（制冷及低温工程专业论文）非对称室内空气环境的实现及模拟.pdf

摘要 近年来，随着我国经济的快速发展和国家对室内环境的重视，人 们的室内环境意识有了很大提高，因而迫切希望有一个舒适健康的生 活空间。 针对室内存在大量不同的离散热源和污染源的特点，本文提出了 “非对称室内空气环境”的概念及其实现方法。室内空气环境包括室 内空气热环境和室内空气污染环境。前者与人的舒适密切相关，本文 分别就非对称离散热源的相互作用和非对称室内空气热环境的实现 进行了数值模拟。研究表明非对称离散热源的相互作用会导致流场和 温度场结构的非对称，但是通过冷空气幕的隔断作用，离散热源间的 相互影响能够被削弱甚至切断，进而实现非对称的室内空气热环境。 后者与人的健康密切相关，本文分别就非对称双区域的一般离散气态 污染源和环境烟草烟气在室内的浓度水平进行了模拟和分析。具体考 虑了室内污染源、室外污染物浓度以及室内与室外的联系三方面的影 响。结果表明室内污染源的浓度成倍增加会导致两个区域平均浓度都 成倍增加，而区域平均浓度将足区域本身浓度与室外浓度的一个叠 加。对如何改善室内污染环境的研究表明：无论是一般气态污染物还 是环境烟草烟气，在污染源区域设置排气扇足有效的排污方法。 关键词：非对称；室内空气环境；离散热源污染源；环境烟草烟气； a b s t r a c t i n d o o ra i re n v i r o n m e n t ( i a e ) h a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i nt h er e c e n ty e a r s ，o nt h eo n eh a n d ，t h ee c o n o m i co fc h i n ah a sb e e n r a p i d l yd e v e l o p e d ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h en a t i o n a la t t e n t i o nh a sb e e n f o c u s e do ni tf o rac o m f o r t a b l ea n dh e a l t hl i v i n gs p a c e a tf i r s t , t h ep r e s e n ts t u d yi n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fa s y m m e t r i c i n d o o ra i re n v i r o n m e n tf o rt h e r ea r el a r g eo fd i s c r e t eh e a t c o n t a m i n a n t s o u r c e si n d o o r s t h e nm a i na t t e n t i o nw a sf o c u s e do nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no fa s y m m e t r i ci n d o o ra i rt h e r m a le n v i r o n m e n ta n da s y m m e t r i c i n d o o ra i r p o l l u t i o ne n v i r o n m e n t ，r e s p e c t i v e l y i n d o o r a i rt h e r m a l e n v i r o n m e n ti s c l o s e l yr e l a t e dt op e o p l e sc o m f o r t t h ec h a p t e rt w o m o d e l e dt h ei n t e r a c t i o no ft w oa s y m m e t r i cd i s c r e t eh e a ts o u r c e s ，a n dt h e c h a p t e rt h r e es t u d i e dt h ep a r t i t i o ne f f e c to nt w oa s y m m e t r i cd i s c r e t eh e a t s o u r c e si m p l e m e n t e db yac o l da i rc u r t a i n t h er e s u l t ss h o wt h a ti ft h e h e a ts o u r c e sa r ea s y m m e t r i c ，t h ef l o ws t r u c t u r ea n dt e m p e r a t u r es t r u c t u r e w i l ln e v e rs y m m e t r i c b u tt h ea i rc u r t a i nc a nw e a k e ne v e ns h u to f ft h e i n t e r a c t i o no ft w oa s y m m e t r i cd i s c r e t eh e a ts o u r c e s 。a n do b t a i na n a s y m m e t r i c i n d o o ra i rt h e r m a le n v i r o n m e n t i n d o o ra i r p o l l u t i o n e n v i r o n m e n ti sc l o s e l yr e l a t e dt op e o p l e sh e a l t h t h ec h a p t e rf o u ra n d f i v e r e s p e c t i v e l yn u m e r i c a ls t u d i e dt h ei n d o o ra v e r a g ec o n c e n t r a t i o n b r o u g h tb y d i s c r e t eg a s e o u sc o n t a m i n a n ts o u r c ea n de n v i r o n m e n tt o b a c c o s m o k e ( e t s ) i nt w oc o m p a r t m e n t s c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to no u t d o o r p o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ，i n d o o rc o n t a m i n a n ts o u r c ea n dv e n t i l a t i o nm o d e l b e t w e e no u t d o o ra n di n d o o r , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n c e n t r a t i o n so f t w oc o m p a r t m e n t sw i l li n c r e a s es e v e r a lt i m e sw i t ht h eo u t d o o rp o l l u t i o n c o n c e n t r a t i o n a n dt h ev a l u e so ft h e ma r ec o m b i n e dt h ei n d o o r c o n t a m i n a n tc o n c e n t r a t i o na n dt h eo u t d o o rp o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o n i ti s a l s of o u n d e dt h a tt h ee x h a u s tf a ns i t u a t e da tt h ez o n eo ft h ec o n t a m i n a n t s o u r c ei se f f e c t i v e l yw h a t e v e rt h es o u r c e si sd i s c r e t eg a s e o u sc o n t a m i n a n t s o u r c eo re t s k e yw o r d s ：a s y m m e t r i c ；i a e ；d i s c r e t eh e a t c o n t a m i n a n ts o u r c e s ；e t s i i 英文符号 g 重力加速度 z 热源污染源长度 w 进e l 出口尺寸 d 热源问距 上 空腔长度 日 空腔高度 p rp r a n d t l 数 符号说明 p p t r 压力 无因次压力 温度时间 无因次温度 “，v x ，y 方向速度分量 以v x , y 方向无因次速度分量 n 单位法向向量 r er e y n o l d s 数 x ，y 坐标系 g rg r a s h o f 数五y 无因次坐标系 n un u s s e l t 数 b r 热源浮升力比 希腊字母 口热扩散系数 声空气的膨胀系数 d c 质扩散率 浓度 密度 空气的动力秸度 拶 入口速度的角度 r 特征温度尺寸 v i 下标 w 弱热源 s强热源污染源 c 冷源 c p 临界分隔 v i i i n 流场入口 o u t 流场出口 a 平均 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文足本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：翌缀日期：删年量月砻受日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：聋撼导师签名砰嘉弛日期：照量午一月咎日 中南大学硕 学位论史 第一事绪论 1 1 室内空气环境 第一章绪论 近几年，随着网络的普及，信息时代的来l 临，现代人在室外工作和户外娱乐 的时间逐渐减少，而在室内停留的时日j 逐渐增多，室内环境变得越来越藿要。调 查表明：人的一生有8 0 以上的时间是在室内渡过的，而室内环境品质 i e q ( i n d o o re n v i r o n m e n tq u a l i t y ) 与人的舒适和健康以及工作效率都是密切相关 的【m 1 。 室内环境包括声、光、热、空气等多种影响因素，其中，室内空气对人们的 影响尤为显著。人们生存的空| 日j 不能缺少空气，人们每时每刻都要呼吸空气，调 查表明：每个人一天大约吸入2 0 公斤的空气。室内空气环境( i n d o o ra i r e n v i r o n m e n t ) 指的足以空气为中心，室内一切有形的、无形的各种冈素的一个 综合体，在各种影响因素中，当属热最和质量的交换对空气的影响最为显著。热 量交换主要引起空气的对流，质量交换主要引起空气的扩散。本文将它们分别称 为室内空气热环境和室内空气污染环境。 1 1 1 室内空气热环境 凡是有温度差的地方，就有热量自发地从高温物体传向低温物体。自然界几 乎到处存在温度差，室内空气和周围的环境也不例外。室内空气热环境指的是与 室内空气存在温度差的周围的一切介质。周围的介质( 包括人) 与空气进行热量 的交换，空气的温度不断的变化，然后空气又与人进行热量交换。人们感觉冷主 要是因为周围空气的温度低于人体的温度，感觉过热主要是由于周围空气的温度 高于人体的温度。研究表明：只有当人的新陈代谢的产热率和人向周围环境的散 热率之间能够达到一种平衡关系时，人的舒适才能得到基本的保障。而只有在舒 适的热环境中，人的知觉、智力、手工操作的能力才能得到很好的发挥，偏离舒 适条件，工作效率就会随之下降，严重偏离时，就会感到过冷或过热甚至无法进 1 中南欠学面t 学位论贮第一章绪论 7 0 6 0 5 0 妊4 0 皿3 0 2 0 l o o 囵一囵。囵一圈圈一翻 1 9 9 51 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 3 年份 图卜1 中国城镇居民家庭平均每百户空调拥有量 行正常的工作和生活。 为了追求舒适的宅内空气热环境，空调在中国已经进入了千家力户。图1 - 1 表示了中困前几年的城镇居民家庭平均每百户空调拥有垦3 1 ，人均占有空调量每 年平均以2 9 的速度增长。它的增长速度一方面反映了人们生活水平的提高，另 一方面也折射出了人们为室内空气热环境所付出的代价。 1 1 2 室内空气污染环境 与室内空气热环境相比，人们对室内空气污染的天注较晚，室内空气污染受 到普遍关注只是近二十年柬的事情。通常，大多数人认为室内足安全、健康的， 是一个舒适的避风港口。但是据荚因环境保护总局u s e p a ( u s e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a g e n c y ) 公布的调查结果表明：室内空气污染物浓度至少是室外的2 5 倍，有时甚至高达上百信! 香港贸发局报告也指出：与宅外空气相比，室内空气 的污染稃度超过窀外5 0 多倍。国内外号家研究表明，现代人正进入继“煤烟型”、 “光化学烟雾型”污染之后的以“宦内空气污染”为标志的第三污染时期。 由窀内空气环境质黾问题而导致的经济损失是一个不小的数目。据荚圜的一 项调查显示，由于恶劣的窀内空气环境而导致总经济成本的损失，每年高达4 7 5 4 亿美元。在我田，据世界银行1 9 9 5 年统计，每年由丁：窀内宅气污染引起的超额死 2 中南赶学硕 学位论文 第一章绪论 3 0 0r 2 0 0p 鼍 攀 1 0 0r o l _ 8 0 1 3 3 一豳一日 1 7 0 2 1 7 2 0 0 4 2 0 0 52 0 0 62 0 0 7 年份 图l - 2 空气空气污染的代价一一中国室内净化行业的发展 2 7 8 亡数可达1 1 i 万人，超额门诊数可达2 2 万人次，超额急诊数可达4 3 0 万人次。而每 年因宅内污染危害健康所导致的经济损失则高达1 0 7 亿美元。 图1 2 表示了中国近些年的空气净化行业的市场潜力【4 1 ，净化行业的销售额 以平均每年2 8 的速度增长。同样地，它的增长速度一方面反映了人们生活质量 水平的提高，另一方面也反映了人们为室内空气污染所付出的代价。 温家宝总理在十届三次人大报告中指出：让人民群众呼吸清新的空气，有更 好的工作和生活环境。改善室内空气热环境、控制室内空气污染是利国利民的好 事，既能为人们创造舒适、健康的室内环境，同时也有利于促进整个人类社会的 可持续、和谐、健康发展。 1 2 室内空气环境的研究历史及现状 1 2 1 室内空气热环境的研究历史及现状 室内空气热环境的研究主要集中在如下几个方面：室内热环境的评价、特定 场地区域的热环境以及室内的传热过程及其机理等。 关于室内热环境的评价，当前最令面的指标是f a h l g e r 教授1 9 7 0 年提出来的热 舒适评价指标预测平均投票数p m v ( p r e d i c t e dm e m v o t e ) 和预测不满意百分 数p p d ( p m d i c t c dp e r c e n t a g eo f d i s s a t i s f i e d ) 龋；5 1 。当前的关于热舒适的评价基本 3 中南大学顿t 学位论定 第一章绪论 上采用上述的指标，丹麦已经研制出枪测窀内该指标的仪器。同本将该指标的计 算问题编入c f d 软件。我国的一蝗研究 6 7 1 也对该指标进行了一些探讨。 关于热环境区域性的研究，世界各因的侧重点不同。荚陶的气候特点是夏季 高温高湿，因此侧藿于降温降湿。英斟的气候特点是冬季寒冷、夏季温湿度适宜， 冈此研究重点在于房间的供暖。我国地域辽阔，跨越热、温、寒几个气候带，地 区差异性大，可以分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、温和五个区域。国内 的一些工作阳1 已经针对我国局部地区的窀内环境的特点进行了研究。 关于室内热源的传热分析，研究的热点主要有如下三个方面：( 1 ) 室内由热源 浮升力引起的自然对流 1 2 - 1 3 1 ，主要涉及热源和冷源在方腔内位置的变换。( 2 ) 窀 内由热源浮升力联合机械通风引起的混合对流 1 4 - 1 5 1 。( 3 ) 建筑室内由热源浮升力 或风压引起的的自然通则7 1 。 1 ，2 ，2 室内空气污染环境的研究历史及现状 室内空气污染环境的研究主要集中在如下几个方面：室内空气品质的评价、 污染物的分类研究以及污染物的预测与净化等。 关于室内空气品质的评价，主要有如下几种方法：( 1 ) 客观、主观和个人背景 资料相结合的综合评价方法【l 剐；( 2 ) 污染源强度( o l o 和室内空气品质感知值 ( d e c i p 0 1 ) 1 1 9 1 。l o l f 表示一个“杯准人”的污染物散发霞，其他污染源町用它束定量。 i d e c i p o l 表示用l o l s 未经污染的空气稀释l o l f 污染厄所获得的室内宅气质量。 ( 3 ) 通风效宰和换气次数【2 0 1 。通风效率指排风口处污染物浓度与窀内污染物平均 浓度之比，它表示室内污染物被排出的快慢程度。换气次数指总的送风量与房间 体积的比值，它足衡量换气效果优劣的指标。 室内污染物的种类上千种，但大致可以分为三类：( i ) 物理污染f 2 】。主要 指空气中的悬浮颗粒，按粒径分为p m i o 和p m 2 5 。( 2 ) 化学污染2 3 2 4 1 。主要指 甲醛、苯等呵挥发性有机化合物( v o c s ) ( 3 ) 生物污染1 2 5 1 。主要包拓细菌、霉 菌、瘸毒等。 污染物的预测模型主要包括宅外浓度的影响、室内污染源的影响以及室内 与室外的联系f 2 6 l 。室内污染源的控制包括源控制、通风稀释以及净化三大类。 源 窄制足最理想的方法，但却常受到很多客观条件的限制：通风又容易带进室外 4 中南大学硕卜学位论定 第一章绪论 污染物；因而净化足控制窀内空气污染的最有效措施和保障【埘。 1 2 3 室内的离散热源和污染源 当室内的取暖设备和办公设备工作时，均会连续或间断性地向室内散发热 量，而室内的装饰物品以及点燃的香烟等也同时向空气中扩散着污染物。上述这 些物品在传热传质领域被称为局部分布的离散热源和污染源。这些离散热源和污 染源会不断地和室内空气进行热量和质量的交换。然后室内空气又会和居民进行 热量和质量的交换，热量交换主要影响人体的舒适，质量交换主要影响人体的健 康。 关于离散热源的研究，近二十年已经引起了人们的关注，其研究主要可分为 两类：一类是竖直方向离散热源的研究1 2 8 - 3 1 】，另一类足水平方向离散热源的研究 1 3 2 - 3 4 1 。竖直方向离散热源的研究最开始主要是研究竖直平板或管道的离散热源 2 s 2 9 i 。由于电子器件( 如电脑) 中离散热源的散热是一个有限的体积空间内进行 的，因此近年来人们对密闭腔体内离散热源的散热问题的研究3 0 , 3 1 1 逐渐增多。水 平离散热源，特别是涉及多个离散热源时，情况较复杂，研究工作偏少。 与离散热源相比，关于离散污染源的研究明显偏少。l a g e | 3 5 1 较早地研究了 通风方腔内单个离散污染源的排除效率。随后，大部分文献i 妊3 9 1 都是采用了数值 模拟的方法进行研究的。其中一些文献【3 7 - 3 9 考虑了离散热源和污染源的共同作 用。 1 3 非对称室内空气环境 室内的离散热源，污染源是对室内空气环境影响最重要的因素之一，但是从 上述研究工作来看，研究的热点集中在室内热源污染源是同等强度的情况。然 而，室内的离散热源污染源因其形状( s h a p e ) 、大d , ( s i z e ) 、强度( s t r e n g t h ) 等不同 而在室内具有非对称性i 柏1 。它们之间的相互作用使得室内宅气环境变得复杂， 给人们i f 确认识室内空气环境带来了困难。 在实际工程与实验中，当人们对一个高温发热设备进行现场监控或测试，由 于人员热舒适的需要及监控设备与仪器( 计算机) 不能在高温环境中运行，需要 5 中南夫学垧i 。学竹论史第一章绪论 图1 - 3 非对称室内空气环境的示意图 营造两个非对称的温度区，也即一个高温区和一个低温区。当身边有人吸烟时， 人们希望二手烟能够不对本身的健康造成影响，这也需要营造两个非对称的浓度 区，一个高浓度区和一个低浓度区。图1 3 足实现作对称室内空气环境的是示意 图。由于不同热源，污染源的相互影响以及人为设施等的作用，室内空气形成了 两个不同温度浓度的区域，就称之为非对称室内空气环境。从热和质的方面考 虑，它可以分为 f 对称空气热环境和i f 对称空气污染环境。 1 4 研究内容及研究意义 1 4 1 研究内容 本文对 对称室内空气环境的实现进行了数值模拟，主要研究内容如下：第 一章阐述了室内空气环境的概念及其研究历史和现状，并针对建筑室内环境的特 点以及人们的需要，提出了非对称室内宅气环境的概念。第二章从室内 对称离 散热源出发，分析了相关参数对离散热源相互作用的影响，说明 ：对称热环境往 往不能自发形成。第三章在第二錾研究结果的基础上，提出了采用空气幕削弱| # 对称离散热源的相互作用的控制方法，对影响空气幕系统的多个因素进行了系统 分析，得出了如何合理安排空气荐风速的结论。第四荸对双区域内的单个气念离 6 中南大学硕卜学位论定 第一章结论 散污染源的扩散进行了数值模拟，考虑了室内污染源、室外污染物浓度以及两种 不同通风方式的影响。第五章针对环境烟草烟气本身的特殊性，采用 稳态的算 法，模拟了双区域内环境烟草烟气的扩散过程。第六章对全文进行了系统的总结， 并对后续工作进行了展望。 1 4 2 研究意义 在一般的情况下，随着热源和污染源的温度差浓度差引起的室内空气对流， 人们将承担着高温热源和高浓度污染源所带来的风险精密设备被破坏，人体 的健康。如何改善室内空气的传热传质过程，实现非对称的室内空气环境具有重 要意义。它既有助于促进人们室内空气环境意识的提高，也有利于提高人们的生 活品质，使人们拥有一个舒适、健康的生活环境，进而促进整个社会的和谐、健 康发展。 7 中南大学硕l 学付论史第一帝自琳对洫中1 f 对称赢敏执源的相q 作用 第二章自然对流中非对称离散热源的相互作用 2 1 引言 相比于工业领域，建筑室内环境中往往存在更多的离散热源，如烹任设备、 电子设备、照明设备等都会形成局部分白的离散热源。这些离散热源的强度、尺 寸大小、在室内的位置往往并不相同，这些都增加了室内空气对流的复杂性，也 给我们认识室内热环境带来了挑战。假定将房间分为两个对称的区日j ，则两个区 间的离散热源往往具有不对称性，这咀称之为非对称的离散热源( a s y m m e t r i c d i s c r e t eh e a ts o u r c e s ) 。 在正常情况下，离散热源会通过导热、对流、辐射从高温热源向低温热源传 递。在没有机械通风的情况下，由于温度差产生的热浮升力，离散热源之间会相 互影响，高温区域的热量会向低温区域转移。也就是说，在密闭房j 日j 中，建筑宅 内空气的热环境足由非对称离散热源引起的自然对流作用所支配的。 关于非对称热源的研究，近二十年，已经引起了人们的关注，n e l s o n 和 w o o d 4 1 1 研究了非对称竖直平板热源对自然对流的影响。a u n g 和w o r k u l 4 2 用数 值模拟的方法分别研究了非对称的擘面温度热源和热流热源对竖直管道中混合 对流的影响。c h e n 9 1 4 3 l 和w a n g l 对非对称的管道壁面热源的混合对流分别进行 了理论和实验分析。c h a m l d l a 【4 5 1 分析了竖直管道中对称热源和非对称热源对磁流 体中的混合对流的影响。z i n g 和d u t t a l 4 6 l 采用实验的方法研究了竖直矩形管道 中 对称热源对混合对流的影响。近来，n i e l d t 4 7 1 提出采用新的n u s s e l t 数公式对 非对称的平扳热源进行分析。上面这些关于非对称热源的文献都是局限于管道 中。而对建筑环境中的人居环境而占，矩形空腔与管道相比，更符合建筑环境的 特点，这方面研究的缺乏使得本章的工作更有意义。 本章的目的足对自然对流中非对称离散热源的相互作用进行系统研究，分别 就强热源的强度、热源间距以及热源浮升力比对空腔系统传热性能的影响进行分 析和讨论。 8 中南大学硕卜学位论文第一毒自然对流中非对称离散执源的相乜作用 2 2 物理模型 物理模型和坐标系如图2 1 所示，二维矩形方腔的纵横比为片，两个相 同长度( ，) ，不同温度( r 。，) 的离散热源分别位于底板的左右两边，热源之间的距 离为d 。腔体顶部为冷擘面，温度为f c ；其余壁面均为绝热。 图2 - 1自然对流非对称离散热源的相互作用 2 3 数学模型 2 3 1 控制方程 假定空腔内的流体流动为二维、稳态、层流、不可压缩。流体的热物性参数 除了动量方程内浮升力项中的密度遵循b o u s s i n e s q 假设，其它参数都被认为是固 定的。根据上述假设，自然对流的无因次的控制方程如下所示： 连续性方程 动量方程 型+ 竺：o a ra j ， 9 ( 2 - 1 ) tii】引1lll土 中南大学硕l 学f 论史 第二章自然对流中1 f 对称离散执僻的相q 作用 昙) + 昙旧) = 一筹+ 吐豢+ 雾 昙妒) + 昙咿) = 一万a pm ( 豢+ 豢 + 勋m 能量方程 昙归) 喏( 刀) = 矿a 2 t + 矿0 2 t ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 上式中无因次变量( 包括坐标、速度、压力、温度) 分别定义为： 0 ，】，) = g ，y ) h ，( u ，矿) = 0 ，v ) ( o t l h ) ，p = p ；( 球n y ，t = ( t - t 。) a t ；无 因次控制参数( p r a n d t 数与r a y l e i g h 数) 分别定义为：p r = v i a ， r a = g f l a t h 3 i v a 。式中：p 、v 、口、g 分别为空气的密度( k g m 3 ) 、粘 度( k g m s ) 、热扩散系数( m 2 s ) 、热膨胀系数( i l k ) 与重力加速度( m 2 i s ) 。 2 3 2 边界条件 该数学模型的边界条件如下： 冷擘面：t = 0 ，u = 矿= 0 ； 绝热擘面：a t o n = 0 ，u = 矿= 0 ； 强热源：e = 1 ，u = 矿= 0 ； 弱热源：瓦= “一f 。) ( f s - t 。) = b r ，其中b r 表示弱热源与强热源的浮升力比。 2 3 3 结果描述 离散热源的传热性能用平均n u s s e l t 数柬表示： 壶。- p 咖k a s 函s ， 2 3 4 数值求解 上述控制方程的求解采用基于交锚嘲格的控制容积法进行离散，离散过程中 l o 中南欠学蜘卜学位论史第二章自热对施中 f 对称离散执掠的相t 作用 的对流项与扩散项分别采用3 阶的q u i c k 差分格式与二阶的中心差分格式。每 个离散方程都采用逐线迭代的方式求解，每条迭代线部采用三对角矩阵算法和松 弛因子相结合的方法进行计算。速度与压力之间的耦合采用s i m p l e 算法【4 引， 迭代的最大误差都小于1 0 击。 该数值方法可以采用经典的模型一竖直方腔内的自然对流进行验证。图2 2 表示了该物理模型及其计算网格( 5 0 5 0 ) 。表2 1 是本文结果与前人工作的对比。 高温壁面的平均n u s s e l t 数的结果比较显示了很好的吻合性，表明了本文结果的 准确性，同时为后续工作奠定基础。 ( a ) 物理模氆 图2 - 2 方腔中的自然对流 表2 - 1 方腔内自然对流的结果比较 ( b ) 计算网格 中南_ = 学硕卜学p 论史第二章自然对旋中1 f 对称离散热源的相f l 作f f 2 4 结果分析与讨论 2 4 1r a 的影响 从方程2 1 至2 4 可以得到，空腔内空气流动和传热的特性仅受控制参数( r a p r ) 的影响。f i p r 固定为1 时，边界条件同定为d h = 0 5 ，b r = 0 5 ，方程组仅受 r a 的影响。图2 3 给出了r a = 1 0 3 一1 0 6 范围内的流线与温度等值线分布。 从流线图的变化规律可得n -( 1 ) 流场主要有强热源主导，流线图均为单 一的逆时钟旋涡。( 2 ) 随着r a 的增加，腔体内的空气对流增强，流线图的整体 有向左上侧倾斜的趋势。( 3 ) 随着r 丑的增加，流场的中心不但倾斜，还有扩大 的趋势，而流场的中心速度为零，这是因为强热源的强度增强了，两热源的非对 称性增强了，因而流场的分布才愈来愈不均匀。当r a = 1 0 时，流线基本上壁均 匀分布状态，但：当r a = 1 0 6 时，流线主要集中分却在流场的两侧。 从温度等值线的变化规律町得到：( 1 ) 随着r a 的增加，等温线的分布不均 匀稃度增加了。当r a = 1 0 3 时，空腔内对流作用较弱时，传热主要是由于热传导 的作用，两热源间与冷源之l 甘j 的温度等值线扭曲程度较弱。当r a = 1 0 4 时，随着 对流的增强，热源间与冷源之日j 的温度等值线扭曲程度增强了，扭曲的范围增加 了。当r a = 1 0 6 时，空腔内的传热主要受空气对流的影响，热源与冷源1 日j 的温度 等值线强烈扭曲，扭曲的范围接近冷源。( 2 ) 随着r a 的增加，两热源表面的等 温线越柬越密集，也就足热源表面的温度梯度增大，这时两热源的传热部增强了。 2 4 2 热源间距的影响 空腔内空气流动和传热的特性不仅受控制参数的影响，还受边界条件( 热源 日】距，浮升力比) 的影响。固定r a = 1 0 5 ，b r = o 5 ，热源日j 距的变化从o 2 5 均 匀变化到l 。当热源h j 距变化时，流场的变化很小，故图2 - 4 只给出了不同日j 距 下的温度等值线分布。 从温度等值线图的蘩体束看，规律不明显，但是从冷源瞳面的温度等值线可 以得到：当热源日j 距增加时，冷源擘面的温度等值线变疏了，根据热量平衡原理， 冷源的得热鞋等于两个热源的失热量，也就是说随着热源日j 距的增加，空气的传 热减弱了。图2 5 给出了不同热源间距下两个热源总的n u s s e l t 数的变化。从此 1 2 中南大学硕卜学竹论艾 第_ 二章自然对流中非对称离散执潭的相互作用 图2 - 3 不同r a 下流场( 左) 幸口温度场( 右) 的变化 图易得，空腔内的传热确实随热源i 日j 距的增加而减弱了，且等b j 距的变化导致i # 均匀的n u s s e l t 数下降。当热源白j 距从o 2 5 增加到0 5 时，总n u s s e l t 数从4 4 0 1 3 中南久学鲫 学付论史 第一二章自然对扫 l 中非对称离散执源的相f l 作用 ( d ) d h = l 图2 - 4 不同热源间距下温度等值线的变化 图2 - 5 不同热源间距下热源总n u s s e l t 数的变化 到4 2 9 。而当日】距从o 7 5 变化到l 时，总n u s s e l t 数从3 9 3 到3 1 2 。传热性能减 弱的原因在于：当热源日j 距小时，两热源相当于一个热源，对流的强度大，传热 性能好；而当热源f h j 距大时，两个热源分别作用，对流的强度犬减小，传热性能 变差。 1 4 中南大学硕卜学位论丈 第一章自然对流中非对称离散热源的相乜f f 用 = z 图2 - 6 不同浮升力比下温度等值线的变化 图2 - 7 不同浮升力比下热源总n u s s e l t 敏的变化 2 4 3 热源浮升力比的影响 r a y l e i g h 数表示了强热源的强度，弱热源的强度用热源浮升力比柬表示，固 定r a = 1 0 5 ，d 日= 0 5 ，热源浮升力比从0 2 均匀变化n o 8 。同样地，在当前情 1 5 中南大学硕t 学位论定第一二章自然对流中1 f 对称麂散 t l 原的相l l 作用 况下，当浮斤力比变化时，流场的变化很小，故图2 6 只给出了不同浮升力比下 的温度等值线分布。 从温度等值线图的整体来看，随着浮升力比的增大，温度等值线的对称性增 强了。从强、弱热源的局郁来看，浮升力比的增大导致弱热源处的等温线变密， 而强热源处的等温线稍微变疏了。其结果是弱热源的散热增强而强热源的散热减 弱，由于弱热源的传热增强明显因而总的散热是增强了。图2 7 也证明了随着浮 升力比的增大，两个热源总的n u s s e l t 数增大了。同样地，等差距的浮升力比变 化导致 均匀的n u s s e l t 数上升。当浮升力比从0 2 增加到0 4 时，总n u s s e l t 数 从3 3 7 到4 1 6 。而当间距从0 6 变化到0 8 时，总n u s s e l t 数从4 3 6 到4 3 9 。 2 5 本章小结 本章就 对称离散热源的相互作用进行了模拟和分析。主要考虑了r a 、热源 间距以及热源浮升力比的影响。研究表明： 只要两个热源的强度是 对称的，空腔内的流场和温度场的结构也会是非对 称。 - 空腔系统的传热性能用热源总n u s s e l t 数束衡量，总n u s s e l t 数会随热源耳j 距 的增加非均匀的减少，而随浮升力比的增加非均匀的增加。 1 6 中南大学硕卜学位论炙 第三章非对称宦内卒气执环境的模拟l j 拧制 第三章非对称室内空气热环境的模拟与控制 3 1 导言 上一章较系统地研究了非对称离散热源的相互作用，它们的相互作用一方面 不利于热源各自的散热，另一方面不利于形成人们需要的非对称室内空气热环 境。因而研究如何削弱甚至切断非对称离散热源间的相互作用与影响具有重要意 义。 在实际生活中，空气幕主要设置在系统的对外开口，用来减少热、湿或污染 物的渗入。特别地，它广泛地应用于超市，作为一个人工障碍使陈列柜能保持良 好的绝热性能。通常，空气幕的开口处会设置一个或两个水平或竖直的喷口，根 据喷口处气流的温度，可以分为热空气幕和冷空气幕，应用冷空气幕来削弱甚至 切断强、弱热源的影响是本章的重点研究内容。 关于非对称离散热源，近二十年，已经引起了人们的广泛关注，但是大部分 公开发表的关于非对称热源的文献h 7 1 都足局限于管道中。而对建筑环境而占， 矩形空腔比管道更具有代表性。 关于空气幕的研究包括数值仿真和实验方法。首先，一些c f d 的研究 5 1 - 5 5 】 将重心放在了模拟空气幕的温度和流场的分布上，然后，一些研究【体5 6 1 同时用 c f d 模拟和实验验证。考虑到由空气幕系统所带来的能量的消耗，c u i 和w a n 9 1 5 7 1 利用c f d 方法估计了水平制冷陈列柜空气幕系统的能耗系数。考虑到系统的稳 定性，h a v e t 和r o u a u d t 5 8 1 用实验的方法调查了外部波动对空气幕装置的影响。 考虑到食品对开口陈列柜的影响，w u 和x i e l 5 9 1 建立了一个数学模型研究了冷空 气幕的水平喷口的绝热性能，结果发现当食物堆成凸起的形状时有利于提高系统 的隔热性能。最近，f o s t e r 和m a d g e l 6 0 l ，c h e n 和y u a n l 6 1 分别采用c f d 和实验的 方法对多层零售陈列柜进行了研究。 虽然关于非对称离散热源和空气幕的研究都引起了人们的藿视，但是这两蕾 的研究基本上都是独立的。空气幕能否削弱甚至切断 # 对称离散热源问的相互作 1 7 中南大学硕卜学忙论史第一帝非对称宅内守气执王f 境的模拟l j 拧制 t h 上 y f l _ 工 图3 - i非对称离散热源的物理模型 l g 用呢，研究的缺乏、却有着广泛的应用前景，这引起了作者极大的兴趣。本章作 者从控制方程入手，比较系统的研究了几个主要因素对空气幕系统中空气流动和 传热特性的影响。 3 2 物理模型 物理模型和世标系如图3 1 所示，二维矩形方腔的纵横比为日，两个相 同长度( ，) 不同温度( l ，l ) 的离散热源分别位于底扳的左右两边，它们之间的距 离为d 。一冷空气幕系统皱同定在水平中心线，进口冷空气的速度为v m ，温度为 。空气幕的入口和出口的尺寸部为w 。方腔的其它部分部被认为是绝热的。该 模犁的目的是为了研究冷空气幕削弱强、弱热源问的相互作用。 3 3 数学模型 3 3 1 控制方程 假定空腔内的空气流动为二维、稳态、层流、不可压缩。空气的热物件参 数除了动最方稃内浮升力项中的密度遵循b o u s s i n e s q 假设，其它参数部被认为 是固定的。根据上述假设，矩形空腔内混合对流的无因次的控制方程如下所示： 1 8 连续性方程 动量方程 能量方程 型+ 竺：o 凹3 y 。 昙如) + 昙) = 一嚣+ 瓦1 ( i 硝3 u ：斗别 昙缈) + 导咿) = 一等+ 上r e f 塑b x 2 + 塑3 y 2 ) l & g r ：r 昙) + 嘉归) = 上r e p r l f , 塑3 x 2 + 塑o y 2 j 1 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 上式中，无因次的变量分别为陇j ) = 仗砌日，( u 功= k v ) ，尸= p ：， r = ( f r 岫) & ，无因次的参数分别为r e = 驯y ，g r = g f l a t h ，矿：，p r ：咖， 式中：尸、y 、口、g 分别为空气的密度( k g m 3 ) 、粘度( k g m s ) 、热扩 散系数( m 2 s ) 、热膨胀系数( 1 ) 与重力加速度( m 2 s ) 。 3 3 2 边界条件 数学模型的边界条件如下： 迸口：u m = 0 ，圪= 一l ，和瓦= 0 ： 出口：吒= 0 ，= - i ，和o r 钿= 0 ： 绝热擘面：驯加= 0 ，u = 矿：0 ： 强热源：z = l ，u = v = 0 ； 弱热源：已= ( 0 一) ( f l 一) = b r ，其中b r 表示弱热源与强热源的浮升力比。 3 3 3 结果描述 离散热源的传热性能用平均、 u s s e l t 数来表示： 沁去。_ p 咖l 。卅，a s ( 3 - 5 ) 中南夫学硕卜学位论史第t 帚菲对称窀内守气执环境的樽拟j 拧制 3 3 4 数值求解 上述控制方程的求解依然采用毪于交错网格的控制容积法进行离敞，离散 过程中的对流项与扩散项分别采用3 阶的q u i c k 差分格式与二阶的中心差分 格式。每个离散方程部采用逐线迭代的方式求解，每条迭代线邵采用三对角矩 阵算法和松弛因子相结合的方法进行计算。速度与压力之间的耦合采用 s i m p l e 算法，迭代的最大误差都小于1 驴。 3 4 结果分析与讨论 在目前的研究中，矩形方腔、热源、进出口的尺寸大小分别固定为 l h = 1 5 ，d h = o 2 5 ，w h = o 1 ；p r a n d t l 数固定为p r = 1 ，从上述数学模璎可 知，混合对流的流体流动和传热性能不仅由控制参数( r e ，c s r ) 决定，而且还受边 界条件的影响，包括热源的日j 距( 日) 、热源浮升力比以及入口气流速度方向。 3 4 1r e y n o i d s 数的影响 单独考虑r e y n o l d s 数的影响，固定c r r = 1 0 5 , 边界条件固定为州h = 0 5 和 b r = 0 5 ，图3 2 展示了不同r e 数时流线( 上) 和等温线( 下) 的变化规律。容 易看出，随着r e 的增加，流线图从 对称结构变成了对称结构。当入口空气流 速较小时，例如r e = 1 0 0 时，空气的流动和传热主要受自然对流的控制。由于受 强热源的影响，空气幕偏离了它的初始方向并向左侧强烈扭曲，一个逆时钟的旋 涡几乎覆盖了整个方腔。从右侧深深渗入左边的等温线表明右侧大量的高温热空 气卷入了左边方腔，从而使得 e 对称的热环境不能保证。随着入口空气流速的增 加，r e = 1 8 0 ，由自然对流引起的右边的逆时钟流动稍微减弱，而强迫对流的增 强使得在左上角出现了一个小的顺时钟流动。强迫对流随着r e 的增强而增强， 由它所引起的顺时钟流动在r e = 1 9 0 时急剧增强，达到了可以和右边的逆时钟旋 涡可比拟的强度。此时，等温线仅仅只是稍微的偏向左边，这意味蕾强热源对弱 热源的影响已绎减弱了。随着r e 数的继续增加，强迫对流主导了流动机制，在 r e = 3 0 0 时，流场结构对称性基本上已经形成，这时候的温度场也基本上对称， 因而良好的隔热效果就能得到保证。 2 0 中南大学硕 学位论文第一帮非对称宅内卒气 t i 环境的模拟j 拧制 i a r e ：1 0 0 l b lr e ：1 8 0 l c r e ：t 9 0 i d lr e ：3 0 0 图3 2 不同r e 数下的流线( 左) 和等温线( 右) 的变化 图3 - 3