s a d o p t e dt os i i n u l a t et l l et e m p e 咖e 锄dv e l o c 毋d i g t r i b u t i o no ft h e 溅h o p 趾d t h e n u m e r i c a lr e s u l t sa r ev i s 砌i z e db yt e c p l o ts o 觚a r e b yc o m p 撕s o no ft l l et e s t i n g r e s u l t sa n ds i i n u l a t i o nr e s u l t s ，v 哳f i e dt h ea d o p t e dp h y s i c a lm o d e l ，m a ：吐l e m a t i cm o d e l 趾dt h ed i s p o s a lm e t l l o do f b o u i l d a 巧c o n d i t i o i l sa r er e l i a b l e b ys e l e c t m gd e s i g nc o n d i t i o i l sa ss t a l l 出ds t a t e ，廿1 et e m p e 朔t l l r ed i s t r i b u t i o i l ，也e v e l o c i t ) rd i s t r i b u t i o 玛n l ev a l u eo f 缸丁锄da d p i ，a r ec a l c u l a t e d t h ea j r f l o w d i 虹觚o ni sa l s oe v a l 呶e d n l 咄w ea i l a l y z et h e 砌啪c eo f s u p p l ya i ra l t ，a i r s u p p l yo u t l e th e i g h t ，q u a i l t i 够o fa i rs u p p l yo u t l e ta n de xh 孤l s tr a t i oo na i r n o w d i s t r i b u t i o na n dv 撕o u se v a l u a t i o ni 1 1 d e x e sr e s p e c t i v e l yo nw o r k j n ga r e a ni ss h o w nn l a tt h ea v e r a g ev e l o c i t ) ，o ft h eo c c u p i e dr e 西o n sd e c r e a s e 埘mt l l e i n c 陀a s eo fs u p p l ya i ra l t i t u d ei nw o r k s h o p ，b u tm ea v e r a g et e i n p e r a l = u r ea n d 心丁v a l u eo fm e0 c c u p i e dr e g i o n si i l c r e 2 l s e ；f o rm es 锄ea i rs u p p l y i i l gt e m p e 舭 d i 脏r e n c ea 1 1 d 瑚e ta r e 钆t 1 1 ea v e r a g et e m p e r a n 鹏o f 廿l eo c c u p i e dr e g i o i l sc h a j l g el i t t l e 诵mm ei n c r e a s eo fa i rs u p p l yo u n e th e i g h t ，t l l ea v e r a g ev e l o c i t ) ro ft l l eo c c u p i e d r e g i o n sd e c r e a s e d ，t 1 1 ev e l o c i t ) ra s y m m e t d rc o e 伍c i e n ti n c r e a s e d ；f o rt l l es 锄et o t a la i r s u p p l y i l l gv o l 砌e ，a i rs u p p l y i n gv e l o c i 够锄da i rs u p p l y i n gt e r n p e r a ：t u r ed i 舒e r e n c e k e e p i l l gu n c h a n g i n g ，b o t l lt 1 1 ea v e r a g et e m p e r a t u r ea i l dv e l o c i t ) ，o ft l l eo c c u p i e d r e g i o n sd e c r e a u s e ds l i 曲t l y 谢mm ei n c r e a s eo fq 啪t i t ) ro fa i rs u p p l yo u t l e t ；e x h a u s t r a t i oh a dg r e a ti i l n u e n c e0 nt e r n p e r 舭a 1 1 dv e l o c 时d i s t r i b m i o n 、) r i mm ei n c r e a s i n g o fe x h a u s tr a t i o ，t h ea v e r a g et e m p e 劬毗eo ft 1 1 eo c c u p i e dr e g i o i l sd e c r e a l s e da tf i r s t l y a n dm c r e a s e dl a t e r ，m ea v e r a g ev e l o c i t ) ro fm eo c c u p i e dr e g i o i l sd e c r e a s e d ，m e a v e r a g e缸丁 v a l u eo ft h eo c c u p i e dr e g i o n si i l c r e a l s e d s o ，b o t l lt l l et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o na 1 1 dv e l o c 时f i e l dd i s t r i b u t i o ns h o u l d b ec o n s i d e r e dw h e nc h o o s i i l gs u i 切b l es u p p l ya i ra l t i t u d e w h e nt 1 1 er e q u i r e m e n to f 砌o w v e l o c i t ) ，a i l dt e m p e r a n l r ea r em e t ，t h es u p p l ya i ra l t i t i l d ec 锄b ed e c r e a u s e di n o r d e rt or e d u c et 1 1 ec o o l i n gl o a d 锄ds a v ee n e 唱y ；w h e nc h o o s i n gs u i t a b l eh e i g h to fa i r s u p p l yo m l e t ，b o n lt 1 1 ea v e r a g ev e l o c i t ya n dt l l ev e l o c i 够a s y m m e t d rc o e 街c i e n ts h o u l d b ec o n s i d e r e d ；w h e nm e e t i n g 吐1 es u m m e ra i r - c o n d i t i o i l i n gp 咖e t e r s ，b yi l l c r e a s i i l g m 北京工业人学t 学硕十学位论文 t l l eq 啪t i 够o fa i rs u p p l yo u t l e t 印p r o p r i a t e l yt 0d e c r e a s et h ea v e r a g et 锄p e r a t u r e 、t 1 1 e t e m p e r a n l r e ：a s y m m e t 巧c o e 街c i e m 、n l ea v e r a g ev e l o c 毋a i l dt h ev e l o c i t ) ，a s 舯e t 呵 c 0 e m c i e n to ft 1 1 eo c c u p i e dr e g i o i l s ，锄di i r l p r o v et l l et l l e m a l lc 0 m f o r to ft 1 1 er o o m ； i n c 坨a s i n gt l l ee x h a u s tr a t i oi 1 1s o m em g e 丽l lr e d u c em et e m p e r a ：t u r eo fn o n - a c z o n ea n da i r - c o n d i t i o i l i n gz o n e ，b u tm ee x h a u s tr a t i oc a nn o tb ei 1 1 c r e a s e du 】 d i l l l i t e d l y f o rt 1 1 i st y p eo fl a 唱es p a c eb u i l d i l l g ，c o n 仃0 l l i n gt l l ee ) 【l l a u s tr ：a t i o 丽吐血1o 一2 0 i s m o r er e a s o i l 2 l b l e r e s u l t sc a l lp r o v i d er e f b r e n c ef o rp r e d i c t i n gt h e 砒r f l o wa b l o u tl a 玛es p a c e s 缸a t i f i e da i r - c o n d i t i o na i l do p t i m i z a t i o nd e s i 罂l i n go fe x i s t i n ga i r - c o n d i t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：n 啪耐c a ls i m u l a t i o n ；m e a u s u r e da c t u a l l y ；l a y e r e da * c o n d i t i o n i l l g ； l a 略es p a c e ；础m o wd i s 仃i b u t i o n 目录 目 摘要i a b s 仃a c t i i i 第1 章绪论。1 1 1 论文研究的背景和意义1 1 2 分层空调技术的应用和研究现状2 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状4 1 3 课题研究内容及目标6 第2 章分层空调技术理论知识9 2 1 自由射流的流动规律9 2 1 1 等温自由射流9 2 1 2 非等温自由射流( 温差射流) 1 1 2 2 分层空调相关概念1 3 2 3 本章小结1 6 第3 章数值模拟理论和计算方法17 3 1 湍流现象1 7 3 2 湍流模型17 3 2 1 零方程模型17 3 2 2 一方程模型17 3 2 3 两方程模型18 3 3 壁面函数法2 0 3 4 计算区域与控制方程的离散2 3 3 4 1 区域的离散2 3 3 4 2 方程的离散2 3 3 5 方程组的求解2 6 3 6f l u e n t 软件简介2 7 3 7 本章小结2 8 第4 章气流组织评价和厂房模型建立。2 9 4 1 厂房的工程概况2 9 4 2 厂房的空调系统2 9 4 2 1 冷热源2 9 4 2 2 空调设计参数2 9 4 3 流场和温度场的评价。2 9 北京t 业大学t 学硕七学位论文 4 3 1 风速和温度的要求2 9 4 3 2 气流分布性能的评价2 9 4 4 模型的建立和网格的划分3 1 4 4 1 厂房物理模型的建立31 4 4 2 数学模型的简化3 2 4 4 3 风口模型的简化3 3 4 4 4 计算区域的确定和网格划分3 4 4 4 5 边界条件的设置3 5 4 5 本章小结。3 7 第5 章现场测量及数值模拟结果的验证。3 9 5 1 测试方案3 9 5 2 实际运行工况下的数值模拟边界条件4 0 5 3 实测值与模拟值的比较与分析。4 l 5 4 本章小结：4 6 第6 章大空间分层空调气流组织研究。4 7 6 1 标准工况下数值模拟结果与分析。4 7 6 1 1 速度分布。4 7 6 1 2 温度分布一4 9 6 1 3 理论公式验证数值模拟方法51 6 2 送风高度的影响5 2 6 3 送风口尺寸的影响5 8 6 4 送风口数量的影响6 2 6 5 排风比的影响。6 5 6 6 本章小结6 9 结论7 l 参考文献7 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文。7 7 致谤 7 9 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 2 0 世纪7 0 年代，爆发了全球范围的能源危机，从而人们更加关注怎样合理 有效的利用能源。目前，随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，使得人们 越来越关注自身居住和生活环境的舒适性。新建大空间建筑中绝大部分应用的是 中央空调系统，然而中央空调的广泛使用和能耗大的特点使得能源问题面临了更 加严峻的挑战。目前，我国应用于空调系统的电量比例也在迅速增加。以重庆和 上海为例，中央空调用电量已分别占全市总用电量的2 3 和3 1 1 【1 1 。因此在制 冷和空调领域的节能研究方面仍然有很长的路要走，如何在降低空调能耗的同时 又能保持良好的室内空气品质是研究的关键所在。 近几年，体育馆、影剧院、大厂房、展览馆等各种大空间建筑的数量急剧增 加。它们具有普遍的特点：高度较高、体积较大、内热源庞大、空调负荷大、能 源消耗大等，这些特点使得在一般空调方式下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，而使得空调冷负荷过高估计值高达 4 5 5 1 2 j 。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。 目前，人们在通过改善空调室内气流组织来提高房间热舒适性和节能方面取 得了一些成就。同时也出现了一些新的气流组织技术，例如，冰蓄冷低温送风 技术、置换通风空调技术以及分层空调技术等。冰蓄冷一低温送风空调通过降低 送风温度来减少冷冻水量和风量，进而减少单位制冷量的风机和水泵的动力能 耗，同时也减少了一次风的处理设备和相应的送风管道，从而减少了送风系统的 初投资。但是由于冰蓄冷一低温送风空调系统的蒸发温度比较低，制冷效率相对 也比较低，从而增加了制冷主机单位制冷量的能耗。因此冰蓄冷一低温送风空调 只是节省运行费用，并不一定节约能耗。置换通风空调是将温度较低的新风以较 低的速度送入房间下部，被加热后的气流以整体层流的方式缓缓向上移动，从而 使得高温污浊的空气聚集在人员活动区的上部，并由排风系统排出。而低温洁净 的空气则集中在房间下部的人员活动区。但是由于此种空调方式送入房间的新风 温度比较低，而且送风高度较低，因此，人的脚部可能会有冷感，室内人员会感 觉不舒适。分层空调是各类大空间建筑中一种典型的空调方式，它是借助空调风 口送出的多股平行非等温气流将高大空间分隔为上下两个部分，仅对建筑的下部 ( 或上部) 空间进行空调，而对上部( 或下部) 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、减少空调设备容量、节省设备投资和运 行费用，与全室空调相比其能量节约率可达3 0 【3 1 。但是，分层空调风口型式， 北京工业大学r t 学硕七学位论文 送风参数( 送风温差和送风速度等) ，自然通风或机械排风的排风形式以及屋面下 部热源和地面上部热源情况都会对室内气流分层面的形成和气流温度分布和速 度分布产生明显的影响。因此，深入研究这些因素对于室内气流组织和空调效果 的影响，将对于充分发挥分层空调的技术优势，有着至关重要的意义。 目前，主要通过以下四种方法来研究分层空调室内的空气分布情况：经验公 式法、模型实验法、简易能量平衡模型法和微分方程数值求解法。( 一) 经验公 式法大多不能给出室内气流分布的详细资料，仅能给出集总参数信息，而且在有 些情况下还会造成误差，所以不适用于多种组合方式的气流组织；( 二) 模型实 验法所需的投资高、任务量大、耗费时间多，而且对模型的选取要求较高，若模 型选取不恰当，可能会造成所选模型与原有模型不一致，造成最终结果有误。所 以，国外许多研究学者认为应尽量进行1 ：l 尺度的模型实验，而由于上面所讲的 弊端这种实验往往难以做到【4 1 ；( 三) 简易能量平衡模型法是将室内空气体积按 其传热特性不同在垂直方向上划成多个控制体，假设每个控制体内的参数均匀一 致，通过对各控制体建立能量方程以求解各控制体温度值及其空调负荷等参数， 这种方法得出的只是一种相对“精确”的集总结果【5 】；( 四) 微分方程数值求解法 是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( f l u e n t 、a 卸a k 等) 进行三维数值模拟，从而获得 空调房间内部的气流温度分布、速度分布以及热舒适性能情况。与其他三种方法 相比，微分方程数值求解法较经验公式法的应用范围广，且具有较强的模拟真实 条件的能力；较模型实验法耗时少，成本低，速度快；比简易能量平衡模型法得 到的空气分布结果详尽。因此数值模拟方法在处理几何形状和边界条件不太复杂 的情况是卓有成效的1 6 j 。 分层空调与其它全室空调的本质区别在于其气流组织的独特性，能否同时达 到设计要求的气流分布和节能双重目的的关键在于是否具有合理的气流组织。分 层空调的气流组织实际上是单侧喷口方式或双侧对喷方式的室内受限射流，同时 伴随上部非空调区通风气流的明显三维流动，这种流动的气流组织形式复杂，流 动空间大，同时内外扰、送风参数、送风方式等影响气流组织的因素多，所以为 了达到大空间建筑在具有良好热环境的条件下还节约能源提供恰当的设计和改 造方案，进行大空间室内气流组织影响因素的研究是非常有必要的。 1 2 分层空调技术的应用和研究现状 目前国内外对大空间分层空调气流组织的研究主要分为两类：一类是分层空 第1 荦绪论 1 2 1 国外研究现状 1 2 1 1 分层空调方面 2 0 世纪6 0 年代初分层空调技术起源于美国。1 9 6 4 年，分层空调技术应用于 美国纽约万国博览会的通用电器公司展览馆；1 9 6 8 年，分层空调技术应用于前 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【7 1 。 2 0 世纪7 0 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方法。1 9 7 4 年，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了现场测试，并将模型实验和现场测试结果进行对照，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3 8 【8 】。日本学 者宫川保之等对日本的藏前国际馆、万博管等建筑也做了现场测试和模型实验研 究的对照工作，指出在分层空调的分层面上产生对流热转移的现象，并对它进行 了计算，进一步从理论上探讨了分层空调的冷负荷计算方法【引。1 9 7 9 年，美国堪 萨斯大学的l g o 哟n 和d b a l l 等分别研究了分层空调的气流组织和冷负荷情 况，他们用简易数学模型法进行了解析，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当中【。7 1 。2 0 世纪8 0 年代以后，分层空调技术在 日本高大民用建筑中开始广泛应用。1 9 8 2 年，滨松旅馆的开启式中庭应用了分 层空调；1 9 8 8 年竣工的扎幌后乐园宾馆、1 9 8 9 年竣工的日本会议中心之幕张国 际展示场等采用的都是分层空调系统及2 0 0 4 年的雅典奥运会体育馆【9 l 。 1 2 1 2 数值模拟方面 c f d 数值模拟中采用的数学模型主要是零方程模型、肛s 双方程模型、d s m 模型( d i 腩r e n t i a ls 晚s sm o d e l ) 、a s m 模型( a l g e b r 2 i i cs t r e s sm o d e l ) 、l e s 模型 ( l a 唱ee d d ys i i n u l a t i o n ) 等。七嵋模型也称高r e 数髓s 模型，适用于离开壁面一定 距离的湍流区域。对于大空间低r e 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，这种温度分层现象使紊流有所减弱，因此采用高 r e 数肛模型计算，会使计算结果产生较大的误差【眩】。在原有加模型基础上， 目前已研究得出多种形式的肛8 模型，如各种低i 沁数肛模型，二层与三层模型， 非线性肛模型，i 埘g 肛模型，多尺度加模型，可实现知模型以及非线性 r n g 缸s 模型等【1 0 ，1 3 1 4 】。2 0 世纪7 0 年代中期，l a 吼d e r 和s p a l d i n g 等提出了将雷 诺应力作时均处理的如s 湍流模型，这一研究在湍流的数值模拟与求解领域中取 得了很大的成就1 1 5 ，l6 1 。近几年d m s 模型和a s m 模型得到很大的发展，它们直 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【1 7 ，l 引。但是d s m 模型比较复杂且计算量大，而a s m 比d s m 模 型比较简单、计算量小，同时又保留了雷诺输运模型的基本特征，所以逐渐应用 到室内热环境解析当中1 1 7 j 。 1 9 7 4 年，丹麦的n i e l s e n 首次将c f d 技术应用于暖通空调领域，模拟室内 北京t 业人学t 学硕十：掌位论文 气流组织分布情况，他采用h 模型，利用流函数和涡旋公式求解封闭一维流动 方程，模拟计算所得的射流速度衰减结果与实测结果基本吻合【l9 1 。 1 9 7 9 年，g o s m 趾在进行室内非等温空气流动的数值计算时首次考虑了浮升 力的影响1 2 u j 。 1 9 8 3 年，m a r k a t o s 模拟计算了一个电视播送室内部气流的气流组织，提出 了利用c f d 技术来改进大空间空调系统设计的优化方法【2 。 1 9 8 4 年，i s h i h u 和k a n e b 利用流函数和涡旋公式数值求解非稳态二维流动 方程。同年，a l 锄d a r i 和h 觚吼o n d 描述了计算建筑物表面对流换热系数的计算 方法【2 2 ，2 3 1 。 1 9 8 6 年，w 乱e r s 采用c f d 方法对机场候车厅的温度分布、速度分布以及烟 气运动情况进行模拟计算1 2 4 】。 1 9 9 4 年，s h u z 0m u r a k a m i 等人利用代数应力模型( a s m ) 和微分应力模型 ( d s m ) 对三维非等温室内空气流动情况进行了数值模拟【2 引。 1 9 9 8 年，e n u n 耐c h 等人利用大涡模拟技术对三维房间内部空气流动和烟气 传播情况进行了数值模拟l 2 6 j 。同年，c h e n 等人根据直接数值模拟( d n s ) 的结果 提出了一个零方程湍流模型，该湍流模型将湍流粘性系数用一个代数方程表示， 模型适合应用于房间自然对流和空调房间混合对流的流动，并用此湍流模型对等 温和非等温的室内空气流动算例进行了验证【2 4 j 。 2 0 0 0 年，t o p p 和n i e l s e n 等对全方位通风房间内的空气流动情况进行了数值 模拟计算，模拟结果在很大程度上不同于完全湍流时的理论【2 7 】。 2 0 0 6 年，r o h d i i l 和m o s h f e 曲以c f d 为工具预测了某高大复杂的工业厂房 的室内环境，并在这种厂房模型下，将标准肛模型，r n g 船s 模型和重整化的 h 进行比较，最后用实测结果验证模拟结果的正确性【2 8 j 。 2 0 0 7 年，s t a m o u 等人用c f x 软件对2 0 0 4 年雅典奥运会体育馆内部气流组 织进行模拟，研究了不同送风温度下馆内的速度场和温度场，并用p m v 和p p d 两个指标对馆内热舒适性进行评价1 1 1 】。 1 2 2 国内研究现状 1 2 2 1 分层空调方面 2 0 世纪7 0 年代以后，我国开始应用分层空调技术。1 9 7 6 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。该工程由一机部第二设计院完成，于 1 9 8 0 年竣工，1 9 8 1 年调试后投入使用。1 9 7 7 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，该工程由一机部第六设计院、第七设计院完成。1 9 7 8 年，葛洲坝水电站主机房也采用了分层空调系统【2 9 】。 2 0 世纪8 0 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。1 9 8 3 年，二江水电站主厂房发电机房采用了分层空调系统， 第1 审绪论 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3 2 。1 9 8 8 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【2 9 3 0 1 。 2 0 世纪9 0 年代分层空调技术开始应用在高大民用建筑中。1 9 9 1 年底竣工的 葛洲坝大江电站主厂房发电机房，1 9 9 5 年竣工的珠海机场的候机楼，1 9 9 8 年竣 工的深圳国际机场的候机大厅，1 9 9 9 年竣工的首都机场的候机大厅，2 0 0 8 年8 月竣工的南京会展中心展厅，2 0 0 9 年竣工的新武汉火车站候车厅，采用的都是 分层空调技术【2 9 3 1 3 2 】。 1 2 2 2 数值模拟方面 1 9 7 6 年，中国建筑科学院空调研究所开展了分层空调技术研究课题，从理 论和模型实验的基础上，得出非空调区的温度分布梯度经验公式【3 3 】。 。 1 9 7 9 年，中国建筑科学研究院空调研究所和原第一机械工业部设计研究总 院共同开展了由原第一机械工业部和原国家建委下达的“高大厂房空调技术研 究”课题，组成了“分层空调技术研究课题组”，经过了1 9 8 0 1 9 8 2 三年的实验、 计算和分析研究工作，提出了“多股非等温射流气流组织计算”，“分层空调热转 移负荷计算”，“分层空调气流组织计算方法”等研究成果【4 3 4 】。 1 9 9 0 年，官庆等人对南京汽轮机厂的分层空调气流组织进行了数值模拟， 得到一般分层空调系统的速度场、温度场的分布，并总结得出一些初步研究成果， 且与建研院得到的结论大部分都能吻合【3 5 1 。 1 9 9 7 年，许志浩等人采用二维珏湍流模型和s i m p l e 算法对某高大厂房分 层供热进行了数值模拟计算，并将模拟结果与实测结果进行了对比，表明模拟计 算结果是正确的【3 刚。 2 0 0 1 年，x i a o j i a i l gy e 使用p h o e n i c s 软件对喷丸打磨厂房内部气流组织进 行模拟，并分别研究了送风口形式、送风口和排风口位置、室内障碍物高度和地 面的干扰气流等因素对室内隔断气流的影响【轫。 2 0 0 2 年，徐丽等人采用时间平均的n a v i e r - s t o k e s 方程求解某高大房间分层 空调室内的三维气流速度场和温度场分布，并将数值模拟结果和有关实验数据进 行了对比，结果表明，两者基本一致【3 引。同年，高军等对大空间分层空调下的温 度场进行了数值模拟，直观地分析了温度垂直分布的特性，并从数值角度初步分 析了多股平行射流的运动特性。同时，高军针对大空间分层空调负荷提出了一种 简化计算模型，该模型可用于计算稳态条件下分层空调负荷和模拟计算大空间主 流区与壁面的温度分布和主流区的质量流动等情况【3 9 1 。 2 0 0 4 年，天津大学的董玉平等人采用加印a 1 ( 软件对天津国际展览中心扩建 工程b 展厅分层空调改进方案的气流组织分布情况和热舒适性进行数值模拟研 究，结果表明，将分层空调系统应用于大空间建筑中，可以保证工作区内部具有 合理的气流组织和令人满意的热舒适环境【4 0 】。 北京t 业大学工学硕l 二学位论文 2 0 0 6 年，石家庄铁道学院的胡定科等人对某大空间建筑分别采用百叶侧送 侧回、喷口侧送侧回、散流器顶送下回、分层空调、置换通风等方式对空调室内 的速度场和温度场进行了数值模拟，并对结果进行了实验验证。结果表明，分层 空调和置换通风是大空间建筑中较好的气流组织方式1 4 l 】。 2 0 0 8 年，华中科技大学的方进等人和中铁第四勘察设计院集团有限公司的 郭辉利用a 卸a l 【软件对新武汉火车站候车厅分层空调夏季气流分布特性进行模 拟分析，得到了向上3 0 0 ，向上1 5 0 和水平送风3 个送风角度下候车厅的温度场、 速度场和热舒适性分布情况【3 。同年，西南交通大学的q i o n gl i 等人用c f d 软 件模拟了火车站分层空调气流组织分布，并分析了送风气流温度、速度、送风高 度以及送风角度对车站热舒适性的影响【4 2 】。 2 0 0 9 年，华北电力大学能源与动力工程学院的张莉等人模拟了全部采用中 部侧送风和采用中部侧送与侧墙孔板送风相结合的两种气流组织方式下的流场， 得到的结论是采用中部侧送风与侧墙孔板送风相结合的气流组织方式更有利于 大空间分层空调系统节能，更能满足工作区人员舒适性的要求【4 3 】。 1 3 课题研究内容及目标 由分层空调的研究背景和研究现状可以看到，目前在大空间建筑中，分层空 调得到了广泛的使用。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大有不同。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高大空间分层空调的设计、对已有 建筑进行合理改造以及指导分层空调系统的有效运行都具有重要的意义。本论文 研究的主要内容是：对河北保定一大空间硅片组件车间的分层空调气流组织进行 现场测试，并以运行工况为基础进行数值模拟，将实测结果与模拟结果进行比较。 接下来本文以设计工况为标准工况研究送风高度、送风口高度、送风口数量和排 风比四种影响因素对室内气流组织的影响，并用理论公式对标准工况的数值模拟 结果进行验证。 具体研究内容如下： 1 本文以某大空间组件车间的分层空调系统为例，在厂房内部空调系统正常运 行的情况下，对内部气流组织的温度分布和速度分布进行现场测试，并将测 试结果进行整理； 2 运用高等流体力学和高等传热学的理论知识，建立大空间厂房内部空气流动 换热的数学模型：采用经浮升力修正的加双方程模型，采用s i m p l e 算法 求解速度压力耦合方程，采用有限容积法离散偏微分方程，采用壁面函数法 和b o u s s i n e s q 假设( 除动量方程中的浮力项外其余项的密度均按常数处理) ； 3 建立合理的厂房分层空调系统物理模型； 4 在厂房的分层空调实际运行的情况下，计算模拟所需要的边界条件，确定合 第1 章绪论 理的数值模拟方案i 采用f l u e n t 软件模拟房间内的温度场、速度场并与现 场测试结果进行比较； 5 在设计工况下，模拟房间内的温度场分布、速度场分布和热舒适性，对结果 进行分析，并用理论公式对设计工况的数值模拟结果进行验证。以设计工况 为标准工况，模拟分析不同的送风高度、送风口高度、送风口数量以及排风 比等影响因素对大空间厂房内部温度场、速度场和热舒适性的影响，总结出 一般规律； 6 分析总结模拟结果，得出对大空间厂房的设计以及改造具有指导性意义的结 论。 第2 审分层窄调技术理论知识 第2 章分层空调技术理论知识 2 1 自由射流的流动规律 2 1 1 等温自由射流 流体射入同温同介质空间内扩散，在不受界壁限制的情况下，可以自由扩展 的射流称为等温自由射流m j 。 ( 一) 流动特性 由直径为西的喷口以出流速度“o 射入等温空间介质内扩散，在不受周界表 面限制的条件下，则形成如图2 1 所示的等温自由射流【4 ”。当射流流体进入某边 界没有限制的空间后，在受到流体湍流横向脉动和粘性的影响下，在向前流动的 同时，气体微团的横向脉动速度使得射流不断与周围介质进行质量和动量的交 换，从而不断