（制冷及低温工程专业论文）气流组织对室内空气品质影响的数值模拟.pdf

摘要 本文首先阐述了研究室内空气品质的熏要意义以及目前国内外的研究动态，并说明计算 流体力学在反映i a q 状况的流场分布的计算上有着不可比拟的优势。本文主要研究居室内 空气空气品质的问题，利用计算流体力学的方法对室内气流进行数值模拟，得到室内气流的 速度场和浓度分布情况。 选取一套二居室作为研究对象，考虑维护结构、室内家具和室内人员等因素，对其进行 分析、简化和建立数学模型，设定合理的边界条件和初始条件。在对数学模型和物理模型进 行理论分析的基础上，运用r 一两方程紊流模型与s i m p l e 方法对室内气流组织进行三维 数值模拟，边界条件采用了l - e 模型结合壁面函数的方法进行了处理。同时对方程离散、 方程组的耦联求解及s i m p l e 算法等数值计算以及湍流及其模型等问题进行了论述。 运用f l u e n t 软件对四种不同的气流组织方式进行模拟，在对结果进行分析和比较的基础 上，进一步揭示哪些因素是影响室内气流分布的主要因素。通过模拟分析进一步推广，对室 内气流组织方式的合理性和有效性进行了更深层次的评判，为空调房间气流的研究和优化设 计提供了一种重要的方法。 总之，本文为创造一个令人满意的居室气流组织力式进行了有意义的探索。 关键诃一空气品质气流组织数值模拟c f d 技术 a b 毗r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y s e st h e s i g n i f i c a n c eo ft hs t u d yo fi n d o o ra i rq u a l i t y , s u m m a r i e st h e d e v e l o p m e n to ft h et h er e s e a r c ho ni n d o o ra i rq u a l i t y , a n dn a r r a t e st h ea d v a n t a g eo fa p p l i a n c eo f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y a a m i c so ni a qr e s e s r c h t h es t a d yo b j e c ti sa na p a r t m e n tu n i tw i t ht w ob e d r o o m sa n do n eh a l l w h e nt h e m a t h e m a t i c sm o d e li sf o u n d e d ，s o m ec o n d i t i o n sa r et a k e nt oa c c o u n ts u c ha so u t d o o rt e m p e r a t u r e ， s l r u c t u r eo fe n c l o s u r e f u r n i t u r ea n do c c u p a n t si n d o o r a n dt h e ns e tt h er e a s o n a b l eb o u n d a r ya n d i n i t i a lc o n d i t i o n s b a s e do nt h et h e o r e t i c a l l ya n a l y s i so fp h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h e k 一t w o e q u a t i o nt u r b u l e n c em o d e la n dm e t h o do fs i m p l e ea d o p t e ds i m u l a t e t h e t h r e e - d e m e n s i o n a la r id i s t r i b u t i o no ft h er o o m , e f f e c to fb u o y a n tf o r c eo nr 一m o d e li s c o n s i d e r e da n dt h ew a l lf u c t i o ni su s e df o rt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n g o v e r n i n ge q u a t i o nd i s c r e t e ， s o l v i n go ft h ec o n j u g a t e da l g e b r a i ce q u a t i o ns e ta n ds i m p l em e t h o da r ea l s od i s c u s s e di nt h i s p 印e l s i m u l a t ef o u rk i n d so fa i rd i s t r i b u t i o nm o d eu s i n gt h es o f t w a r ef l u e n t o p e no u tt h ef a c t o r s w h i c ha r et h ep r i m a r yf a c t o r sa f f e c tt h ei n d o o ra i rd i s t r i b u t i o na f t e ra n a l y s i n ga n dc o m p a r i n gt h e r e s u l t f r o mg e n e r a l i z i n gt h ea n a l y s i so fr e s u l t ，t h ea d v i c ef o ri m p r o v i n ga i r f l o wi nt h er o o mf r o m t h ea s p e c to fa i rq u a l i t yi sp r o v i d e d ，a n dan e wm e t h o df o rs t u d y i n ga n dd e s i g n i n gt h ea i r f l o wi n a i r - c o n d i t i o n e dr o o mi sp r e s e n t e d i ns h o r t ，t h i ss t u d yi sv a l u a b l eo fp r o v i d i n gas a t i s f i e dm e t h o do fo r g a n i z i n gt h ea i r f l o w i n d o o r k e yw o r d s ：a i rq u a l i t y , a i rd i s t r i b u t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c f dt e c h n o l o g y i i 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章弓i 言 随着社会的进步和经济的发展，人们生活水平不断的提高，现代人们对居住的建筑环 境要求也越来越高。而另一方面，越来越多的人们开始注重居室的美观和舒适，室内装修 已经成为非常普遍的现象。各种新型建筑材料、装修材料、日用化学品进入居民住宅，这 就造成了室内污染物的积累，室内污染源排放的污染物在室内空气污染重占的比重越来越 大。室内的装修材料散发出的甲醛、苯、二甲苯、氯化烃等各类气体污染物目前已知的就 有三百多种，这些污染物对人体的健康形成不同程度有危害，有的甚至是致癌的。在过 去的二二十多年，长期生活和工作在现在建筑物内的人们表现出越来越严重的病态反应，这 一问题也引起了专家和学者们的广泛重视，并很快提出了病态建筑s b ( s i c kb u i l d i n g ) 和 病态建筑综合症s b s ( s i c kb u i l d i n gs y m p t o m ) 的概念。“1 目前，室内空气品质i a q ( i n d o o r a i r q u a l i t y ) 作为一个概念已经被人们广泛接受。如 何有效排除室内气体污染物改善室内空气品质，在暖通空调设计工程中足必须要考虑的问 题。加强过滤、增加通风量和改善室内气流组织足目前有效的三种方法。而组织最优的通 风方式，在保证室内空气品质达到要求的情况f 使通风量最小，对于节能而苦意义是非常 重大的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1国内外关于空气品质的研究现状 a s h r a e 6 2 1 9 8 9 r 中提出了可接受的室内宁气品质( a c c e p t a b l ei n d o o ra i rq u a l i t y ) 和 感受到的可接受的室内空气品质( a c c e p t a b l ep e r c e i v e di n d o o ra i rq u a l i t y ) 等概念。可接受 的室内空气品质定义如下：空调空间中绝大多数人没有对室内空气表示不满意，并且空气 巾没有已知的污染物达到了可能对人体产生严重健康威胁的浓度。可感受到的可按受的室 内空气品质定义如下：空调空间中绝大多数人没有因为气味或刺激性而表示不满。它是达 到可接受的室内空气品质的必要而非充分条件。 当前，室内的空气品质的评价一般采用量化监测与主观调查相结台的手段进行。”l 其 中量化监测是指直接测量室内污染物的浓度来释观了解、评价室内空气品质：而土观评价 则足利f l j 人的感觉器官进行描述与评价。客观评价的根据是人们受到的影响跟各种污染物 浓度、种类、作用时间之间的关系，同时还利用了空气年龄( a i ra g e ) 、换气效率( a i r e x c t m n g ee f f i c i e n c y ) 、通风效能系数( v e n t i l a t i o ne f f e c t i v e n e s s ) 等概念和方法。然而，日 前人体反应跟污染物之问的各种关系还没有完全得到科学的解释。除了各种指标外，人们 的反应跟其个体特征密切相关，即使在相同的室内环境下，人们也会因所处的精神状态、 工作压力、性别等因素不同而产生不同的反应。所以，剥室内空气品质的评价必须将各种 主观因素考虑在内。 广义上的污染物包括了固体颗粒、微生物和有害气体，如果考虑其中微生物多依附于 固体颗粒或液滴传播，污染物可分为颗粒污染物和有害气体污染物，其中颗粒污染物包括 固体颗粒和微生物。对于颗粒污染物，一、二次扬尘和室内湿度过大足其产生的原因，当 东南大学硕士学位论文 前主要采用避免扬尘、增强过滤、控制湿度等方式以及控制产生源等手段避免这方面的污 染。当前人们认识到各种v o c 、c o 、c 0 2 、氡、甲醛、苯等气体会对人体产生不良影响 但在低浓度情况下，具体的影响程度以及多种有害物综合作用的影响还不十分清楚。据测， 室内的有害气体有几百种，将它们跟人体的不适感科学地联系起来是一项长期而艰苦的工 作。 4 j 污染物的产排特性也是研究的一个难点。建材、装饰材料会产生出多少污染物，污染 物之间如何相互反应等问题是解决污染的关键。从传统上来讲，控制污染源是避免污染的 最好方法，但对有害气体的污染控制很难采用这种方式。所以，需要将污染物的产排特性 弄清楚，以有利于采用其他手段。 改善室内空气品质，在当前情况下仍以h v a c 系统的设计和维护及各种污染源的去除 为主。在h v a c 系统的设计上，需采用新的设计指标充分保证新风量，同时充分考虑维护 结构的气密性和建筑物内压力分布，保证室内合理的通风换气效果。还应合理设计通风气 流组织，保证不同工矿、不同参数是能将新鲜空气送到工作区将污染物及时有效排出。 工程实践表明，在其他条件相同的情况下，采用不同的气流组织形式，会对室内空气品质 产生很大影响。在系统运行时，需要定期检测建筑内通风系统、室内温湿度、压力分布及 污染物指标，并考虑过滤器的效率，对过滤器定期进行更换清洗。在污染源控制方面，要 对室外空气进行清洁过滤处理，还应监测室外空气状况，超标时能及时处理并采取相应的 动作。同时应隔离污染源并对其作一定处理，避免建筑物内交叉污染。对于有凝结水产生 的换热器和通风设备等，在系统停止工作时应保持通风直至凝结水干燥，以避免生微生物。 在建筑上，尽量使用低污染的建材、装饰材料，减少污染物的散发。 随着计算机的发展，利用计算流体力学对气流组织进行数值模拟的方法应运而生。数 值模拟方法通过求解质量、动量、能量、气体组分质量守恒方程和粒子运动方程，得到室 内各个位置的风速、温度、相对温度、污染物浓度、空气年龄等参数，从而分析评价通风 换气效率、热舒适和污染物排除效率等。m 于数值模拟方法具有周期短、费用低等特点， 并且能够预先进行，冈此室内空气品质评价和污染物浓度分析的有效工具。 1 2 2c f d ( 计算流体力学) 简介及其在暖通空调领域中的应用“。2 1 1 2 2 ic 即简介 前文提到的室内气流组织会对室内空气品质产生影响，而研究气流组织( 流场) 最实 用有效的方法就是c f d 。简单的说，c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 就是利用计算 机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，这其中将涉及流体力学( 尤其是湍 流流动) 、计算方法、计算机图形处理等技术。因问题的不同，c f d 技术也会有所差别， 如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动等。对于暖通空调领域内的流动问 题，多为低速流动，流速在1 0 r r g s 以下；流体密度变化不大，谷可将其视为不可压缩流动。 但是。暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，这又给解决实际问题带来了很大的困难。 由于湍流现象是流体力学领域研究的前沿课题，目前暖通空调领域内的一些湍流现象主要 依靠湍流半经验理论来解决，而本文采用现代湍流模型的c f d 方法来研究。 1 2 2 2 c f d 在h y a c 领域中的应用 早期的通风空调系统主要采用集总参数的方法进行设计，房间的空调效果也不用平均参 数来考察，因此往往出现房间的空调负荷很大、设备投资和运行费用很高的情况，同时， 随着空调的日益普及，出现了很多“病态建筑”，室内空气品质越来越引起人们的重视。众 2 第1 章引言 所周知。通风空调的目的就是通过人工的方法，在有限的空间内创造一种健康、舒适、安全、 高效的空气环境，因此人们希望在规划设计阶段就能详细了解由空调通风所形成的室内空气 流速、温度、湿度、有害物浓度等的分布。从而制定出最佳的通风空调方案。 近年来的研究和经验表明，室内空气流动情况对人体热舒适感和健康、房间空调通风效 率以及建筑物能耗有着重要的影响。为此，空调工程师需要了解和研究室内空气流动情况， 目前主要有三种方法：射流理论分析、模型实验以及数值模拟。由于建筑空间越来越复杂化、 多样化和大型化发展，而传统的射流分析方法基于某些标准或理想条件所提出或实验得到的 射流公式，势必会带来较大的误差。并且射流方法只能给出室内的一些参数性的信息，不能 给出设计人员所需的详细资料；模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但需要 较长的实验周期和昂贵的实验费用，难于在工程设计中广泛采用。 随着计算机技术的发展，利用计算机求解空气流动控制方程组的数值模拟预测方法也有 了很大的发展。利用计算机求解那些流体流动中满足的各种守恒控制偏微分方程组的技术也 即c f d 技术，具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故 其逐渐受到人们的青睐，c f d 方法也越来越多的应用于暖通领域。首先，利用c f d 方法可 以对室内空气流动形成速度场、温度场、湿度场以及有害物浓度场等进行模拟和预测，从而 可以得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况，这对于保证良 好的房间空调系统气流组织设计方案、提高室内空气品质以及减少建筑物能耗都有着重要的 指导意义，其次。利用c f d 技术也能对建筑外部的空气流动情况进行模拟和预测，有助于 建筑师进行建筑设计时全面考虑建筑物周围的微气候。还有，对于暖通空调工程中其他的一 些流动问题，也可以用c f d 方法进行模拟，可以较快地提供给研究者详细的有关资料，避 免大量昂贵复杂的实验。 1 2 2 3c f d 在田内外的应用现状 我国暖通空调制冷行业已有不少专家对c f d 的应用研究开展了大量的工作，在民用建 筑空调舒适性、置换通风、洁净空调等问题的模拟已取得了一定的成果，主要表现在以f 方 面： ( 1 ) 通风空调设计方案优化及预测、空调设计方案的数值预测( 仿真) 、高大空间气流 组织、置换通风方式的数值模拟、洁净室气流分布的数值模拟等； ( 2 ) 传热传质设备的c f d 分析，如各种换热器、冷却塔的c f d 分析； ( 3 ) 射流技术的g f d 分析，如空调送风的各种末端设备等； ( 4 ) 冷库库房及制冷设备的c f d 分析； ( 5 ) 流体机械及流体元件，如泵、风机等旋转机械内流动的c f d 分析，各利阀门的c f d 分析等； ( 6 ) 空气品质及建筑热环境的c f d 方法评价、预测； ( 7 ) 建筑火灾烟气流流动及防排烟系统的c f d 分析； ( 8 ) 锅炉燃烧( 油、气、煤) 规律的c f d 分析； ( g ) 通风除尘领域，如工业通风系统、各种送排风罩的c f d 分析，静电除尘器、旋风除 尘器、重力沉降室内气粒分离过程的c f d 分析； ( 1 0 ) 城市风( 或建筑小区微气候) 与建筑物及室内空气晶质的相互影响过程的c f d 分析； 0 d 观望水利计算的数值方法。 在国外，c h e n q i n g y a n 在1 9 8 8 年利用c f d 技术对建筑物能耗分析、室内卒气流动以及 室内空气品质等问题进行了分析和研究；1 9 9 0 年和1 9 9 1 年，j o n e s 和w a t e r s 报道了人量利 用c f d 技术对前庭、机场候机厅、洁净室以及办公室进行分析的实例：香港理j 二火学周允基 在论计算流体力学在屋宇设备工程之应用中讨论了应用计筇流体力学对室内空气流动的 3 东南大学硕士学位论文 研究，提出了c f d 模型中的三个关键元素：( 1 ) 湍流模型，( 2 ) 有限容积法用于离散化守恒 方程，( 3 ) 解决速度压力耦合方程的算法。以上的研究表明，随着计算机技术的发展，高级 的湍流模拟技术开始应用于工程领域。 在日本，最早是用于建筑热负荷计算方法的开发，尔后使用了这项技术开发了标准气候 参数，并逐步用到动态热负荷数值模拟中，此后研制了气流数值解析c f d ，这些技术在日本 均已进入了实用化阶段。在所使用的c f d 软件中，广泛的应用了现行的解析手法、数学物理 模型因此体现了c f d 软件的通用性。用于实际离散化方法的主要是m a c 法和s i m p i 。e 法， 湍流模型则以标准k e 模型居多，解析坐标系多采用直角坐标。 空调设计的最终目的是以经济技术合理的系统设计及设备选型视线所要求的室内气候 环境( 温湿度、气流、污染物质浓度等的分布) ，实现对这些环境参数的合理控制。应用计 算机技术对流动与传热基本方程进行数值解析，计算流体力学便是除模型实验外的可详细解 析三次元室内气流的的唯一手段。利用c f d 技术，可更有效地了解室内气流的构造、分布特 征，为合理的系统设计及设备选型提供有益的参考资料。 在传统的室内气流组织设计中，对送风口、回风口以及室内热源等各种因素，往往只能 凭个人对物理现象( 气流、传热) 的理解，凭经验进行单纯的合成( 即线性近似) 进行设计。 但是由于各种参数间的相互影响，实际上是呈非线性关系，因此不能单纯地合成，而计算流 体力学能较好的处理非线性问题。其中离散化处理( 时间、空间的分割) 直接与计算机的能 力( 计算速度、内存容量) 相关。分割( 时问间隔、计算网格) 越细，对计算机的能力要求 就越高( 解析精度也就相对较高) 。 对于复杂的湍流现象用计算机直接模拟计算从计算时间、计算机内存容量上近于不町 能。由此，在丁= 程上，着眼于流场的宏观粘性分布，在对微小涡流构造忽略的前提下，近似 的将瞬时变化的湍流部分做时间平均化处理，从而产生了湍流模型，其中应用最多的要算 k e 两方程湍流模型。 1 2 2 4c f d 应用的动向和发展前景 传热与流动式空调制冷领域乃至整个自然界最为普遍的现象与规律+ 这些问题的计算机 分析与模拟对国民经济建设具有重要意义，为此计算流体力学c f d 已逐渐成为许多行业研究 与发展的重要课题。但由于实际工程问题的复杂性，许多计算仍停留在实验室理论分析阶段， 为实际工程计算与设计提供直接服务还是相当困难的，其主要原因是尚未形成简单易用、功 能强大的计算机模拟软件。国际上目前仅有几套相对比较成熟的c f d 商业软件，如 p h o n i e c sf l u e n tc f x 等，但他们的推广与应用却受到了很大的限制，主要因为：( 1 ) 价格 昂贵，因为他们的研制花费了许多研发人员几十年的努力；( 2 ) 一般使用与工作站环境，因 为这些软件一般都需要相当大的计算机内存及图形处理与显示能力；( 3 ) 计算方法均采用有 限差分法f d m ( 包括控制容积法f v i d ) ，为增强对1 i 规则边界问题的处理能力，普遍采用贴体 坐标变换b f c 技术来实现， 日这种b f c 网格生成千h 当费时( 有时占整个计算过程的2 3 工作 量以上) ，而且自动化程度不高。尽管目前囤内已有不少单位引进了上述的c f d 黑匣子系统 软件，但他们基本上属于较低或已淘汰版本( 因为其价格便宜) ，其功能与应用不尽如人意 也就可想而知了，而且对于暖通空调领域的一些实际问题而言，目前的商用软件还无法解决 其中的某些特殊问题。因此，发展经济实用、功能强大、适用于微机的c f d 软什是今后重要 的发展方向与目标。 自7 0 年代末8 0 年代初起，印已有一些高效、研究机构开始c f d 技术的应用研究，2 0 年来已取得了许多重要的成就，研究的范围从以室内空气分布以及建筑物内烟气流动规律的 模拟为主，逐渐扩展到室外及建筑小区绕流乃至大气扩散问题，并已形成一蝗可以解决实际 问题的软件。从软件工程的角度来看，求解( 核心计算) 的部分与国外先进水平差距不大， 4 第1 章引言 主要差距表现在浅处理即几何造型与网格生成技术、后处理即科学计算可视化部分。开展 c f d 方面的研究上有大量工作要做，表现为： ( 1 ) 各剥i 物理现象、对象空间的联立解析，例如：在空间热气流解析中输入人体数值模 拟。人体热平衡模拟中输入生理、心理评价模型等，增强舒适性评价的力度。 ( 2 ) 阐明复合的物理现象的内在构造，建立对c f d 解析结果的客观评价体系，增加解析 的精度，开发新的解析手法。 ( 3 ) 与热负荷计算之类的模拟计算相比，解析精度有待进一步提高。c f d 的解析如前所 述，因其非线性特征，使其难度增大，并非所有的解析都达到了令人满意精度，在对c f d 解析结果作评价时，要给与客观的评价。 ( 4 ) 需要对c f d 关注的数据库作进一步的统一，提高使用效率，如加强与c a d 数据的连 接以提高其通用性。 ( 5 ) 人才的培养：c f d 软件的操作性能虽大有改善，并包罗有多种解析模式、解法，但 解析的过程中对如何做正确的选择和判断，相应的c f d 和宅调专业知识是不可缺少的，并应 具有一定的现场实测经验。 ( 6 ) 实测的验证：c f d 的解析结果应尽可能通过实测进行验证，反馈于软件的完善，以 期进一步提高解析精度。 1 3 本论文研究的主要内容 本课题研究的主要埘象是含有各种建筑材料、家具、电器、人体等各种污染源的住宅空 间，运用合理的数值计算方法对通风房间的气流组织进行数值模拟，通过建立相应的物理数 学模型对不同送风方式下的房间的流场分布及污染物的浓度场分布进行分析和比较，进步 揭示哪些因素是影响室内气流分布的主要冈素。存假设的模型基础上，通过数值模拟的方法 找出最合理有效的最优通风方式，既可以达到室内污染物的排放标准，满足人体对室内空气 的健康舒适兴的要求，又可以大大节省风量达到节能的效果。并通过对假设模型的模拟分析， 进一步推广，对室内气流组织方式的合理性和有效性进行更深层次的评判，以提出更为合理 的房间通风方式的设计方法。 本课题采用的研究手段主要是计算流体力学( c f d ) 的数值模拟方法。首先建立假定的 房问模型，设定合理的边界条件和初始条件。在对数学模型及物理模型进行理论分析的基础 上，考虑浮升力的室内气流组织，运用r 一两方程紊流模型与s i m p l e 方法对室内气流组 织进行了三维数值模拟，边界条件采用了r 一占模型结合壁而函数的方法进行了处理。同时 对方程离散、方程组的耦联求解及s i m p l e 算法等数值计算以及湍流及其模型等问题进行了 论述。通过f l u e n t 软件来对模型求解，j ：对结果作最后分析。 东南大学硕士学位论文 第2 章气流组织 2 1 通风及气流组织 2 1 - l 通风形式 按照通风区域的大小。通风系统可分为局部通风和全面通风。按照通风动力的不同， 通风系统可分为机械通风和自然通风。 局部通风一般用于工业上，特别是室内污染源比较固定的场合。自然通风由于受室内 外条件的影响较大，有时难以得到预想的空气流动状态，通风效果不太可靠，但对产生大 量余热的高大车间，利用自然通风的达到巨大的通风换气量，是一种经济有效的通风方式。 目前通风空调系统中常用的空气分布方式有两类。一类是以稀释原理为基础的混合通 风，另一类是姒热对流为基础的置换通风。混台通风气流分布的典型代表为散流器上送风 及百叶风口上侧送风。上述两种混和送风方式使室内t 作区处于气流的回流区域。混合通 风送入室内的新鲜空气先于室内顶部的得热污染空气混和后，由回流气流送入工作区。室 内人员应享受的新鲜空气已在送风过程中被污染。置换通风的送风装置布置在近地面处。 将新鲜空气以低速状态( o 5 ms ) 直接送入工作区，并在地板上形成一层较薄的空气湖。 新鲜空气沿地而扩散，由于低风速低紊流度的特性。室内空气极少参与其中。新鲜的冷空 气随着室内热源( 人体或热设备) 向上部提升，而被热源所污染的空气有新鲜空气推向顶 部。这就是出于工作区的室内人员能及时呼吸到新鲜的空气， 2 1 2 气流分布形式 空间气流分布的形式取决于送风口的形式及送排风口的布置方式。“” ( 1 ) 上送下回 常见的 二送下回气流分布有侧送侧凹，散流器送风和孔板送风。由于上送下回的气流 分布形式送风气流不能直接进入工作区，所以有较长的与室内空气混掺的距离t 能够形 成比较均匀的温度场、速度场和浓度场。孔板送风尤其适用于温湿度和洁净度要求高的对 象。 ( a 侧送侧回 ( b 散流器送风 ( c ) 孔板送风 圈2 卜送下回气流分布 ( 2 ) 上送上回 常见的上送上回气流分布有单侧上送上凹、异侧上送上回和散流器上送上回。卜送上 回方式的特点是可将送( 排) 风管道集中于空间上部空间，异侧上送卜回方式可设置吊顶， 使管道成为暗装。 6 第2 章气流组织 ( a 单侧上送上回 ( b 异侧上送上回( c 散流器上送上回 图2 2 上送上回气流分布 ( 3 ) 下送上回 常见的下送上回气流分布有地板下送和置换式下送。下送方式要求较低的送风温差， 并控制工作区的风速。但因为其排风温度和排风浓度高于工作区的温度和浓度，所以下送 上回有一定的节能效果，同时有利于改善工作区的空气品质。 ( a 地板下送风 图2 3 下送上回气流分布 ( b 置换式下送风 ( 4 ) 中送风 在某些高大空间内，若实际工作区在下部，则气流组织须1 ： | 证工作区的温、温度的要 求，不需将整个空问都作为控制调节的对象，采用中送风方式，可节省能耗。 莨鼬 2 2 气流组织的任务 图2 4 中送风方式 空调房间中经过处理的空气由送风口进入房问，与室内空气进行热湿交换后，经过回 风口排出。显然，空调房间的温度场、速度场的均匀性和稳定性，与室内空气的流动情况 有密切的关系。不同的气流组织方案会形成不同的速度场、温度场、相对湿度、洁净度或 有害物浓度等夺气参数分布效果，直接影响通风空调的经济性能和技术性能。同样一个空 调房间，也可以有不同的气流组织方案，不适当的气流组织方案不仅浪费能源，增加投资， 而且达不到预期的空调效果。如图2 5 ，是几种常见的气流组织方案的例子，很显然，方案 2 5 ( e ) ，25 ( f ) 的效果明显好于前几个。 7 东南大学硕士学位论文 图2 5 几种常见的气流组织方案 因此，空调房间气流组织的任务就是使市内的球留合理的流动和分布，从而使空调房 问的温度、湿度、气流速度、洁净度等都能满足舒适性条件或工艺要求。 房问的气流组织有两个基本原则：挤压原则和稀释原则，挤压原则将室内的热濉空气 从回风口挤压出去，这是在所需的气流方向上气流只有很小的横向流动，气流分布均匀， 换气效果好，多用于手术室、洁净室、特殊生化实验室、喷漆车间等对气流组织要求较高 的场合；稀释原则使室内的热湿空气不断稀释，多利用诱导作用，从松峰口送入房间的射 流，由于其卷吸作用，使射流周嗣的空气不断地被吸入，吸走了空气的空间又由回返气流 中的一部分去补充，于是形成了回旋的涡流，在旋转的涡流区中，热湿交换比较允分，因 此温度场、湿度场也比较均匀，但在诱导作用达不到的地方，如墙角出容易形成死角。 室内气流的均匀性还与送风参数( 温差和送风速度) ，送风口的形式、直径和位置，回 风口的位置，房间的形状和热源的位置等有关。其中送风口位置和送风参数是影响气流组 织的主要因素。 2 3 气流组织的评价“4 2 3 1 通风效率 通风效率能够表示出通风系统移去室内污染物的能力。在通风系统启动后，室内污染 物的浓度首先经历一个变化的过程，然后趋于一个稳定的值，即一个从瞬态到稳态的过程。 为了完整的定义一个通风系统的性能，以上两个阶段都必须加以考虑。对一般的住宅和办 公建筑而言，其稳态情况下的浓度值是人们所关心的。对于工业通风，优势瞬态浓度也是 重要的。 通风效率又可分为相对通风效率和绝对通风效率。 相对通风效率 相对通风效率( r e a tiv ev e n t i l a t i o ne f f i c i e n c y ) 表达的是系统的通风能力在室内 的不同部分问的变化情况。 对于稳态情况，室内任一点p 处的相对通风效率的定义如下： 8 第2 章气流组织 耳2 黼 式中，e ( * ) 稳态时排风口的浓度； e ( * ) 稳态时送风口的浓度 c 。( 一) 稳态时点p 处的浓度 ( 2 1 ) 一般，送风浓度低于排风和室内各点的浓度，故e 总是为正，并且有可能大于1 。相 对通风效率考虑的是浓度的传递比例，而未考虑室内绝对浓度和相对于初始浓度的变化。 在式( 2 1 ) 中，若以室内平均浓度巴代替任意一点浓度q ，则总相对通风效率定义 如下：e = 黼 ( 2 2 ) e 反映了通风系统的总体特性。 绝对通风效率 绝对通风效率( a b s o l u t ev e n t i l a t i o ne f f i c i e n c y ) 是用稳态时的参数来定义的： 联：型二生盟：型二垦丝 ( 2 - 3 ) 9 c 蚴 c ( o ) 一e ( o 。) 从上式可以看出绝对通风效率总是小于1 ，并且有正负之分。当稳定时的室内污染 物浓度比初始浓度高时，e ! 为正，反之为负。 有关通风效率的测试表明，当送风量增加时，室内污染物浓度降低，同时排风浓度也 随之降低，此时，相对通风效率有可能增加，也有可能降低。而绝对通风效率一定增加。 所以绝对通风效率可以表示系统在不同运行工况下的性能。 2 3 2 系统参数与换气效率 名义换气率和名义时间常数 当送风与室内空气在任何时刻都能混和得很充分时，瞬态和稳态时室内浓度的变化可 以用一个单一的系统参数名义换气率( n o m i n a l a i r e x c h a n g er a t e ) n 来表示： 。：旦 e 式中，a 单位n 间的送风量 v 房间的体积； 此时的，l 就是工程中常用的换气次数。 9 ( 2 ，4 ) 东南大学硕士学位论文 名义时间常数( n o m i n a l t i m ec o n s t a n t ) 为名义换气率的倒数，即： 瓦= 詈= 去 旺s ， 空气年龄 形象地说，空气年龄就是指空气进入系统的时间，有时也称为驻留时间( r d s i d e n c e t i m e ) 或空气寿命。由于流动的不稳定性，流入室内某一点的空气，其进入系统的时间也 不相同。空气年龄是一个随机变量，服从一定的概率分布。所以，空气年龄的意义是指所 有可能到达该点的空气的年龄的平均值，用统计学的名词来说，是其数学期望。 在一个实际的系统中去直接测量空气的年龄是不可能的，因此，采用间接的方法。现 在常用的技术是用示踪气体来标记流体质点，然后，连续记录室内感兴趣的点的浓度c 。 再由c p 的统计分布求出其年龄。由于采用失踪气体技术的坷i 同，空气年龄的密度分布函 数也不相同。 以脉冲法为例，其分布函数为： 驰，= 斋斋 s ， 根据统计学的原理，可得出空气年龄与分布函数的关系为： = j ；( r ) v d r ( 2 7 ) 有了以上的空气年龄分布函数，则任意一点的空气的平均年龄可f 自下式求得： 叫；者斋肌丽f o c ( 丽r ) v d r 空气越“年轻”，则表示它的稀释能力越强，也表示该点的空气新鲜度越好。 对某一区域而言，可以如下定义其空气的平均年龄： 于= l d y ( 2 9 ) 在实际测试中，则可以采用各点空气年龄的算术f 均值，邮： 一l t = 土一 ( 2 1 0 ) 局部通风率和局部换气率 局部通风率( l o c a lv e n t i l a t i o nr a t e ) 度的量度，其定义如下： 1 仲 l 是指进风或“新鲜”空气与某一点的空气交换程 ( 2 1 1 ) 即局部通风率为空气年龄的倒数。 局部换气率( l o c a la i re x c h a n g er a t e ) 已进入某一容积匕的风量q ，来定义，m j 不考 1 0 第2 章气流组织 虑该风量在系统中已停留的时间： = 争 泣 换气效率 换气效率是用室内空气年龄来定义的。对于室内某一点p ，可以用室内平均年龄和该 嗲的空气年龄的比值来表示。即可定义p 处的局部换气效率( 或称局部换气指数，l o c a l a i r e x c h a n g er a t e ) 如下： 岛专 式中，瓦空气的平均年龄； 在完全混和的系统中，对任意给定的点，这个指标均为1 。 理论上，在所有可能的气流方式中，以活塞流为最佳。理想的活塞流动 空气年龄7 ：= 0 ，而出口处的瓦= l ，从而室内空气的平均年龄为： 丁- ：型玉：坠三：五 ( 2 1 3 ) 其进口处的 ( 2 1 4 ) 以此为基准，司定义出一个实际、系统的、f 均换气效率： 毛= 乏= 磊 旺，s ， 式中，l 活塞流动的室内空气平均年龄； l 实际的室内空气平均年龄； 以上的定义也创延伸到工作区，此时的l 为工作区的平均空气年龄，得出的厶为工 作区的平均换气效率。 各种流动的甲均换气效率如下： 短路( 非完全混和) 系统：0 岛 5 0 完全混和系统： 气= 5 0 置换系统：5 0 e 1 0 0 活塞流系统： 岛= 1 0 0 较为具体的气流绍织所能达到的换气效率值地表2 1 。 东南大学硕士学位论文 表2 1不同气流组织的办公室换气效率值“1 送排风方式送风口特征换气效率 l 下侧送上测回( 异侧) 0 5 o7 2 下侧送上测回( 同侧) 低速送风口o ，7 加8 3 下侧送顶回低速送风口 0 5 5 0 6 4 下送顶回地板风口( o 7 个，m 2 ) 0 5 - 0 6 5 下送顶回诱导器 o 5 6 顶送顶回组合风口o 3 0 6 7 顶送顶回散流器 0 5 8 顶送顶回( 异侧) 0 4 0 4 5 9 顶送顶回( 同侧) 0 5 5 o 6 1 0 上侧送回o 2 一o 5 5 1 l 顶送上侧回散流器 o 3 o ，6 1 2 混和送上侧回 走廊上风道及门03 5 05 2 3 3 气流分布性能的评价 不均匀系数 不均匀系数即空气的温度和速度等得不均匀性，该方法是在室内工作区内选取n 个测 量点，分别测得再点的温度、速度和浓度，求其算术平均值。 算术平均值： ；：互( 2 1 6 ) n i ：互( 2 1 7 )“= o【z 1 ，) n ；：盈 ( 2 18 )c 2 o( 18 j 以 均方根偏差： 旺2 吒= 吒= 丽 、f _ ( 坼一五) 2 、_ 7 ( g c ) 2 、_ 则不均匀系数为 k ： 屯： u 1 2 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2j ) ( 2 2 2 ) 第2 章气流组织 七 ：呈 c ( 2 2 4 ) 砖、屯、t 愈小，则气流分布的均匀性愈好。 能量利用系数 能量利用系数珂可以用下面的定义式来描述： 玎：互玉( 2 2 5 ) 一 其中t 。、t o 、t 。分别为排风温度、送风温度和工作区温度。 能量利用系数又称温度效率，反映的是室内的温度梯度，即室内的热力分层特性，对 于全新风或单纯的通风系统来说。能量利用系数越高，系统的节能潜力也越大，但过大的 温度梯度又会影响人体的舒适性。 空气分布特性指标 空气分布特性指标( a d p ) 定义为满足规定风速和温度要求的测点数与总测点数之比。 对于舒适空调而言，相对湿度在较大的范围内( 3 0 一7 0 ) 对人体舒适性的影响较小， 可以主要考虑空气温度与速度对人体的综合作用，一般认为口j 以用f 式来计算有效温差： n e t = ( f 一t 。) 一7 6 6 ( u ，一o 1 5 ) ( 2 2 6 ) 其中 e 丁、t 、“，、分别为有效温差、测点温度、测点风速和工作区温度。j i ：且 认为当口e t = 一1 7 + 1 1 时多数人感到舒服，因此其分布特性指标为： a 删= 出警赢产舢。 旺z ， 一般应使a d p i 8 0 东南大学硕士学位论文 第3 章湍流流动及其数学模型。”3 层流和湍流是两种基本的流动状态，存在着临界的雷诺数，当流动的雷诺数超过相应的临 界雷诺数时，就会诱发湍流，层流流动可以精确地用质量、动量、能量和浓度的偏微分方程来 描述。然而，实验表明，空调空间的气流基本上都是湍流流动，所以本课题采用湍流模型对 空调房间进行数值模拟。 3 1 湍流的特征及其分类 湍流是一种复杂的非稳态流动。在湍流中，流体的各种物理参数，如速度、压力、温度 等都随时间与空问发生随机的变化，但这些量统计平均值的变化却是有规则的，例如图3 1 所示的速度随时间的变化就是如此。 【 图3 1 湍流流场中速度随时问变化示意网 湍流的产生可能是由于所流过的固壁的摩擦作用，也可能由于具有不同速度的流体层之 间的相互作用，这两种方式产生的湍流的性质有所不同，通常前者称为固壁湍流( w a l l t u r b u l e n c e ) ，后者称为自由湍流( f r e et u r b u l e n c e ) ，在湍流流动中，粘性的作用一方面是把 动能耗散为热能，另一方面是使湍流在不同空间位置以及同位置的各个方向上趋于均匀， 通常把研究体系内处处具有相同结构的湍流称为均匀湍流( h o m o g e n e o u st u r b u l e n c e ) ，把其 统计平均性质不随方向而异的湍流称为各向同性湍流( i s o t r o p i ct u r b u l e n c e ) ，在各向同性湍 流巾不存在平均剪应力，也就没有平均流的梯度。只要流场中有均流梯度，就一定伴随有剪 应力，湍流就一定是各向异性的，这种湍流通常称为剪切湍流。【到壁湍流和各向异性的自由 湍流都属于这一类。若在整个流场中平均剪应力处处相等，则这种湍流就是均匀湍流，在湍 流的描述中，均匀和各向同性是两个不同的概念。 从物理结构上说，可以把湍流看成各种不同尺寸的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大 小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡旋主要由流动的边界条件所决定，其尺寸可以 与流场的大小相比拟，是引起低频脉动的原因。小尺度的涡旋丰要由粘性力所决定，其尺寸 可能只有流场尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动的原因。大尺度的涡旋破裂后形成小 尺度的涡旋。较小尺度的涡旋破裂后形成更小尺度的涡旋。因而在充分发展的湍流区域内， 流体斡旋的尺寸可以在相当宽的范围内连续地变化。大尺度的涡旋不断从主流获得能量，通 过涡旋间的相互作用，能量逐渐向小尺度的涡旋传递，最后由于流体年性作用，小尺度的涡 旋逐渐消失，机械能就转化( 或称耗散) 为流体的热能。同时，于边界、扰动及速度梯度 的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动。由于湍流的复杂性，目前还无法对其 给出一个严格的定义。一般认为湍流有阻f 儿个特征： ( 1 ) 湍流的流体质点的运动类似于分子运动，具有完全不规则的瞬息变化的运动特征。 1 4 第3 章湍流流动及其数学模型 ( 2 ) 湍流的运动参数虽是随机量，但在一定程度上符合统计规律，具有某种规律的平均 特征。 ( 3 ) 湍流流场任意两个相邻空间点上的运动参数有某种程度的关联、加速度关联、速度 与压强关联等。边界条件不同的湍流具有不同的关联特征。 一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的n a v i e r s t o k e s 方程对于湍流的瞬时运动 仍然是适用的。但是由于描述湍流的物理量相关并具有脉动性，对脉动性的修正将产生高阶 相关的偏微分方程，并伴随新的未知量故湍流方程组无法得到精确的解。 3 2 湍流模拟的思想观点 欲建立封闭的时均流控制方程组，就必须把湍流运输通量