（热能工程专业论文）冷却顶板加置换通风空调系统的cfd研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着人们在室内时闻的增加和对室内环境要求的提高，使用暖通空调系 统提供良好的室内空气品质和较高的热舒适性变得越来越重要。冷却顶板与 置换通风相结合的复合式空调系统综合了置换通风系统在提高了室内空气品 质方面的优势和冷却顶板在提高人体热舒适性方面的优越性，并具有一定的 节能效果，从而得到了业界人士的关注。经过3 0 多年问的发展，在德国、瑞 典等欧洲国家得到了广泛的应用，但在我国尚处于起步阶段。本文应用计算 流体力学c f d 的理论和方法，在对数学模型及物理模型进行理论分析的基础 之上，采用经过浮升力项修正的k - e 两方程模型和s i m p l e 算法，应用壁面 函数法处理边界条件，并利用c f d 的后处理工具对房间的速度场、温度场进 行分析，对其热舒适性给与评价。最后，通过改变房间热源位置、送风速度、 及冷却顶板温度等参数，分析其对房间热舒适性的影响。本课题对冷却顶板 与置换通风系统进行的模拟研究，对该系统的设计、评价和优化有一定的现 实意义，并有助于其在我国的推广应用。 关键词：数值模拟：冷却顶板；置换通风；速度场；温度场；热舒适 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sp e o p l es p e n dm o r et i m ei n d o o r s ，h e a t i n g ，v e n t i l a t i n ga n da i 卜c o n d i t i o n i n g s y s t e m st h a tp r o v i d eh i g hi n d o o ra i rq u a l i t ya n dt h e r m a lc o m f o r tb e c o m em o r e a n dm o r ei m p o r t a n t t h ec o m b i n e dc o o l e dc e i l i n ga n dd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n s y s t e mi ni m p r o v i n gi n d o o ra i rq u a l i t ya n dt h es u p e r i o r i t yo fc o o l e dc e i l i n gi n i m p r o v i n gt h e r m a lc o m f o r ta sw e l la si t ss a v i n ge n e r g ye f f i c i e n c y , w h i c ha t t r a c t s p e o p l e sa t t e n t i o n a f t e rm o r et h a n3 0y e a r s d e v e l o p m e n t ，t h ec o o l e dc e i l i n ga n d d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o ns y s t e m sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm a n yp l a c e sb e s i d e s g e r m a n y , s w e d e ni ne u r o p e h o w e v e r ，t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h i s s y s t e mi s s t i l li nb e g i n n i n gi nc h i n au pt on o w i nt h i sa r t i c l e ，t h es t a n d a r d t h r e e d i m e n s i o n a lk - et w oe q u a t i o nt u r b u l e n c em o d e lw i t hc o r r e c t i o n a li t e mo f b u o y a n c ye f f e c ta n ds i m p l ea l g o r i t h ma r ea d o p t e d ，a n dw a l lf u n c t i o nm e t h o di s u s e dt oh a n d l eb o u n d a r yc o n d i t i o n u s i n gt h ep o s tp r o c e s s i n gt o o l so ft h ec f d s o f t w a r e ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h et e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yf i e l di n t h e a i r - c o n d i t i o n e do f f i c ea n d f i n a l l ye v a l u a t e st h ei n d o o ra i rd i s t r i b u t i o nc o m f o r t a b r e f e e l i n g a tl a s t ，t h ei n f l u e n c eo nt h ea i rf l o v 气i sa n a l y z e dw h e r es o m ef a c t o r ss u c h a st h el o c a l i t yo fh e a ts o u r c e ，v e l o c i t yo fa i rs u p p l y , t e m p e r a t u r eo fc o o l e dc e i l i n g a r e g i v e n w h i c hp r o v i d e s ar e f e r e n c ef o r a p p r a i s a l o ft h eh e a tc o m f o r t c h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e m i th a sd i r e c t l ym e a n i n g f u lf o rt h ed e s i g n ，e v a l u a t i o n a n do p t i m i z a t i o no ft h i st y p es y s t e m ，a n di tw i l lb e n e f i tt ot h ed e v e l o p m e n to f c o o l e dc e i l i n ga n dd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o ns y s t e m si nc h i n a k e y w o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o o l e dc e i l i n g ；d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n ； v e l o c i t yf i e l d ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；t h e r m a lc o m f o r t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 作者( 签字) ： 日期：2 0 0 5 年1 2 月3 1 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 近几年随着社会的进步和经济的发展，人们的生活水平不断提高，在满 足了衣、食、住、行等基本需要之后，越来越关心身心的健康。由于人们在 室内停留的时间越来越长，使人逐渐认识到室内环境对人体健康会产生巨大 的影响，所以人们不再满足于传统的风机盘管加新风的空调系统的噪声感和 吹风感，对办公和居住的建筑环境的要求越来越高，对通风空调技术也提出 了更高的要求。对于暖通空调( h v a c ：h e a t i n g ，v e n t i l a t i o n a n da i r c o n d i t i o n i n g ) 领域的工作人员来说，向人们提供充足的新鲜空气，有效的排 除污染物提高室内的热舒适性，己成为他们的重要课题。冷却顶板与置换通 风结合的空调系统( t h ec o m b i n e dc o o l e dc e i l i n ga n dd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n s y s t e m ，c c d v ) p a 其在节能方面的潜能，而同时又能提供良好的室内空气品 质和舒适性，而成为一种引入注目的h v a c 空调系统。 冷却顶板是通过循环空气、水、水溶液或电阻丝控制顶板的表面温度， 利用顶板表面的低温度与围护结构或室内空气进行热交换，通过直接的辐射 和间接的对流作用来消除室内冷负荷，对流和辐射的比例依赖于整个冷却顶 板的面积和沿着表面的气流运动等设计形式f 1 j 。对于辐射换热来说，其换量 最终取决于冷却顶板、场面、人体等的表面温度，各表面的几何形状，相对 位景及其辐射特性；对流的换热量则完全取决于顶板附近的空气流动方式， 通过控制空气流动的方式可在很大程度上对冷却量进行控制。对流主要提高 其冷却性能，而辐射则提高房间的热舒适性，因为辐射的存在，使房间的围 护结构，地面和环境的设备表面有较低的温度，此时人的实感温度低于环境 的空气温度，所以人体有较高的舒适感。但是冷却顶板并没有提供改善室内 空气品质的方法，即排出室内污染物的途径，也没有这种可能性m i 。因此冷 哈尔滨工程大学硕士学位论文 却顶板需要与通风系统结合，满足室内的卫生需要。与其结合最多的即是置 换通风。 置换通风是将低于室温的新鲜空气直接送入工作区，由于较凉空气的密 度大而下沉到地表面，并在地板上形成一层由新鲜空气扩散形成的空气湖， 而回风口被设置在房间的顶部【3 3 1 。新鲜空气途中经过室内的热源及污染源， 如人员和散热设备，直接在其周围环境中产生热对流，带动凉空气在热源处 从地面向顶板运动，沿程不断带走部分热量和污染物，最终通过回风口被排 出室外( 见图1 1 【1 1 ) 。 1 2c f d 简介 图1 1 川冷却顶板加置换通风系统的气流分布图 c f d ( c o m p u t a t i o n f l u i d d y i l a m i c s ) _ 一计算流体动力学。它是伴随着计算机 技术、数值计算技术的发展而逐步发展起来的。其基本原理是利用计算机数 值求解流体流动和传热的各种守恒控制偏微分方程组，得出流体的流场在连 续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。它集流体力学、数值计 算方法以及计算机图形学于一体，这种技术允许工程师去研究不同物理条件 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 有些是在实验室条件下不能获得或是难以获得的) 下的不同模型配置，只需 花费很少的时间就能获得结果，可极大的缩短研究时间，降低研究成本 2 1 。 c f d 目标是在工程上用数值试验代替物理试验，用计算机模拟和设计自 然环境，生物体和工程机械装置。计算机的大量使用，计算流体力学通用大 型软件的成熟，彻底改变人们对于实验和设计的传统观念。通过数值模拟对 工作过程细节的了解，使得工程装置的优化设计现在已经作为一种新的手段， 可以预报真实的流体机械、换热与燃烧装置、工业炉、大气污染等现象的全 过程。可以得到设计所需的各种定量数据，又能把实验所需的人力、物力及 财力建到最低限度，实现真正意义的设计革命。 1 2 1c f d 发展概况 1 9 3 3 年，英国人t h o r n 首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微 分方程，标志着计算流体动力学c f d 的诞生。s h o r t l e y 和w e l l e r 在1 9 3 8 年、 s o u t h w e l l 在1 9 4 6 年利用松弛方法( r e l a x a t i o nm e t h o d ) 求解了椭圆型微分方 程，也即非粘性流体的偏微分方程组，使c f d 逐渐成为一门学科而为广大学 者、科学家和工程技术人员所研究和认识。由于早年的计算机容量不够大， 利用c f d 方法难以解决工程中遇到的复杂的实际问题，放c f d 仅限于研究 阶段。直到1 9 7 0 年初，c f d 才逐步应用于工程中的流动问题。此后短短2 0 多年间，由于计算机技术和数值计算技术的高速发展，c f d 得到了长足的发 展，尤其是在工程领域内得到越来越广泛的应用。近年来，随着计算机容量 的大大提高、先进的数值计算技术的出现以及各种湍流模型的提出，c f d 技 术已经更广泛地应用于暖通空调、环境水利工程、化工、热能动力、核能、 大气流动等领域，是进行“三传”f 传热、传质、动量传递) 及燃烧、多相流 和化学反应研究的核心和重要技术1 3 1 。 1 2 ，2c f d 在暖通空调领域的应用 在暖通空调工程领域，c f d 技术主要应用于模拟预测室内外或设备内的 空气或其他工质流体的流体流动情况。简单的浼，就是在计算机上虚拟实验； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 依据室内空气流动的数学物理模型，将房间划分为小的控制体，把控制空气 流动的连续的微分方程组离散为非连续的代数组，结合实际的边界条件，用 计算机数值求解离散所得的代数方程组。只要划分的控制体足够小，就可认 为离散区域上的离散值代表整个房间的空气分布情况。总体而言，c f d 包含 以下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化【4 l 。 1 建立数学物理模型： 建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述，对于暖通空调工 程领域的流动问题而言，通常是不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程。 另外，由于其流体流动基本为湍流流动，所以要结合湍流模型才能构成对所 关心问题的完整描述，便于数值求解。如式1 1 为黏性流体流动的通用控制 微分方程，随着其中的变量的不同，如代表速度、焓以及湍流参数等物 理量时，上式代表流体流动的动量守恒方程、能量守恒方程以及湍流动能和 湍流动能耗散率方程。基于该方程，即可求解工程中关心的流场速度、温度、 浓度等物理量分布。 未( 却) + d 加( p 西，g r n d 驴) 一， ( 1 - 1 ) 2 数值算法求解： 上述的各微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数 值方法进行求解。这就需要对实际问题的求解区域进行离散。数值方法中常 用的离散形式有：有限容积、有限差分和有限元这三种。目前对于暖通空调 领域中的低速、不可压流动和传热问题，采用有限容积法进行离散的情形较 多。它具有物理意义清楚，满足物理量守恒规律的特点。离散后的微分方程 组就变成了代数方程组，用式1 2 表示。 口，咋。口。吐+ 口，吒+ 口，+ 口，吐+ 口，+ 日。+ 6 口驴= 罗a + b ( 1 - 2 ) 其中a 一离散方程系数： 西一为各网格节点的变量值； 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 b 一为离散方程的源项。 下标p 、e 、s 、f 和b 分别表示本网格、东边网格、西边网 格、北边网格、南边网格、上面网格和下面网格处的值，或者以表示的相邻 6 各节点。 3 结果可视化： 上述代数方程求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值，这样的结 果不直观，难以为一般工程人员或其它相关人员理解。因此将求解结果的速 度场、温度场或浓度场等表示出来就成了c f d 技术应用的必要组成部分。通 过计算机图形学等技术，就可以将我们所求解的速度场和温度场等形象、直 观地表示出来。如今，c f d 的后处理不仅能显示静态的速度、温度场图片， 而且能显示流场的流线或迹线动画，非常形象生动。 1 2 3 c f d 在暖通空调领域所麓解决的问题 c f d 主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题1 3 1 】： 1 通风空调空间气流组织设计： 通风空调空间的气流组织直接影响到其通风空调效果，借助c f d 可以预 测仿真其中的空气分布详细情况，从而指导设计。 2 建筑外环境分析设计： 建筑外环境对建筑内部居住者的生活有着重要的影响，建筑小区二次风、 小区熟环境等问题日益受到人们的关注。采用c f d 可以方便地对建筑外环境 进行模拟分析，从而设计出合理的建筑风环境。而且，通过模拟建筑外环境 的风流动情况，还可进一步指导建筑内的自然通风设计等。 3 建筑设备性能的研究改进： 暖通空调工程的许多设备，如风机、蓄冰槽、空调器等，都是通过流体 工质的流动而工作的，流动情况对设备性能有着重要的影响。通过c f d 模拟 计算设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，从而加以改进，使其更 好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 冷却顶板与置换通风系统的国内外研究现状 1 3 1国外的应用和研究现状 冷却顶板起源与欧洲，早在几十年前就己出现，但由于技术上的原因一 直推广不开。直到七十年代，一种具有较高通风效率，又能提供较高空气品 质的通风系统一置换通风出现在北欧国家，人们在发现其有很多优点的情况 下，同时还具有制冷量小、垂直温差大的缺点，继而人们又重新想到了冷却 顶板。冷却顶板与置换通风结合后，在不破坏置换通风气流组织的情况下降 低了房间的垂直温差减小、吹风感等缺陷，这样一种新型空调系统一冷却顶 板与置换通风结合的空调系统就诞生了。 近几年，冷却顶板制造商不断地改进和开发新产品，以及人们对其研究 的更趋广泛和深入，使得这项技术发展很快，特别是在欧洲的德国和瑞典等 国家，冷却顶板加置换通风系统已得到了普遍的应用。在欧洲，冷却项板技 术已相当成熟，后来又逐渐在美国和日本有所发展，现在己成为国际注意的 一个方向，其生产厂家也越来越多。据德国有关资料表明，1 9 9 3 年的德国有 6 个生产厂家，3 6 个种类的冷却顶板，1 9 9 4 年的德国生产厂家达到2 1 个， 种类达到6 0 种，应用场合也越来越广泛。目前，对冷却顶板加置换通风系 统的数值研究方面，国外有很多这方面的研究成果，包括该系统的设计方法、 室内热环境及其控制方法、系统的能耗指标、模拟时使用的成熟的模型、应 用软件和实验方法等，特别是在应用软件方面，国外的研究机构有着相当 大的优势。 j m i r i e l 等人利用t r n s y s 软件来模拟在安装此种空调系统室内的换热 情况。t r n s y s 软件是一个带有建筑物和能量系统模型的软件。模拟时在冷板 上方留有一定的空间，通过冷却顶板把房间分为上下两个区域，总的换热量 包括冷却顶板与上下两个区域的对流换热和辐射换热。t r n s y s 软件能较好地 描述冷却顶板上下两个区域的气流情况( 3 6 i 。美国学者s j r e e s 等人使用节点 模型来模拟冷却顶板加置换通风系统也取得了良好的效果。这种模型可以比 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 较准确地计算空调系统中房间温度的分布，冷却顶板和通风系统之间的冷负 荷的分配等p 7 1 。在s j r e e s 的基础之上，l i y 等学者具体的9 节点模型来 模拟置换通风系统结果对靠近地板和项板区域的温度进行了令人满意的预 测，但是房间内其他区域的效果不太理想 3 8 i 。 1 3 2 国内的应用和研究现状 近年来人们对空调的需求逐年增加，2 0 0 0 年我国空调器的总产量超过 1 4 0 0 万台，国内销量约1 0 0 0 万台，这一数字已荣升为世界首位【5 】。不断地追 求更高的生活质量，使人们对空调的要求向舒适、健康和节能的方向发展。 这时，在欧洲已风靡多时的冷却顶板与置换通风空调系统，以其在舒适性和 节能性上的优势，渐渐吸引了国内暖通空调行业工作人员的眼球。 冷却顶板加置换通风的空调系统在国内仅仅是起步阶段，还未得到大众 的广泛认可，除了一些像香港、上海和北京少数办公、写字楼里使用外，更 多的出现在国内大学的实验室里对其进行热舒适性的研究。如天津大学搭建 了关于两种不同种类冷却顶板热舒适环境测量的实验台【6 】；北京工业大学设 计并组建出一套可供初步研究的冷却顶板系统，包括它的设计、制作、安装、 调试和运行川。少量暖通空调专业杂志上刊登了与其相关的基本理论介绍和 在实验方面的研究。 i 3 3 冷却顶板与置换通风系统的热舒适性分析 一般认为，人体在舒适条件下，大约按以下比例散发热量：对流散热3 0 、 辐射散热4 5 、蒸发散热2 5 8 1 。可见，辐射换热对人体的舒适感极为重要。 冷却顶板中大比例的辐射制冷，弥补了对流制冷的不利因素，增加了人体的 辐射换热量。因此，对于具有相同条件的传统空调系统而言，该系统提高了 人体的热舒适性。 置换通风系统在提高了下部工作区的空气品质的同时，带来了室内的垂直 温度梯度较大的缺憾。而正是冷却顶扳低温制冷的存在，冷却了上升热烟羽 的温度，使房间上部的温度降低，因此冷板睫室内的垂直温度梯度变小。文 哈尔滨工程大学硕士学位论文 献 3 9 的实验提出，对于置换通风系统，在无冷却顶板的情况下，室内垂直 温差最大可达7 ，而安装了冷却顶板后，室内垂直温差可降低至3 。根据 i s 0 7 7 3 0 ( 1 9 8 4 ) 【卅的规定，地板上方1 卜0 i m 之间的垂直温差不应超过3 。 可见该系统的室内温度完全符合人体热舒适性要求。 尽管在热环境中，增加气流的速度可以一定程度上增加人体的对流与蒸 发散热，但从舒适性角度来看，长时间处于一定的通风气流下会有不舒适感。 尤其置换通风是下部送出冷风，直接吹向人体，是否会引起足、膝两部位不 舒适是人们最关心的问题，即风感威胁。 由于置换通风的送风量很小，所以送风速度基本都在0 4 m s 以下。文献 9 给出当置换通风出口风速为0 2 5 m s 时，在1 1 m 处的风速为0 0 8 m s ，距 地板0 5 m 以上的高度方向其风速则低于0 0 8 m s 。有实验 1 0 1 发现，工作区内 的风速在0 2 0 m s 左右，无论从哪个方向吹向人体，都不会造成不适感，且 置换通风的送风温度通常只比室内温度低2 6 。因此，从室内风速角度出 发，只要保证在工作区大部分区域风速低于0 2 0 s ，工作人员就不会产生吹 冷风感。 1 3 4 冷却顶板与置换通风系统的能耗分析 由于冷却项板与置换通风复合式空调系统自身的特点，使其在很多方面 都体现着节能优势： 1 用水代替空气来消除热负荷降低了风机的能耗： 一般行政楼里高峰电的消耗通常是在最大冷负荷这段时间内。对于常规 的空调系统，即使是比较节能的变风量空调系统，在此期间也将以最大风量 运行。而如果使用冷却顶板与置换通风系统的话，则可以大大降低高峰电的 使用。因为，与空气相比，水具有高热值和高密度的特点，只需耗费很小的 水泵能量，冷量就可运输至目的地。而在常规空调系统中，输送同等的冷量 其耗能要大得多。j n i u 等人的研究表明，与常规的空调系统相比，该系统可 以节省风机能耗约7 0 8 0 ，仅此一项就可减少空调系统的峰值用能约为 3 0 4 5 4 0 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 高辐射性降低平均辐射温度降低了风机的能耗： 由于冷却顶板存在着辐射换热，房间内的所有表面将被直接冷却下来，因 此房间内的平均辐射温度较低。这种低平均辐射温度的环境给人的感觉往往 要更舒适些，因为其降低了人体皮肤表面的对流热交换。k a a n t o n p o u l o s 等人的实验表明：在这种情况下，节约能耗超过1 2 5 【4 lj 。 3 高冷冻水温允许采用天然冷源： 对于空调系统而言，最方便且实用的天然冷源是深井水。天然冷源的利 用使得空调系统运行费用降低，并且不污染环境，因此具有一定的应用前景。 但作为天然冷源的水温一般都相对较高，较难满足常规的空调系统( 进水温 度一般为7 9 ) ，丽冷却顶板系统的进水温度一般为1 4 1 6 ，这就为天 然冷源的合理利用提供了可能。表1 1 【l l i 研究了我国各地区地下水的水温。 从表中可以看出，除第四分区外，其他的四个分区均能满足冷却项板系统的 表1 1 【”i 我国各地区地下水的水温 分区地区地下水温( ) 第一黑龙江、吉林、内蒙古的全部，辽宁的 分区大部，河北、山西、陕西偏北部分，宁夏偏 6 1 0 东部分 、第二北京、天津、山东全部，河北、山西、 分区陕西的大部分，河南的南部，青海偏东和江1 0 1 5 苏偏北的一小部分 第三上海、浙江全部，江西、安徽、江苏的1 5 2 0 分区大部分，福建北部，湖南、湖北东部，河南 南部 第四广东、台湾全部，广西的大部分，福建、2 0 分区云南南部 第五贵州全部，四川、云南的大部分，湖南、 分区湖北的西部，陕西和甘肃的秦岭以南地区， 1 5 2 0 广西偏北的一小部分 哈尔滨工程大学硕士学位论文 水温要求。 4 高冷冻水温允许在一部分季节使用自然冷却直接供冷： 冷却顶板系统可以在相对高的水温下工作，因此，在一年的某部分季节， 制冷机可以不运行，而利用冷却塔进行自然冷却来直接供冷。由于制冷机组 不运行，冷却塔直接供冷与制冷机供冷方式相比可以节省功耗约8 0 n “。 1 4 本课题研究的主要内容 本文利用c f d 方法采用f l u e n t 软件实验分析和数值模拟两种方法相结 合，对安装冷却顶板与置换通风空调系统的室内气流组织进行了研究和探索。 具体内容包括： 1 对文献【1 3 】提供的安装有冷却顶板加置换通风系统的实验室，进行温度场 和速度场的模拟； 2 将数值模拟值与实验值相比较，验证模拟的正确性； 3 由于试验数据的有效性，用模拟值分析室内气流分布和温度分布特性，研 究其在提高人体热舒适性方面的性能； 4 分别改变热源位置、送风速度、冷却顶板温度等参数重新对房间的气流组 织进行模拟，分析讨论这些参数对该系统速度场和温度场分布的影响。 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章室内气流组织的评价指标 2 1 温度场和速度场 为了反映室内气流组织效果的好坏，可以通过直接计算工作区温度和速 度的分布均匀程度和符合给定条件测点所占比例的大小来进行评价“”，分别 有下列三个指标： 1 温度不均匀系数瓦； 2 速度不均匀系数g v ； 3 符合给定条件测点比例数f 。 当工作区有n 个测点时，分别测得各点的温度和速度。则工作区温度和 速度的算术平均值： f ，； 一巾， ( 2 1 ) h 空调区空气温度和速度的均方根偏差为： q 。 式中 f 一各测点的温度，； u 一各测点的速度，( m s ) ； f 。一一所有测点温度的算术平均值，； 一一所有测点速度的算术平均值，( m s ) 。 ( 2 2 ) 厚厚 哈尔滨工程大学硕士学位论文 根据温度和速度的均方根偏差q 、q 与平均温度和平均速度0 的比 值，则有温度和速度的不均匀系数k 和k 定义为 k = k 。j ， ( 2 3 ) 符合给定要求的测点的比例数，定义为： 砧( 2 - 4 ) 式中 月。一符合给定要求的测点数。 上述三个指标k 、k 与f 客观地反映了气流组织是否合理的情况，即 温度场与速度场的均匀性和舒适程度。不均匀系数k 、k ，越小，比例数f 越 大，温度场、速度场越均匀，气流组织越好。 2 2 换气效率 用通风方法改善室内空气，就是在建筑室内把不符合卫生标准的污浊空气 排至室外，把新鲜空气或经过净化符合卫生要求的空气送入室内。通风的耳 的在于通过控制空气传播污染物，采用净化、排除或稀释的技术，保证环境 空间具有良好的空气品质，提供人的生命过程的供氧量，提供适合生活和生 产的空气环境。为评价室内空气被更新的有效性，应用空气寿命及换气效率 来确定室内气流组织的合理性【2 6 】。 定义空气寿命为： f ；f oc ( r ) a r ( 2 5 ) l 0 式中c 一) 一瞬时浓度； c n一初始浓度。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 空气寿命越短意味着空气滞留在空间内的时间越短，也就是被更新的有 效性越好。假定理想的送风方式为一活塞流，送入的新鲜空气为l ，房间的 体积为v ，则该房间换气的名义时间常数为： 矿 3 i 取房间内空气可能的最短寿命为? 名 ( 2 6 ) 并以此作为在相同送风量条件 下不同气流分布方式换气效果优劣的比较基础，得出换气效率的定义为 。；筝- o o ；，o o 飞扭 ( 2 7 ) 显然，换气效率= 1 0 0 只有在理想的活塞流时才有可能，全面孔板 送风接近这种条件。 2 3 热舒适性标准 人体对于所处的热环境的生理反应从客观上讲是无法准确描述的，因此 就需要在实验室条件下给这种主观印象相应的评定标准，目前常用的热舒适 评价标准有以下几种：由f a n g e r 教授提出的p m v p p d 指标；a s h r a e 给出的有效温度0 盯) 指标、有效风感温度( r o t , e f f e c t i v ed r a f tt e m p e r a t u r e ) 、 空气分布特性指标( a d p la i r d i f f u s i o np e r f o r m a n c ei n d e x ) 。 2 3 1p m v - p p d 指标 国际标准化组织( i s o ) 根据丹麦工业大学p 0 f a n g e r 教授的研究成果 于1 9 8 4 年制定了i s 0 7 7 3 0 标准，即“适中的热环境一p m v 与p p d 指标的确 定及热舒适条件的确定”，提出了室内热环境的评价与测量的新标准化方法， 来描述和评价热环境。该指标综合考虑了人体活动程度、衣服热阻( 衣着情 况) 、空气温度、平均辐射温度、空气流动速度和空气湿度等六个因素。p m v 哈尔滨工程大学硕士学位论文 指标代表了对同一环境绝大多数人的冷热感觉，因此可用p m v 指标预测热 环境下人体的热反应。p 0 f a n g e r 教授收集了1 3 9 6 名美国和丹麦受试对象 的冷热感觉资料，并利用人体热平衡原理，确定了预期平均评价p m v ( p r e d i c t e dm e a nv o t e ) 的数学表达式，并利用概率分析方法，确定了p m v 和预期不满意百分率p p d ( p r e d i c t e dp e r c e n t a g eo fd i s s a t i s f i e d ) 旨标之 间的数学关系式。f a n g e r 提出的p m v 评价指标的数学表达式为i - q ： p m v - 0 3 0 3 e x p ( - o ，0 3 6 m ) + 0 0 2 8 m w 一3 0 5 x 1 0 3 5 7 3 3 6 9 9 ( m 一) 一晶】一0 4 2 ( m 一) 一5 8 1 5 1 1 7 2 1 0 - 5 m ( 5 8 6 7 一岛) 一o 0 0 1 4 m ( 3 4 一k ) 一3 9 6 1 0 8 ，c f ( o ，+ z ，。) 4 一( i + 2 7 s ) 4 一，乞( r 。，一r 。) ) 式中 m 一一人体能量代谢率，决定人体的活动的大小， 人体所做的机械功，w ，n 岛一人体周田永蒸气的分压力，p a t a 一人体周围空气的温度， 厶 一穿农面积系数 t d 一衣服外表面温度， t ，一房间平均辐射温度， h c 一对流换热系数，乡乙馕) ( 2 8 ) ) f a n g e r 教授将热感觉分为7 级( - - 3 + 3 ) ，p m v 分度表如下 表2 1 t 1 6 1p m v 分度表 热感觉热暖微暖适中微凉凉冷 p m v 值+ 3+ 2+ l0123 由于人与人之间的生理上的差别，而p m v 指标只代表了人们对环境的 喻尔滨工程火学硕士学位论文 平均感觉，即使人们的平均感觉是满意的，从极端的角度讲，仍有人对这一 环境不满意，因此还需采用预期不满意百分率( p p d ) 指标来表示对环境不i 意的百分数。p p d 与p m v 之间的关系可用图2 1 表示。在p m v - - - - o 出处，p f 为5 ，这意昧着室内环境为最佳热舒适状态，由于人的生理差别，还会有 的人感到不满意。i s 0 7 7 3 0 对p m v p p d 指标的推荐值为p p d 8 0 时就可以认为空调区内气流 组织是令人满意的，如果a d p i = 1 0 0 ，表示达到最佳。 2 4 能量利用系数叼 室内气流组织方案的选择直接影响着空调系统的能耗。良好而经济的气 流组织形式，应在保证工作区满足空调参数的前提下，使空调送风有效地排 出工作区的余热，而不是将工作区以外的余热带入工作区。这样，不增加送 风量而只提高排风湿度，就可直接排除这部分热量，从而提高了系统的经济 性。能量利用系数，7 ，又称为温度效率( t e m p e r a t u r ee f f i c i e n c y ) ，是对系统 进行能量经济评价的一个指标渺1 。其定义式如下： r l ；t o - t o ( 2 1 1 ) k 一乞 式中乞排风温度，： 毛送风温度，； f 。一工作区的空气平均温度，。 当t ( t o 时，叩) 1 ；t a ( t o ，r ( 1 。r 越高越节能，系统的经济性越好。 一般而言，对混合通风系统，其能量利用系数刀= 1 0 ：对下送风或置换 通风系统，其能量利用系数，叼 1 0 ；对气流短路的情况，其能量利用系数r d ，d 为管道 直径) ，圆管内混合长度可用n i k u r a d s e 公式计算： 表3 1 【2 2 1 值随流体结构的变化 流动结构平面混合层平面射流扇形射流圆柱射流 a 值0 0 70 0 90 1 2 5 0 0 7 5 - 0 1 4 - 0 0 8 ( , z 一么) 。( 卜么) 4 - 3 ) 式中r 圆管半径： y 一是以轴线为原点的径向坐标。 3 2 2 一方程模型 为解决湍流粘性系数随均流速度梯度而趋于零的问题，k o l m o g o r o v ( 1 9 4 t ， 和p r a n d t l ( 1 9 4 5 ) 分别提出由求解湍流特性( 包括湍流) 的微分方程来确定 湍流粘性，规定： 心= 巳p k 儿f ( 3 4 ) 式中卜一湍流长度尺度； c 。一是常数； 一湍流脉动动熊平均值。 其中k 的输运方程： 等+ i 善一毒f l i 功 - 瓦等一摹吾 c s 剐 为使方程封闭，必须对这些项作近似的处理，以把它们表示成其它时均 变量的函数，经过处理可得k 方程的最终形式为 啥尔滨工程大学硕士学位论文 等岬- - i o k 毒滢筹) + 雎( 荨+ 等) 一譬c 3 柳 式中 c 口- 0 8 , ；j 一方程模型考虑了对流和湍流扩散输运，脉动特征速度通过增加湍能k 的输运方程求得，所以一方程模型比零方程模型更优越。但一方程模型中也 假定湍流粘性系数是各向同性的，对运动过程影响的考虑也不充分；并且湍 流长度尺度z 仍需用代数式给出，具有同样的局限性。 3 2 2 k s 两方程模型 采用尽两方程模型求解湍流对流换热问题时，控制方程包括连续性方 程、动量方程、能量方程、湍流脉动动能k 方程及湍流能量耗散方程和确 定湍流粘性系数的方程。湍流控制方程的导出是从流体力学的基本方程出发， 引入时均值及脉动值，经过若干假设和简化，演化成适于湍流粘性流的湍流 时均方程。 根据b o u s s i n e s q ( 1 8 7 7 ) 假设，n n n r c j n 酬jr e y n o l d s p k 巧也与 层流运动应力那样可以与时均的应变关联起来，即湍流脉动所造成的应力可 以表示为： ( ) 。i 却两- - p , 6 j + u , 降甜矿 协7 ， 式中只是脉动速度所造成的压力，定义为： p i 2 p k t i l p ( 万+ 万+ 万) ( 3 - 8 ) 这里k 是单位质量流体湍流脉动动能： k 。三f u “+ v ”+ w ”l( 3 9 ) “称为湍流粘性系数( t u r b u l e n c ev i s c o s i t y ) ，它是空问坐标的函数， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 取决于流动状态而不是物性参数，而分子粘性似则是物性参数。可表示为： 段= c p k 2 ( 3 1 0 ) 式中e 是湍流脉动的耗散率。通过引入，可以把地与k 联系起来。 3 3 计算区域与控制方程的离散化 3 3 1 空间区域的离散方程 对流动与传热问题进行数值计算的第一步是区域离散化。一般的实施过 程是：把所计算的区域划分成许多互不重叠的子区域( s u b d o m a i n ) ，确定每个 子区域中的节点位置及该点所代表的控制容积( c o n t r o lv o l u m e ) ，这一过程 又称为网格生成( g r i dg e n e r a t i o n ) 。离散化过程结束后得到以下四种几何要 素： 1 节点需要求解的未知物理量的几何位置； 2 控制容积应用控制方程或守恒定律的最小的几何单位； 3 界面它规定了与各节点相对应的控制容积的分界面位置； 4 网格线沿坐标方向连接相邻两个节点而形成的曲线簇。 现在已经发展出对区域进行离散以生成计算网格的方法，统称为网格生 成技术。在完成了模型设计之后，接下来就是要在整个计算区域内生成网格， 这是计算求解过程的基础。网格由位于整个计算区域的一些离散的单元组成。 一个良好的计算网格对于成功和精确的求解是个本质要素。如果整个网格过 稀，结果就可能不准确。网格过密，计算耗时会很巨大。如果网格在某处过 于密集，而在另一处过于稀疏，求解就可能根本不收敛。网格质量直接决定 着求解的经济性和准确性。 本文中的网格在三个坐标轴方向都取为0 0 5 米，顶棚和热源周围以及进 风口和出风口进行了适当的加密。 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 2 控制方程的离散方法 上面我们己经获得了描写本课题流动和传热问题的控制方程的形式。接 下来就要对这些方程进行离散，变微分为差分，建立差分方程。建立离散方 程的方法主要有以下四种：t a y l o r 展开法、多项式拟合法、控制容积积分法 和控制容积平衡法【2 l 】。 这四种方法中，t a y l o r 展开法和多项式拟合法偏重于从数学角度进行推 导，把控制方程式中的各阶导数用相应的差分表示式来代替，而控制容积积 分法和控制容积平衡法则着重于从物理观点来分析，每一个离散方程都是有 限大小容积上某种物理量守恒的表达式。 前两种方法的优点是易于对离散方程进行数学特性的分析，缺点是变步 长网格的离散方程形式较复杂，导出过程的物理概念也不清晰，而且不能保 证所得到的差分方程具有守恒特性；后两种方法推导过程物理概念清晰，离 敌方程的系数具有一定的物理意义，并且可以保证离散方程具有守恒的特性， 缺点是不便于对方程进行数学特性的分析。但综合起来考虑，有限容积法更 具吸引力，这也就是目前国际上著名的流动和传热问题的商用软件 ( p h o e n i c s ，f l u e n t ，s t a r c d ，c f x ) 都是以有限容积法为基础发展起来的原因 t 2 1 。 本课题采用控制容积积分法，应用此方法导出离散方程的主要步骤是： 1 将守恒的控制方程在任一控制容积及时间间隔内对空间和时间作积 分。 2 选定未知函数及其导数空间及时间的局部分布曲线，即如何从相邻的 节点的函数值来确定控制容积界面上被求函数值的插值方式。 3 对各个项按选定的形线作出积分，并整理成关于节点上未知值的代数 方程。 3 3 ，3 差分格式 通用微分方程离散过程中，针对其中的每一项，采用相应的差分格式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 实践证明，采用一阶格式便可以达到一般的精度要求，扩散项常采用中心差 分格式，对流项可能采用的差分格式有中心差分、迎风差分、混合格式、乘 方格式和指数格式，其中迎风格式和乘方格式被广泛地采用，各种对流格式 的特征系数4f i p i 、见表3 2 【芷l 。另外，随着计算机速度的不断提高，为了克服 一阶对流格式的假扩散现象，许多高阶的对流格式，如q u i c k 格式、二阶迎 风格式得到了广泛的应用。本文中所采用的是二阶迎风格式。 差分格式特征函数月( 川) 中心差分方案1 - o 5 俐 上风方案 1 混合方案 m “( n j o j i e l ) 幂指数方案 m “ d ，( z o 5 1 p i ) 】 指数方案 i p i e z p ( ：i ) 一q 3 4 代数方程组的求解和s i m p l e 算法 3 4 1 代数方程组的求解 在对室内流动的控制方程进行离散后，求解所得到的代数方程组这一过 程是对物理过程进行数值模拟的最后一个重要的环节。代数方程的求解可以 分成直接解法和迭代法两大类。 直接解法是通过有限步的数值计算可以获得代数方程真解的方法。由于 其在求解的有效性和经济性方面的缺陷，无论是在求解线性物理问题的代数 方程组还是非线性问题每一迭代层次上所形成的线性代数方程组，都几乎不 采用此方法，一般都用迭代法求解。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 线性代数方程的迭代解法有很多，比较常用的有点迭代法、块迭代法、 交替方向迭代法和强隐迭代法。在点迭代法中，每步计算都只能改进求解 区域