（安全技术及工程专业论文）空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究.pdf

a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , ab u o y a n c y r e v i s e dh i g hr e y n o l d sn u m b e rk ft u r b u l e n c e m o d e l w a l lf t m c t i o n ，a n di n l e tm o d e la r eu s e dt oe s t a b l i s hat h r e e d i m e n s i o n a l t u r b u l e n c em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa na i r _ c o n d i t i o n e dr o o m a n do n ea i r - e o n d i t i o n e d r o o mi st a k e na sar e s e a r c ho b j e c t t h ea i rs u p p l ya n dr e t u r nt h es a m es i d e a n dt h ea i r s u p p l ys i d ea n dr e t u r no p p o s i t es i d ea r ea i m e da t a n df u 砸n ti su s e dt os i m u l a t e i n f l u e n c eo fa i r i n l e tp a r a m e t e r s ( a i ri n l e tv e l o c i t y , a i ri n l e td i r e c t i o n ，a n dt h e d i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e ) i ns u m m e ro ri nw i n t e ro ni n d o o ra i rv e l o c i t yf i e l da n da i r t e m p e r a t u r ef i e l d m o r e o v e r , 1 a w so ft h ea i rv e l o c i t ya n da i rt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n i n s i d et h ea i r - c o n d i t i o n e dr o o mw i t hv a r i o u sa i ri n l e tp a r a m e t e r sa r es t u d i e d c o n s e q u e n t l y , i n s t r u c t i o n a lc o n c l u s i o n sa r ep r o v i d e df o rp r a c t i c a lo p e r a t i o no fa n a i r - c o n d i t i o n e dr o o m k e y w o r d s ：a i r - c o n d i t i o n ；a i ri n l e tp a r a m e t e r ；a i rf l o w ；n u m e r i c a ls t i m u l a t i o n ； f l u e n t x 7 7 6 7 5 2 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3 - - 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，不囟 含为获得一塞邀堡三盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料a 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：录岛自泉、签字曰期：世上月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 塞邀理王太堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期闾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阆。本人授权塞徵理工 盍堂 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) 学位论文作者签名 走锄 k 签字日期：。止年土月日 导师签名 p 妒 。“口( 加 签字日期：加哕年岁月乡日 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 1 绪论 1 1 研究的背景及意义 随着现代经济、科学技术的日益进步和人们生活水平的不断提高，我国对室 外环境中的大气污染已经比较重视，并且相应地采取了许多有效的措施：逐步 改善燃料和能源结构、加强对排放废气的控制治理、实行环境影响评价制度等。 这些措施对改善室外大气的质量和阻止室外大气的加速恶化起到了重要作用， 但与人体最直接相关的室内环境则还未引起人们足够的重视【1 。 由于受能源危机的影响，建筑设计师从节能的角度出发，一方面采用提高建 筑围护结构的熟绝缘性、房间的气密性、减少换气次数等方法来维护室内所需 的基本条件( 如温度、湿度) ，导致室内有害污染物如人体气昧、排放的二氧化 碳、办公设备产生的有害气体等，由于得不到新风稀释而浓度提高；另一方面， 在装修过程中使用了含有大量有害物质如甲醛、挥发性有机物等一些装修材料， 致使挥发性有机化合物气体大量散发，严重恶化了室内空气品质i a q ( i n d o o r a i r q u a l i t y ) 。以致长期在室内工作的人们，出现头晕、恶心、胸闷、乏力、皮肤干 燥、嗜睡、烦躁等症状，统称为“病态建筑综合症”s b s ( s i c kb u i l d i n g s y n d r o m e ) 6 j 。据世界卫生组织w h o ( w o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o n ) 估计，目前世 界上有将近3 0 的建筑物受到s b s 的影响，大约有2 0 3 0 的办公室人员常被 s b s 症状所困扰。世界卫生组织认为，在经历了工业革命带来的“煤烟型污染” 和“光化学污染”之后，现代人正进入了以“建筑病态综合症”为代表的、以 “室内空气污染”为标志的第三次污染时期，所以必须将“舒适空调”提高到确 保空气品质的“健康空调”或“绿色空调”。同时由于人们8 0 以上的时间是在室内 生活、学习、工作、休息，致使室内空气品质不仅影响着人们的身心健康、舒 适感，而且也影响着人们的劳动效率和出勤率，由此造成了工作效率降低和缺 勤、医疗费用的巨大损失。f i s k 和r o s e f o l d 通过调查估计了美国由于不良的室 内空气品质所引起的疾病、缺勤和无效生产所造成的经济损失以及s e p p a n e n 对 北欧做了类似的估计，两者结论都是估计的经济损失高于运行h v a c 的成本。 所以，对室内空气环境的研究显得尤为重要，而控制室内空气环境一个关键因 素，就是室内空气流动的研究。 空调房间内的空气流动与送风口的型式、数量和位置，排( 回) 风口的位置， 送风参数( 送风温度、送风口速度) ，风口尺寸，空间的几何尺寸及污染源的位 置和性质等有关【7 】。室内空气流动的好坏直接影响到室内空调效果，决定着室 内空气的温度、相对湿度和洁净度分布是否符合各类工作、生活、生产和科学 实验对内部空气环境的要求，因此空调房间内空气流动是空调设计和空气调节 的重要内容，有效地通风和合理的室内空气分布对于改善室内空气品质、控制 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 室内空气污染物水平、提高室内人体舒适度以及保证实现健康建筑、健康舒适 性空调都有着重要的意义。 室内空气流动受到诸多因素的影响，揭示其气流分布规律比较困难。传统的 揭示气流分布的做法是通过模型实验研究，得出经验或半经验公式，然后在这 些公式的基础上进行气流组织的计算。由于模型实验研究不仅耗费人力、物力， 而且受实验条件限制，有时候难以模拟出复杂的空间流动的全部特征。同时， 在模型实验研究过程中所使用实验设备的灵敏性以及实验环境参数的变化都可 能影响到实验结果的精确性。这使得通过实验数据获得的经验公式或半经验公 式缺乏通用性，只实用于某一具体实验研究条件下。所以模型实验研究使用范 围窄，在更广泛的变化条件内预测的准确性较差【钔。 随着计算机技术的发展，利用计算机求解满足各种守恒控制偏微分方程组的 流体流动的计算流体力学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 ) 技术得到了很 大的发展。c f d 方法具有成本低、速度快且可模拟各种不同的工况等独特特点， 故其逐渐受到人们的青睐。利用c f d 方法可以对室内空气流动的速度场、温度 场、湿度场以及有害物浓度场等进行模拟和预测，对于保证良好的房间气流组 织设计方案，提高室内空气品质以及减少建筑物能耗都有重要的意义 9 1 。 1 2 空气射流原理和室内空气流动预测方法 1 2 1 空气射流原理 通风空调工程中所遇到的气流运动，按其原动力可分成三种类型。第一类射 流以出流的动量作为原动力，在以后的运动中这个动量的作用仍是主要因素， 射流过程中密度不变，称为纯射流( j e t ) 。通风空调工程中的等温送风或等密度 的射流就属于这种类型。目前，在圆形射流和平面射流方面，其时间平均参数 和有关空气动力特性已比较清楚。对该类射流的内部结构如紊流参数、相关系 数、间歇系数及高阶相关的分布，7 0 年代以来也有不少学者进行了试验研究， 以期进一步探索射流的转移机理。第二类流动的起因则是以浮力为原动力，流 动过程中密度一般不断发生变化，这类流动可称为浮力尾流或浮力羽流( b u o y a n t p l u m e ，b u o y a n t w a k e ) 。例如散热器等热源的表面，靠近热壁面的空气被加热， 空气受热膨胀、密度变小而上升，形成对流流动。自然通风烟囱中向上排出的 热气流流动( 离出口一定距离后) 也是这种类型的浮力尾流。第三类出流的原 动力包括出流动量和浮力两方面，如通风空调工程中的非等温送风( 冷态、热 态射流) 等，则是典型的浮力射流( b u o y a n ti e t ) 1 0 。 非等温送风是通风空调工程中进行气流组织时采取的主要技术手段，实质上 是利用射流的诱导作用，即将经过处理后的空气通过圆形或条缝形等送风口直 接喷射到通风空调房间内，由于卷吸作用，使射流周围的空气不断被吸入，被 吸走了空气的空间又有周围的气流来补充，于是形成了回旋的旋涡，在旋转的 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 涡流中，热湿交换得到充分进行，从而达到改善室内空气品质的目的。 根据射流与周围流体的温度状况可以分为等温射流与非等温射流，按照射流 流动中是否受到周围边界表面的限制又可分为自由射流和受限射流。在空调工 程中，常见的情况，多属于非等温射流【”。下面对在通风空调工程中非等温送 风时常采用的射流作一简单介绍。 1 、非等温自由射流 不等温自由射流( 又称温差射流) 是指射流出口温度和周围空气温度不同， 按照送风口出口温度是否高于室内空气温度，可将该种射流称为冷射流和热射 流。不等温自由射流由于存在温差，在射程中不仅会发生动量的交换，还存在 热量的交换。且由于与周围空气密度不同，受到重力和浮力的不平衡作用而发 生弯曲。弯曲的程度可用阿基米德数灯来衡量，其表征为重力( 浮力) 和惯性 力的无因次比值，如下所示： a r ：g e o ( t 。o 一- t ) f l 一1 ) k l 式中，小磊、t u 、v o 分别为当地重力加速度、喷嘴( 送风口) 当量直 径、射流出口温度、射流周围空气温度、射流出口速度。 由上式可知，阿基米德数随着送风温差的提高而增大，随着出口流速的增加而 减小。 x 7 名 j | 二j - 太7 7 卜 、 _ 一# 图1 - 1自由射流示意图 2 、非等温受限射流 在通风空调工程中，时常会遇到射流运动过程中气流扩散受壁面、顶棚以及 空间的限制，而出现与自由射流完全不同的特点，这种射流称为受限射流( 又 称为有限空间射流) 。受限射流分为贴附和非贴附两种情况。在室内贴附射流多 发生在靠近壁面或顶棚的位置，这是由于射流受限不能卷吸周围空气，因而产 生靠近受限边界的射流流速大、静压小，而远离受限边界的射流流速小、静压 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 大，使得气流贴附于受限边界流动而形成贴附射流。受限射流如图1 2 所示 ( a ) 轴对称射流 j誓1 自一一1 一一一 c o 厂 a 1 鼻0 + 一i 一 目 lix i i 、，一 f ( b ) 贴附于顶棚的射流 图1 - 2受限射流流动 贴附长度与阿基米德数a r 有关，缸越小贴附长度越长。非等温贴附射流 为冷态射流时，在重力作用下有可能在射流达到某一距离处脱离顶棚而成为下 降气流，此时贴附长度将受影响。 1 2 2 室内空气流动预测方法 通风空调的目的是给建筑物的室内人员提供良好的室内空气品质和满意的 人体热舒适度，以确保其健康、舒适、和商生产效率。于是人们希望在规划设 计阶段就能预测室内空气的分布情况，从而制定出最佳的通风空调方案。对于 室内空气分布预测方法，主要有以下四种【l l j ： 1 、射流公式方法 利用射流公式计算出相关参数，预测机械通风室内空气分布是最为简单和经 济的方法。按照通风空调送风口射流在室内的状态，可分为自由射流、受限射 流等；按射流入流空气温度与室内温度是否相等，又分为等温射流和非等温射 流；结合送风口形式，根据射流形态又可分为平面射流、方形和圆形射流、径 向射流、不完全径向射流、锥形射流和旋转射流等。通过理论分析和实验测量， 人们整理出关于各种射流的半经验公式，主要是关于湍流射流平均特性主体段 中心速度、温度衰减、断面流速分布、射流扩展角、冷射流贴附长度等。射流 公式为显式的代数方程式，可以简单、快捷地预测机械通风房间内沿射流方向 4 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 各个位置的速度或温度分布，从而了解室内空气分布情况。射流公式预测室内 空气分布有很大的局限性，依赖于确定射流公式的经验参数。另外，射流公式 揭示的多为射流主体段的流动特性，对于送风口相对房间尺寸较大、送风射流 不能充分发展的情形，射流公式预测的结果肯定是不可信的。 2 、z o n a l m o d e l 法 其基本思想如下：将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参 数如温度、浓度相等，而区域间存在热质交换，通过建立质量和能量守恒方程 并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布以及流动情 况。然而，由于该方法的自身特性所限，因此在应用于预测室内气流分布存在 一些局限性，如：不宜用于温度梯度很大的情况；没有涉及温度和速度边界层 的问题，静压近似只在平行流型的情况下才合理；辐射传热没有考虑在内；对 于射流或暖流中一个区域或多个区域的情况，需要分别考虑。 3 、c f d 法 该方法就是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方程组，结合实际的边 界条件在计算机上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内空气分布情况。相比模型实验而 言，c f d 方法在时间、代价上都是很经济的。由于c f d 方法能获得流场的详细 信息，因此如果预测的准确性能够保证，那么c f d 方法是最理想的室内空气分 布预测手段。但是，c f d 的基础理论本身还不成熟，如人们对湍流的认识尚不 完全清楚；且其在暖通空调工程实际应用中还存在着一些特殊性，如风口模型、 热源和辐射模型等，故此可靠性和对实际问题的可算性是c f d 方法预测室内空 气流动最大的问题。 4 、模型实验法 该方法借助相似理论，利用模型实验对室内空气分布进行预测，不需依赖经 验理论，是最为可靠的方法，但也是最昂贵、周期最长的方法。搭建实验模型 耗资很大，而对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更多，周期也长达 数月以上。因此模型实验一般只用于要求预测结果很准确的情况。由于实验技 术和测量仪器的限制，模型实验还不能对所有参数进行测量，如一些紊流的脉 动参数，基于同样的理由，模型实验法也难以对各种条件进行实测。 1 3c f d 技术特点及其在室内空气流动模拟中的应用 1 3 1 c f d 技术特点 相比传统的模型实验和经验公式预测流体的流动和传热而言，c f d 技术具 有以下优点：( i ) 成本低、速度快，而传统的实验研究存在实验设备投资大、实 验模型和条件改变困难大、实验周期长等缺点：( 2 ) 可以相对准确地反映出流体 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 流动的细节，如速度场、压力场、温度场或浓度场分布的时变特性( 不定常特性) ； ( 3 ) 数值模拟要比实验研究更自由、更灵活，还能对实验难以量测的量做出估计； ( 4 ) 数值具有很好的熏复性，条件易于控制，可以重复模拟过程，更容易得到某 些规律性的知识。基于以上部分原因，c f d 技术受到人们的青昧，目前c f d 的 应用正渗透到h v a c 领域的各个方面，成为学科的前沿阵地，具有广阔的应用 前景，主要表现在【陀 ：( 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；( 3 ) 射流技术的c f d 分析；( 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，各种阀门的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；( 9 ) 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钓c f d 分析；城市风( 或建筑小区微 气候) 与建筑物及室内空气品质的相互影响过程的c f d 分析；0 d 管网水力计算 的数值方法。 1 3 2c f d 技术在室内空气流动模拟中的应用 目前多数空调工程师在作空调房间非等温送风气流组织设计时，只是简单地 按照射流经验公式来验算工作区速度满足人体基本要求即可”。由于众多的非 等温送风气流组织的设计是根据传统射流理论设计所用的经验或半经验公式来 进行的，而这些经验或半经验公式都是在某特定条件下根据射流实验数据拟合 得到的，并不能反映出实际的送风房间千变万化的形式，故而采用射流经验或 半经验公式也难以正确反映实际情况，经常无法预测非等温送风过程中出现的 “冷风下坠”和“热风上浮”的现象，使得结果产生很大的误差。那么采用c f d 技术对非等温送风室内空气分布进行分析，便成为一种非常快速的、有效的方 法，主要表现在：( 1 ) 通过数值求解室内流体流动和传热控制方程，模拟预测非 等温送风的室内空气流动和温度分布的详细情况( 室内各个位置的风速、温度、 相对湿度、污染物浓度等参数的整场参数分布) ，可以指导设计，从而使设计人 员避免非等温送风过程中易出现的“冷风下坠”和“热风上浮”现象；( 2 ) 通过 获得室内空气流动分布的整场参数分布，进而可以结合人体舒适的评价标准， 来考察舒适性在整个空间的分布情况，为空调系统的布置和改进提供依据，从 而对保证良好的室内空调系统的气流组织，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；( 3 ) 可对建筑物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。这样，暖通 空调工程中的气流组织设计与优化就很少依赖经验或实验。但是，采用c f d 对 通风空调房间室内空气流动进行数值模拟也存在其局限性：( 1 ) 需要建立准确的、 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 可靠的数学模型，所建立的数学模型并为实践证明要能反映问题的本质，这样 数值模拟才具有较大的优势：( 2 ) 数值模拟中对数学方法进行离散化处理时，对 非线性方程的稳定性、收敛性等进行分析缺乏完整的理论指导；( 3 ) 数值模拟本 身还受到计算机运行速度和容量大小的限制；( 4 ) 数值模拟的结果还有待于与相 应的实验研究结果的进行比较，以验证模拟结果的正确性。 1 4 国内外室内空气流动研究现状及存在的主要问题 利用合理的室内空气流动，可以使通风空调房间的气流分布均匀，及时引入 对人体健康有利的新鲜空气，排除室内对人体健康有害的污染空气。早在2 0 世 纪6 0 年代国外研究者已开始从实验研究和数值模拟两方面对室内空气流动进行 研究。 1 、实验研究 、1 9 9 0 年n i e l s e n 等人对房间模型内空气流动进行了模拟实验1 1 4 j ；z h a n gg s m o r s i n g 和b b j e r g 等人在n i e l s e n 研究的基础上改变模型房间几何比例进行 了模型实验1 1 5 j ：魏学盂等人对矢流洁净室进行了模型实验，分析了室内气流组 织分布以及浓度场的空间分布i l 们。利用气流实验室，研究人员了室内气流运动 与热舒适之间的关系，如：j o n e s 等人主要针对不同的着装水平，研究了室内气 流对于舒适的影响；b e r g l u n d 等人研究了空气运动与热辐射非对称的关系： t a n a b e 研究了空气速度周期性变化的效果1 1 7 l 。w e b s t e r 等人在与开敞办公室同 一比倒尺寸的实验室中进行研究，得到了地板送风的送风量对室内垂直温度分 布的影响规律i l 。 在国内，天津大学的马九贤教授于8 0 年代组织建造了国内第一个专门用来 对空调房间内气流情况进行研究的气流实验室，并取得了一定的研究成果，为 进一步进行房间气流的研究奠定了基础。中国建筑科学研究院空调所通过几何 比例1 ：5 的分层空调模型实验，得到了大空间水平喷出多股冷射流的气流组织 计算方法i ”1 。文献1 2 0 j 针对洁净室提出带有阻漏层的末端气流分布方式，并且 模型实验研究证实在高效过滤器不装在末端又有一定渗漏的情况下，新的末端 将使室内空气含尘浓度降低5 0 - 7 0 。文献 2 1 实验研究了在低温送风空调房间 内，空气速度分布特点，中截面上的空气分布特性指标和房间内的空气分布特 性指标之间的关系，并指出了空气分布特性指标和有效温度差对室内舒适度的 影响。文献 2 2 实验研究了没有集中热源的空调房间采用工作区水平送风方式 的气流流动及人体热感觉，对不同型式的风口的送风气流分布规律做了研究和 比较。文献 2 3 3 基于热舒适实验，研究了提高室内空气流速对人体热舒适的改 善程度以及空气流速的合理取值。 2 、数值模拟 随着计算机及计算技术、计算传热学的发展以及紊流流动模型的改进。使得 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 c f d 技术和紊流理论的发展促进了室内气流流场模拟的起步与发展。1 9 7 4 年丹 麦学者pvn i e l s e n 首次将c f d 技术结合模型实验用于计算室内空气流动，数值 模拟技术开始应用于空调工程领域 2 4 1 。c h e nq i n g y a n 利用c f d 技术对建筑物能 耗、室内空气流动以及室内空气品质等问题进行了分析和研究。c t o p p ，p v n i e l s e n 和l d a v i d s o n 在全方位通风房间内，通过c f d 技术模拟了在等温壁条 件下的空气流动情况【2 5 】。x uw e i r a n 和c h e nq i n g y a n 利用紊流模型对置换通风 办公室内混合对流的空气速度分布、温度分布、速度波动和示踪气体浓度进行 了数值模拟，并且对空气分布模拟中常用的紊流模型作出回顾与评价【2 ”。 国内也有众多的研究者利用c f d 技术对空调房间内空气分布进行了模拟和 分析。文献 2 5 1 币1 j 用r n g 的k 一6 紊流模型数值模拟了装有分层空调的高大房 间内三维气流流动和温度分布情况。文献 2 7 研究上送风情况下空调房间流场的 分布情况，特别是温度场的分布情况，通过仿真分析了上送风时各种参数下的 流场分布，得到了热分层高度与送风温度和速度的关系。文献 2 8 ，2 9 对空调制 热制冷时室内二维气流及温度分布进行了数值模拟分析，分别获得了在不同时 间以及在不同的导风板旋转角度和出口风速情况下的室内空气分布。文献 1 6 ，3 0 ，3 1 对洁净室的流场和污染物的分布进行了数值模拟，并取得一定的研究 成果。文献 3 2 3 5 1 对置换通风空调房间内的速度场、温度场和污染物浓度场进 行数值模拟，并且分析了室内空气流动特性、温度分布规律。文献 3 6 4 1 总结 了目前国际上室内空气分布数值模拟时采用的风口模型方法，比较了基本模型、 动量方法、盒子方法、指定速度法、主流区法的优缺点，并建立百叶风口、条 缝风i ；3 、散流器、孔板风口数值模拟的风口模型。文献 4 2 】对室内等温贴附射流 和非等温受限射流两种类型的射流作用下的室内气流分布进行了大涡模拟。文 献 4 3 】针对典型的装有分体空调的居室和办公室，在新风不同引入方式下冬夏室 内的速度场和温度场进行了数值模拟。 虽然，目前园内外对室内空气流动方面进行了不同程度的研究，但主要存 在以下不足： l 、过去的研究以净化空调系统较多，对舒适性空调研究较少。并且对舒适 性空调的夏季状况研究多，对冬季状况研究少。 2 、在送风口入流边界条件的处理中，绝大多数的研究中多是简单地将风口 送风速度取为平均速度，但是这样往往会带来很大的误差，可能导致计算结果 不可信。甚至得出错误的结论。很少考虑利用风口描述方法或风口模型来来正 确描述送风口入流边界条件。 3 、过去的大多数研究没有考虑到非等湿送风时，冷风、热风运动参数对室 内空气流动的影响以及对室内热舒适的影响。 4 、目前对于室内空气分布所选择的紊流模型是否合适缺乏评价依据，且大 多数数值模拟结果没有可靠的实验数据进行验证。 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 同时在对空调房间非等温送风过程中，还存在以下问题： 1 、冷风射流的贴附长度不够，造成冷风直接进入工作区，使室内人员有吹 风感。 2 、冷风射流很快下坠至工作区或热风射流浮于工作区以上而不能与工作区 空气混合，会造成室内工作区中存在不合理的速度和温度分布，以至于使人体 有不舒服的感觉。 1 5 本文的主要工作 针对当前空调房间内空气流动研究的不足，本论文开展工作的主要内容如 下： 1 、选择单间空调房间作为研究对象，建立了侧送侧回和侧送异回气流组织 下的非等温送风室内空气流动数值模拟的房间物理模型。 2 、本文通过对不同紊流数学模型的适甩性进行评价，选择合适的紊流数学 模型，即经过浮力项修正的k s 双方程模型，并建立三维坐标系下k 一双方程 的通用微分方程，再对微分方程进行离散，最后建立适当的风口模型，用于对 送风口入流边界条件的正确描述。 3 、根据室内所建立的物理模型、素流数学模型和风e l 模型，使用经过浮力 项修正的高雷诺数k e 紊流模型，确定合适的边界条件，划分网格，利用 f l u e n t 软件，对模拟工况下的室内速度场和温度场进行数值模拟。 4 、通过数值模拟，分析了夏季和冬季时送风参数( 送风速度、送风方向和 送风温差等) 对室内空气速度场和温度场的影响，从而为空调房间的实际运行 提供指导性的结论。 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 2 紊流流动理论分析及模拟计算方法 雷诺( r e y n o l d s ) 对流动状态的实验研究，指出了流体的流动客观上存在层 流( l a m i n a r f l o w ) 和紊流( t u r b u l e n t f l o w ) 两种状态，并根据实验结果归纳了 判别流态的准则雷诺数。当雷诺数提高到某一临界值时，层流因失去稳定 性便会实现层流向紊流的转变。层流流动可以用质量、动量、能量和浓度的偏 微分方程组来精确的描述。然而，通风空调工程中的空气流动，一般都属于紊 流【印】，所以本论文对非等温送风室内空气分布的数值模拟采用紊流模型，并且 视为定常流。 2 1 素流概述 紊流是一种高度复杂的非稳态三维流动。在紊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间发生随机的变化。从物理结构上说，可以 把紊流看成是由各种不同尺度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。并且涡旋形成后，经历着发展和衰减的过程直到消失。 大尺度的涡旋主要由流动的边界条件所决定，小尺度的涡旋主要由粘性力所决 定，大尺度的涡旋( 即波数较小的涡旋) 破坏后形成尺度较小的涡旋( 即波数 较大的涡旋) ，较小的涡旋破坏后形成更小的涡旋。这些尺寸大小不同的涡旋往 往是大涡旋中包含着小涡旋，小涡旋中包含着更小的涡旋。大涡旋的尺度决定 了紊流的主要力学特征。它不断地从主流获得能量，通过涡旋间的相互作用， 能量逐渐向小尺寸的涡旋传递。最后由于在流体粘性影响下将素流能量转化为 热而消失。同时，由于边界的作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断 产生，这就构成了紊流运动【4 4 4 “。 紊流的结构大体上有两类：一类是由壁面上无滑移条件造成的、且受到壁面 直接影响的剪切层，如壁面边界层、管道内的流动等，那里发生的湍流叫壁面 紊流( w a l lt u r b u l e n c e ) ：另一类是不在壁面的赢接影响下的剪切层，如射流、 尾流等，那里发生的紊流叫自由紊流( f r e et u r b u l e n c e ) 。这两类紊流可以统称 为切变紊流( t u r b u l e n ts h e a rf l o w ) 。它们有着共同的特征，那就是起始时刻和 触发的位置是随机的，但是其运动一经触发，它们就以某种确定的次序、特定 的运动形态发展【46 1 。与切变紊流对应的，还有一种均匀且各向同性的紊流，称 为各向同性紊流( i s o t r o p i c t u r b u l e n c e ) ，它的紊流特征在流场各点( 均匀) 和各 个方向( 同性) 都是一样的。在这种紊流中没有平均的速度梯度，也没有剪切 应力。 紊流场一般是三维的、时变的、夹杂有高度振荡的流场 4 “。近百年来许多 学者对紊流问题进行了大量实验与理论研究，取得了丰硕的成果。但由于紊流 1 0 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 过程十分复杂，目前紊流中许多理论问题尚未完全解决，在某些方面还没有达 成共识。不过一般认为紊流有以下几种主要特性 4 4 - 4 8 ： l 、紊流流动中所有参数都是随时间和空间而变化的随机量，但仍具有一定 规律的统计学特征； 2 、紊流流动中各参数的脉动值的变化是不规则的，但所有脉动值的时均值 都为零； 3 、紊流流动中在同一点的两个脉动参数可能互相关联，边界条件不同的紊 流具有不同的关联特性。 另外，一般认为，无论紊流运动多么复杂，非稳态n a v i e r - s t o k e s 方程( 简 称n s 方程) 对紊流是适用的，可以利用n s 方程及其相应的定解条件，获得该 条件下的流体的瞬时运动。但是由于n s 方程是一组高阶的偏微分方程，只能 求得一些可以简化为线性方程及菜些简单边界条件下的比较简单的解析解，一 般的问题都要采用数值模拟方法，借助计算机来获得数值解。 2 2 紊流的数值模拟方法 数值模拟以其自身特点和独特功能，与理论分析及实验研究己成为紊流流动 研究的主要研究方法。由于紊流方程组是非线性的，实际情况又什么复杂，所 以数值模拟便成为当前方兴来艾的一种研究方法。就目前已有的研究成果来看， 紊流的数值模拟方法主要有以下三类： 2 2 1 直接模拟( d n s ，d i r e c tn u m e r i c a ls i r n u l a t i o n ) 直接模拟是指直接求解三维n s 方程，无须采取任何数学模型，这是数值研 究紊流问题中最精确的方法。如果此法能成功地加以运用，则所得误差就仅是 一般数值计算所引起的那些误差，并且可以根据需要而加以控制。但是对于高 度复杂的紊流运动进行直接的数值计算，必须采用很小的时间与空间步长，其 网格必须足够的小，以便描述小尺度紊流。在三维情况下，为了覆盏流动区域， 至少需要1 0 9 个网格点。为如此之多的网格点贮存各种变量，远远超过了现代 计算机的内存容量，而且，随着网格点的增加，算术运算的次数显著增多，所 需计算时间令人望而却步。这是目前计算机容量和速度都很难实现。目前，世 界上只有少数能使用超级计算机的研究者才能对扶层流到紊流的过渡区流动进 行这种完全模拟的探索。据报道，有人曾在超级计算机c r a y - x - m p 上用了许 多机时，采用1 2 8 3 个节点对低r e 数的流动作过这种数值模拟 4 4 , 4 5 , 4 7 , 4 9 1 。 2 2 2 大涡模拟( l e s ，l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 大涡模拟法是六、七十年代以来由s m a g o r i n s k y 和d e a r d o r f f 等人发展起来 的一种数值模拟方法，它根据紊流运动可以被分为大尺度涡旋运动和小尺度涡 旋运动两部分的假设，通过求解经过滤波后的n s 方程来直接计算出对紊流输 运有着强烈的相互作用的大尺度涡旋，而对趋于各向同性的小尺度涡旋运动则 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 采用引入模型的方法来模拟。这种方法更接近于紊流流动的实质，能够给出流 动的更多细节信息如三维瞬时速度等【4 ”。这种方法旨在用非稳态的n s 方程来 直接模拟大尺度涡旋，但不直接计算小尺度涡旋，小尺度涡旋起的耗散作用和 它对大涡旋的反馈，则通过紊流模型来近似。由于计算量仍过大，目前只能模 拟一些不是太复杂的流动，还有待于计算机容量和速度的进一步提高。 2 2 3r e y n o l d s ( 雷诺) 时均方程法 早在1 8 9 5 年，r e y n o l d s 模仿气体分子运动论里的平均概念，对不可压缩流 体的n s 方程进行平均，得到著名的r e y n o l d s a v e r a g e d - n a v i e r s t o k e s ( r a n s ) 方 程。在这类方法里，将非稳态控制方程对时间作平均，得到以时间平均物理量 等为未知数的控制方程，于是所得方程的个数就小于未知量的个数。为了使方 程组封闭，必须作出假设，即建立模型。这种模型把未知的更高阶的时间平均 值表示成较低阶的在计算中可以确定的量的函数。由于紊流结构的复杂性，汉 在平均量问( 包括参数本身韵平均、参数乘积的平均等) 寻求联系，难以达到 令人满意的结果。尽管如此，这仍是当前工程紊流计算中所采用的基本方法 【4 4 舶】。该方法是b o u s s i n e s q 于1 8 7 7 年仿照分子运动理论假设提出的，该理论假 设为： ，一，一、 r ；：一面：vr l 堕+ 丝 一兰觚， ( 2 1 ) ” l 融掀，j 3 。 式中：v r 一涡旋粘性；k = “f u ，一紊流动能；6 i j - - k r o n e c k e r d e l t a 函数。 2 。 由于涡旋粘性是方程( 2 1 ) 中唯一的待定参数，因此紊流应力的模型就变 成了涡旋粘性的确定，统称为涡旋粘性模型( e v m ) 。它把r e y n o l d s 应力表示 成涡旋粘性函数。模型方程可以是代数表达式，也可能是微分方程，也许还可 以是积分方程。目前根据求解这个涡旋粘性所需的微分方程的个数，又将该方 法细分为零方程模型、单方程模型和双方程模型。一般认为，由于紊流所包含 的时间和空间尺度差别很大，流动形态又各不相同，只有采用两个独立的紊流 直接与紊流的时空尺度联系起来，才有可能获得较好的结果。正如s p e z i a l e ( u s a ，1 9 9 6 ) 所指出双方程模型是封闭最低水平【4 “。 2 3 紊流模型 由于p a n s 方程配合紊流模型是当前解决工程中紊流流体问题的主要方法， 如何建立适用性比较广泛的紊流模型便成为解决问题的关键。现在，紊流模型 已经取得很大的发展，但至今仍没有得到一个统一的紊流模型，只是根据紊流 模型方程所含微分方程的多少，将这些紊流模型分别称为零方程模型、单方程 模型和双方程模型。 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 2 3 1 零方程模型和单方程模型 所谓零方程模型是指不需要微分方程而用代数关系式把紊流粘性系数与时 均值联系起来的模型【4 ”。零方程模型只用动量方程组和连续性方程组，并把方 程组中的r e y n o l d s 应力假设为平均物理量的某种代数关系，从而使方程组得以 封闭，而无需附加其他的微分方程组，就能结合具体的边界条件求解流场中的 各个速度分量。零方程模型中有紊流粘性模型、混合长度模型、涡量传递模型 及紊动局部相似模型等。其中最著名的是混合长度模型，这是p r a n d t l ( 普朗特) 在1 9 2 5 年借助混合长度的概念提出的。 i ，一，、i v ，：，。“。：瑶i 旦兰型l ( 2 2 ) 。 。 。j 咖l 式中：厶一p 锄d t l 混合长度，m ；“。o 一脉动速度，m s 。 式( 2 - 2 ) 是第一个描述涡旋粘性分布的紊流模型，它相当于用平均流的速 度梯度估计紊流的时间尺度。混合长度模型在二维边界层和平面射流问题中应 用得十分成功，但对某些复杂的边界层，很难给出恰当的混合长度，如两个同 心圆筒间的流动、二次流( s e c o n d a r y f l o w ) 、多层剪切层和弯管中的循环流动等 1 4 6 。此时，混合长模型将不再适用。 单方程模型是在零方程的基础上发展起来的，它是在原来的方程组中附加 一紊流动能方程组共同求解，从而构成紊流单方程模型。在混合长度理论中， v t 仅与几何位置及时均速度场有关，而与紊流的特性参数无关。混合长度理论 应用的局限性促使人们将气体分子动力理论引入到紊流流动中，认为涡旋粘性 应当与紊流的特征长度及脉动的特征速度的乘积有关。分子微团脉动时具有一 定的动能，同时把各个方向脉动速度平方的时均值之和定义为紊流动能 七= 丢忑= 丢( + + ) c z 22l 式中；u 。一x i 方向的时均速度，m s 把特征速度取作k “2 ，于是涡旋粘性可写成： 叶= c a l k l 7 2 ( 2 4 ) 式中：气一经验系数；，一紊流脉动长度尺度，1 1 3 - 该模型是由ko m w 。noe ( 科尔莫哥洛夫) 在1 9 4 2 年和p r a n d t l 于1 9 4 5 年分 别独立推导得出的。它只能解决一些简单的紊流流动，而对与复杂的流动，又 很难选择出适当的长度尺度，只能由经验确定，这使得单方程模型适应能力较 小。 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 2 3 2 双方程模型 根据k 和，组合的不同，可构成的双方程模型主要有5 种，但是对靠近壁面 地区的计算来说以e 方程最为方便。因而，在紊流的工程计算中，k 一占双方程 模型应用最广。 1 、k s 双方程模型 零方程模型、单方程模型和双方程模型，本质上都是采用了紊流粘性假设。 因而紊流流动中雷诺应力的表示，即是涡旋粘性系数函数的确定。 k s 双方程模型在推演过程中，采用了以下几项基本处理；用紊流动能女 反映特征速度；用紊流动能耗散率e 反映特征长度尺度；引进了紊流粘性 假设：利用了b o u s s i n c s q 假设进行简化。 标准七一f 双方程的控制方程主要有连续方程、动量方程、能量方程、七方程 和e 方程组成，如下式所示【4 5 ，”】： ( 2 - 5 ) 式中：3 一空气密度，k g m 3 ；u ，一x i 方向的时均速度，m s ；u ，一z i 方向的时均 速度，m s ；z i 一直角坐标的三个轴坐标，i = l 、2 、3 ；p 一空气压力，i d a ；f ，一 j 方向的外力；h 一空气的焓，j ；p r 一空气p r a n d t l 数：9 一产热量，w 3 ；芦 一空气层流粘性系数；芦，空气紊流粘性系数：七为紊流脉动动能，m 2 s 2 ；s 一 紊流粘性耗散率，k s ( m s ) ；盯；一紊流动能的p r a n d t l 数；盯。一紊流粘性耗散 率的p r a n d t l 数：仃r 为紊流p r a n d t l 数；c l 、c 2 、c 3 一经验系数。 表2 - i 标准的* 一e 模型中的经验系数 虽然k 一占双方程模型能比较好的用于某些流动，列如无浮力平面射流、管 流、通道流和无旋及弱旋的回流流动等，但是用于通风空调工作中存在的浮力 峨 鸭一氟 + + 堕 一 薯，巷 卢 卜 + 剀一k t 一舞毒挚学第。等瓣耖。j 丐百 一砒一以一埘雠一肼 ，一。 咿 一 瓦 + 堕眠虿 。 堡l二r。 p 一口 卧 旦拦。 一 q 坐肼 一r p “ 空调房间送风参数对室内空气流动影响的数值模拟研究 流、低r e 数流动等，则会遇到较大问题，或者说是不成功i 8 】。鉴于此点，许多 学者提出了对k e 双方程模型的修正方法。 2 、k 一占双方程模型的修正 在通风空调工程中，对室内空气分布进行预测时，通常需要对浮力流进行修 正，即必须要考虑温差引起的浮力作用，由于温差引起的密度变化不大，所以 一般都可采用b o u s s i n e s q 的假设【5 1 ： i 除密度外，所有流体性质的变化全部忽略不计； 2 密度的变化对惯