（安全技术及工程专业论文）高大空间分层空调气流组织的数值模拟研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t b yc o n s u l t i n g1 a 唱en u m b e r so fs c i e n t i f ! i cl i t e r a t u r e ，a p p l y i ga i l dr e s e a r c l l i n g s t a t u sa b o u tl a 略es p a c es t r a t i f i e da i fc o n d i t i o n i n gt e c h n i q u eh a sb e e nt h o r o u g h l y g a i n e d i nt h i sp a p e r ，n eo b j e c ta b o u tl a 略es p a c es t r a t i f ：i e d a i rc o n d i t i o n i n gd e s i g n s t a t u si sp e r f o m l e d a i 棚o wf o r md i s t r i b u t i o i sm e a s u r e da c t u a l l y a n dm e n 七一占 t u r b u l e n c em o d e li sc h o o s e dt os i m u l a t es t r a t i f i e da i rc o n d i t j o n i n gs y s t e ma i r f l o wf o 啪 n u m e r i c a l l yo nc o n d i t j o no fo p e r a t i n g n er e l i a b i l i t yo fu s i n gn u m e r i c a lm o d e li s p r o v e dt h o u g ht h ec o m p a r i s i o no fr c s u l t s b a s e do n u m e r i c a lm o d e lv a l i d a t e da n d 1 a 唱es p a c eo ft h eg y m n a s i u mi s a sa c t u a lc o n d i t i o n ，f i v es c h e m e si s d e s i g n e d t h e e f f c c t so nt e m p e r a t u r ef i e l da i l dv e l o c i t yf i e l do fw o r k a r o u n di n v o l v e di t l l eh e i g h to f s u p p l y i n ga i r i ns 仃a t i f i e d a i rc o n d i t i o n i n gi sr e s e a r c h e d ；n ee f f e c t so na i m o w v e l o c i t yo fw o r k a m u n di n v 0 l v e dj nv e l o c i t ym a g n i t u d eo fs u p p l y i n ga i ri sr c s e a r c h e d ； t h ee f f c c t so ns t a b l ea i r f l o w c u t t i n gp r o d u c e db ys u p p l y i n gv e l o c j t ym a g n i t u d ei n s t r a t i f i e da i rc o n d i t i o n i n gi sr e s e a r c h e d ；t h er e s e a r c h i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tf i r s t l yt h e h e i g h ta n dm a g n i t u d eo fs u p p l y i n ga i ra f 盹c t st h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l da n d v e l o c i t yf j e l de v i d e n t l ya l l ds e c o n d l yt h em a g l l i t u d eo fs u p p l y j n ga i rv e l o c i t ya f f e c t s f o m i i l go fs t a b i ea i m o w c u t t j n gd i r e c t ly 缸i a s t ，s o m eq u a l i t a t j v e 蛆dq u 锄t i t a “v e c o n c l u s i o nt h a tg u i d et h ed e s i g i io fs t f a t i f ! i e da i rc o n d 证o i l i gi sd r a w n f j g l l r e 【4 3 】t a b l e 【9 】r e f e r e n c e 【3 3 】 k e y w o f d s ：n 啪e r i c a ls i m u l a t i o n ； s t r a t i f i e da i rc o n d 掘o n i n g ； l a 唱es p a c e ：a i rd i s t r i b u t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，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 为获得塞邀堡兰太堂或其他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谢意。 学位论文作者签名：踢? 锄签字日期：沙戽月，如 c 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王盘堂有保留、使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徽翌王太 l 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学 位论文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学位论文 研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：z 彰孝劲 签字日期：沙口( 年石月，晶 导师签名：专 恼k 签字日8 扣斧 - 图2 5z - 1 5 m 温度等值线图 f i g2 5 z = 1 5 mi s o l i n ep l o to ft e m p e r a t u r e 图1 7 和图1 8 为y = 0 和x = o 断面上的速度矢量图；图1 9 和图2 0 为y = o 和 x = 0 断面上的温度等值线图；图2 1 和图2 2 为x = 0 断面上水平和垂直方向上的速 度等值线图；图2 3 和图2 4 为1 5 m 高度平面上x 和y 方向的速度等值线图；图 2 5 为1 5 m 高度平面上的温度等值线图。 根据以上图形显示，大致可把此分层空调的气流空问分为六个区域：a 为非 宁调区的涡旋区、b 为射流区、c 为下部涡旋区、d 为射流搭界区、e 为比赛区、f 4 9 安徽理工大学硕士论文 为观众区，如图2 6 所示。 划2 6 气流场分区图 f i g2 6 s u b a r e ap l o to fa i r n a wf i e l d 速度场的分布情况( x = o 断面和z = 1 5 m ) ： a 区：此区的空间很小，位于送风喷口的上部，顶棚和侧墙的限制区域，受送风 射流外边界的卷吸作用丽形成小涡旋区，在靠近喷口处的气流扰动最大。 b 区：冷气流的速度随着射程的增大而逐渐减小，射流的断面也逐渐扩大，在射 流进入主体段后，水平方向上的速度衰减梯度减小，所以气流在末端上有很长的 距离都保持较小的水平速度。由图2 1 可以看出，水平速度小于1 o l l l s 的行程段 很长。 c 区：送风气流下部的空气受射流外边界气流的卷吸作用，附近空气随后补充， 形成一个连续有规律的运动，同时一部分气流受到墙壁的阻挡而上升，使在c 区 空间形成涡旋区，在图1 7 和图1 8 中可以明显的看到。但是两图中下部涡旋区的 位置有所不同，图1 8 中的涡旋区位置靠近观众席和内侧墙，主要是两个方向上座 位设置的排数和高度不同引起的。由图2 l 和图2 2 速度等值线图可以看出，涡旋 区上下和左右的速度方向相反，而且越接近涡旋中心，速度越小。图中速度值前 的“一”表示速度方向与坐标正方向相反。 d 区：当对喷气流在d 区相遇时，各股气流的末端相互搭界，形成了水平气流面 的封闭，即分层空调分层面的形成。气流搭界处一部分气流上升，一部分气流流 向下部区域，进入回风区。多股气流混合下落的过程中，下降的速度逐渐减小。 e 区：从图2 2 中知，比赛区垂直方向上的速度很小，2 米以内的高度上，垂直速 度都在o 。l o i i 】s 以下。该区域整体的空气是由场地中心往比赛场地边缘流动，而 且水平速度逐渐增大，因为在场地边缘的侧墙上开设了许多回风口，这些回风口 专门为比赛场地设置的。图2 3 和图2 4 中，在e 区离地面l - 5 m 高水平面上，x 方 5 0 6 模拟方案的确定和结果分析 向的平均速度为o 2 l m s ，y 方向的平均速度为o 1 3 m s 。 f 区：观众区的气流分两种流动方向，底层的空气由座位下的回风口流出，上侧 的空气受上部回流区气流的影响，沿着台阶上升的方向向大厅侧壁处流动，气流 也呈现上升的趋势。从图2 1 可以看出，靠近回风口处气流的水平流动速度略大。 温度场的分布情况( x = 0 断面和z = 1 5 m ) ： a 区：整个大空间的最高温度出现在该区的上部，温度值达3 2 5 ，由于顶 棚的照明负荷和壁面传热量的强度很大形成的。喷口处气流的温度接近空调的送 风温度，区域上下的温差很大，所以最大的温度梯度也出现在此区域。 b 区：在冷射流的行程中，不断卷吸周围的空气，动量不断减小，断面越来 越大。由于与掺混的热气流不断的进行热质交换，因而温度逐渐升高，温度的衰 减由强到弱，但是衰减的强度要比速度的衰减强度大。 c 区：该区的温度分布非常复杂，这和区域内气流的复杂流动有直接的关系。 在该区域中，与冷气流外边界接触地方的空气温度低于区域的其它地方，因为此 处空气与冷气流边界产生强烈的热交换：涡旋区下边界的空气温度在靠近内墙的 斜方向上逐渐升高，在最后排座位上方的空气温度为此区域的最大值，据图2 0 显示，温度达2 9 9 。造成这种结果的原因有两种，其一是气流在上升的过程中 不断的吸收热量，其二是在后排座位处气流各方向的流动速度都很小，处于大空 间气流的死角。 d 区：搭界后的混合气流在向下落的过程中不断地吸收室内的热量，气流的 温度也逐渐升高。从图2 0 可以看出气流搭界区的温度都低于室内设计温度。 e 区：搭界区气流下降至比赛场地时，吸收场地上所有散发的热量，因而温 度有所升高。由图2 5 和模拟结果的数据文件可知，比赛场地z = 1 5 m 高度上的平 均温度为2 8 5 0 ，高出室内设计温度o 5 。 f 区：观众区的负荷主要来自于人体的发热，当观众人数很多时，总的发热 量也很大，如果气流组织的不当，很容易造成该区域温度的偏高。由于观众区的 气流受座位的影响很大，所以本文只考虑处于人体上部位的气流的温度。模拟结 果的数据文件中，高出座位台阶1 0 m 斜平面上的平均温度为2 8 8 2 ，高出室内 设计温度o 8 2 。 2 模拟方案2 模拟方案2 是在原设计原形的基础上把高速喷口和低速喷口的位置同时降低 7 8 m ，喷口的直径不变，回风口的布置位置也不变。初始条件的设置与原形模拟 时的设旨基本相同，只是存人员负荷有所增加，按场地满员5 5 0 0 人计算。 安徽理工大学硕士论文 3 02 01 01 02 03 0y 图2 7x = 0 速度矢量图 f i g2 7x = 0 v e c t o r p l o to fv e l o c i t y 图2 8x = 0 温度等值线图 f i g2 8 x = oi s o t i n ep l o to ft e m p e r a t u 托 1 0 z o 0 l n 0 6 模拟方案的确定和结果分析 2 01 001 02 0x 图2 9z = 1 5 mx 方向速度等值线图 f i g2 9 z = 1 5 mj s o l i n ep l o to fv e l o c i t yi nxd i r c c n 一2 01 001 02 0x 陶3 0z = 1 5 my 方向速度等值线图 f i g3 0 z = 1 5 mi s o l i n ep l o to fv e l o c i t yi nxd i r e c t i o 5 3 0 1 0 一 一1 0 _ 安徽理工大学硕士论文 一2 01 001 02 0x 1 0 0 - 1 0 图3 1z = 1 5 m 温度等值线图 f i 9 3 1 z = 1 5 mi s o l i n ep l o to ft e m p e r a t u r c 图2 7 为x = 0 断面上的速度矢量图；图2 8 为x = o 断面上的温度等值线图：图 2 9 和图3 0 为1 5 m 高度平面上x 和y 方向的速度等值线图；图3 l 为1 5 m 高度平 面上的温度等值线图。 速度场的分布情况( x = o 断面和z = 1 5 m ) ： a 区：此区的空间范围随着送风口位置的下降而增大，涡旋区的范围也相应 扩大。当然涡旋的中心也随着下降，结果使靠近顶棚的空气流动速度减弱。顶棚 下形成一层停滞的空气。 b 区：此区的气流同样遵循射流的流动规律，冷气流的速度随着射程的增大 而逐渐减小，射流的断面也逐渐扩大，在射流进入主体段后，水平方向上的速度 衰减梯度减小，所以气流在末端上有很长的距离都保持较小的水平速度。与方案 1 不同的是，冷气流的总体位置减低。 c 区：随着送风口位置的下降，下部涡旋区的位置也随着下降。在受观众区 地面边界的阻碍下，向观众区座位的前排方向偏移，涡旋的区域变小，形状变的 不明显，而且流动变的更复杂。如图2 7 所示。 d 区：送风高度下降，主体射流的流动区域下降，对喷气流的搭界高度也下 降，使分层空调分层面的高度也随之降低。结果使非空调区的体积增大，空调区 的体积减小。 e 区：射流末端的空气在下降至场地中心时，垂直方向的速度逐渐减小。受 6 模拟方案的确定和结果分 ! 哥 场地侧壁回风口的抽吸作用，气流折向流往回风l ，水平速度逐渐增大。图2 9 和图3 0 中，在e 区离地面1 5 m 高水平面上，x 方向的平均速度为o 2 6 m s ，y 方 向的平均速度为0 1 7 m s 。 f 区：观众区的气流仍分两种流动方向。由于下部涡旋区的减小，折回的气 流中大部分流入观众席下面的回风口，只有少量的空气参与涡旋流动。又由于下 部涡旋区的位置向场地处偏移，所以观众区前排的气流回受涡旋的影响，而观众 区后排处的空气容易形成死角，见图2 7 。 温度场的分布情况( x = o 断面和z = 1 5 m ) ： a 区：全场的最高温度还是出现在该区的上部，而且靠近顶棚处空气的温度 值与方案1 相比，有明显的增加。从气流的流动形式来看，主要是顶棚下形成的 停滞空气层所致，最高温度值超过3 5 。由图2 8 可知，该区的温度随着高度的 增加而升高，温度变化的梯度由大变小，顶棚处的温度趋于一致。 b 区：气流遵循射流的流动规律，在冷射流的行程中，不断卷吸周围的空气， 动量不断减小，断面越来越大。由于与掺混的热气流不断的进行热质交换，因而 温度逐渐升高，温度的衰减由强到弱，但是衰减的强度要比速度的衰减强度大。 温度随射程的变化基本相同。与方案1 不同的是，主体气流受顶棚结构的影响减 小，因而向上扩张的角度有所增大。 c 区：由于该区在图2 7 中己不能找到明显的分界范围，对于温度的分布从喷 口的下方空间和前排座位的上方空间来说明。在喷口下方靠近侧墙的空间，仍为 该区域的高温处，平均温度为2 9 5 0 ；前排座位的上方空间为该区域的低温处， 因为这里的空气还未完全与座位区的人员散热进行交换。 d 区：由于射流的扩张和多股气流的碰撞，有部分气流向上运动，所以搭界 区上下和左右的温度呈对称分布，中心点的温度值最小。由图2 8 知，此区域的温 度都低于室内的设计温度值。 e 区：由图3 l 和模拟结果的数据文件可知，比赛场地z = 1 5 m 高度上的平均 温度为2 8 2 0 ，高出室内设计温度0 2 。其中场地中心处的温度已经低于室内 设计温度值。 f 区：观众席基本上都处于空气的网流区，气流在吸收观众散发的热量后直 接进入回风口，只有少量空气参与下部涡旋区的流动，因而温度普遍低于方案1 观众区的值。由图3 1 和模拟结果的数据文件可知，高出座位台阶1 o m 斜平面上 的平均温度为2 8 j l ，高出室内设计温度o 5 l 。 方案1 和方案2 是采取不同的送风高度对同一一个高大空间分层空调进行模拟。 安徽理工大学硕士论文 在模拟结果中，选取工作区中z = 1 5 m 平面来分析不同送风高度对工作区温度和速 度的影响情况。两种方案模拟结果的对比见表8 0 表8 方案1 和2 模拟结果对比表 t a b l e8c o m p a r i s o no fs i n l t l i a t e dr e s u i ta b o u ts c h e m e la n ds c l l e m e2 方案1方案2 高速喷口：1 9 6高速喷口：1 6 2 送风高度m 低速喷口：1 7 8 低速喷口：1 4 4 高速喷口：9 4 高速喷口：9 4 送风速度f n 盎 低速喷口：5 3低速喷口：5 _ 3 观众区的平均温度2 8 8 22 8 5 1 z = 1 5平均温度2 8 5 02 8 2 0 z = 1 5x 方向平均速度m so 2 1o 2 6 z = 1 5y 方向平均速度m s o ，1 30 1 7 送风口的安装高度对气流组织的影响很大，其安装高度决定了分层高度，在 满足工作区空调参数要求的前提下，分层高度越低，则空调区越小，那么通过围 护结构传入空调区的热量越小，也就是说在满足使用要求的前提下，分层高度越 低越节能。 从表8 可知，随着送风高度的降低，工作区的温度也有所降低，但是温度变 化的幅度不是很大。虽然降低送风口高度可以减少空调区的冷负荷，而此空调区 的负荷主要来自于人体的散热量，所以空调区负荷的减少量并不大。另外，随着 送风高度的降低，工作区的速度有所增加，使得工作区速度场的均匀性变差。所 以在设置送风口高度的时候，要考虑工作区风速的控制要求。 6 3 送风速度对工作区风速和分层隔断面形成的影响 1 模拟方案3 模拟方案3 是利用单排喷口向观众区和大厅送风，喷口直径为d n 5 0 0 ，数量 为5 0 个，均匀布置于侧面，总的送风量为1 7 6 0 0 0 m 3 m ，送风速度为5 0 l i 临：喷 口高度距地1 5 m ，回风口的布置位置也不变。 6 模拟方案的确定和结果分析 1iil _ li iililllliiiiliililiiilliiiilli y - 3 0 - 2 01 001 02 03 0 图3 2x = 0 速度矢量图( v = 5 0 m s ) f i 9 3 2 x = 0v e c i o r p l o t o f v e l o c 畸( v = 5 0 m ，s ) 图3 3z = 1 5 m 速度父革图( v = 5 0 m ，s ) f i g3 3 z = 1 5 mv e c t o rp l o to fv e l o c i t y ( v = 5 o m s ) 5 7 3 0 2 0 1 0 0 1 0 2 0 3 0 0 z 0 安徽理工大学硕士论文 3 0 2 0 1 0 01 0 2 0 3 0x 图3 4z = 1 0 m 速度矢量图( v = 5 0 i n s ) f i 9 3 4z = 1 0 m v e c t o rp l o to f v e l o d t y ( v = 5 0 m ，s ) 2 01 001 02 0x 图3 5z = 1 5x 方向速度等值线图( v - 5 o 力