（机械设计及理论专业论文）大空间建筑室内气流数值模拟及控制研究.pdf

摘嘤 摘要 人类大部分时问在室内度过，室内空7e 质撤的好上1 i 直接影l l 向人们的身体健 康。在现代卡1 会t h 空明成为州h 濉、_ 1 5 ：的l r 婴下段，热舒适t ”址人们刈j ： 室内气候环境满意程度计价的1 i 篮丰，j i 准。此川心 i i 】审7e 流动硐i 热舒通。m p f 究县以亟监现实意义。 小文沦述了汁算流体动力1 学( c f d ) r i ：_ i 内窄7e 流动数戗模拟办叫的应j ij ，泔 论了家内审气流动模拟f 门订限， ：，进州枞川州沦分析，刈i 维紊流力稚进行 了离敞处州，推导了坼兀彳i 限j 力稚，坡后廿j 枢体仃限儿力氍。 小文应川流体力学软什f i d a p 刈删场类人审问缱筑窄调和常lj 送风方式卜 的室内空气流动的速度场羽i 溢j _ f ：场进行j 丁数值模拟，j i ：通过f i d a p 的后处理模 块f i p o s t 绘制了行种力。j 的速度h 年等i ；l | 线| 冬| ，j l n 过f d o tj t 的数抓对符种 送风力式进 j ：r 计价。拒此 t + l l li ：，埘审州系统的l 执 ，1 ：、彬响气i 内热舒适性 的凶索、7c 流控制的影响w 索及 l 标作厂沦述。 通过对五种方式的逃皮劁、等泓线h 年i r c 流纰纵1 l i 能进 j 二评价分析和刈比 后认为：常用的剧场类大空问i 利，送风方式( 侧送侧叫方式、_ j ：部喷f i 方式、上 部敞流器办、分层审渊力、f j ：换通风山- ) | r 侧送侧m 力= f ，| ! - l ：作lx ：内的速 f ! ：、温度年睡n 拈，l 力郁较人，。e 流纠【纵+ r i ：能卅i 女r ；分j ，审渊i j 以满足气i 内温湿 度嘤球j ，能：喷ii 送风的沸i t ，。p ：、迷皮l l j 均匀| f ，i ：，i ：作k 、i ，均孙 j _ f ：、 ，均 速度低，睡组温謦小，j 以缁剑 艇好的心j l j ：敞流器办式1 j i 噢l l 山类似，f l i 散流器小卜方的人员有吹风感；霄换邀风办的速度场和温度场分以j 均匀且最 舒适1 x 域谯宅n u l i ，部，川心| 0 干j ! 较大，迎i f l i l l 迷较小，上订 ，能效粜，i + y j - 较 好的发j 越丽j j 。卜述绌沦刈合雕的7e 流烈【纵i 5 计抛供了理沦依抓，以j | j 达到提 i 留譬i 内热舒适r ：年l i1 ，能的i | n q 。 关键词：人空问建筑，窀内空7 i 流动，打i 艇数值模拟，送风办，4e 流控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t om o d e r np e o p l e ，t h eg r e a tn l a s so ft i m ei ss p e n ti n a l lk i n d so fb u i l d i n g s t h e c o n d i t i o no fi n d o o ra i rh a v ear e l a t i o nw i t hp e o p l e sh e a l t h , a i r c o n d i t i o ni sa i m p o r t a n tw a yt oa d j u s tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo fas p a c e t h ec o n d i t i o no fi n d o o r a i rd i s t r i b u t i o ni nt h ea i r - c o n d i t i o n e ds p a c ed e t e r m i n e si n d o o rc l i m a t e t h e r m a l c o m f o r ti sam a i nc r i t e r i o ni ne s t i m a t i n go c c u p a n t s s a t i s f a c t i o nt oi n d o o rc l i m a t e ，s o t h es t u d i e so fi n d o o ra i r f l o wa n dt h e r m a lc o m f o r th a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h i sa r t i c l e ，t h e a p p l yo nc f da p p l y i n gi ni n d o o ra i r f l o ws i m u l a t i o nh a v e b e e ns u m m a r i z e da n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d o l o g i e so fi n d o o ra i r f l o wa r e d i s c u s s e d ，t h r o u g hs t u d y i n go ft h ei n d o o ra i r f l o wt h e o r y , am o d e lo f3 - df o rt h e i n d o o ra i r f l o wh a sb e e nm a d e t h ed i s c r e t i z a t i o no ft h ee q u a t i o n sh a sb e e nm a d eb y f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt i l ef i n i t ee l e m e n te q u a t i o n so l a l lc l e m e n ti s d e r i v a t e d a tl a s tt h ef i n i t ee l e m e n te q u a t i o n so f t h ew h o l ez o n ei sd e r i v a t e d i nt h i sa r t i c l e ，f i d a pi su s e di ns i m u l a t i n gt h ev e l o c i t yf i e l da n dt e m p e r a t u r e f i e l do fat y p i c a ll a r g es p a c eb u i l d i n gu n d e ru s u a lk i n d so fa i r - s u p p l ym e t h o d s t h e p o s t p r o c e s s i n gm o d u l eo ff i d a pd r a wt h ev e l o c i t yp l o t sa n di s o t h e r ml i n ep l o t so f t h e s ek i n d so fa i r - s u p p l ym e t h o d s ，a n du s u a l k i n d so fa i r - s u p p l ym e t h o d sa r e e v a l u a t e dw i t ht h ev a l u eo ft h ef d o u t a l s o t h ca u t h o r p a r t i c u l a r i z e s t h e c h a n g e f u l l yd i s t u r bi nt h ea i r c o n d i t i o ns y s t e m ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h e r m a l c o m f o r ti nt h es p a c ea n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r sa n dg o a lt oa i r f l o wp a t t e r n t h r o u g ht h es t u d i e so ft h e s ep l o t sa n de v a l u a t i o no ft h e s ek i n d so fa i r - s u p p l y m e t h o d s ，w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nt h a ti nt h eu s u a lk i n d so fa i r s u p p l ym e t h o d s ( s i d e g i v e a n ds i d e r e t u r n ，t o ps p o u t ，t o p s c a t t e r d e v i c e ，d e l a m i n a t i o n a i r - c o n d i t i o n ，r e p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n ) i nt h et h e a t e r ，t h em e t h o do fs i d eg i v ea n d s i d er e t u r nh a v eh i g hv e l o c i t ya n dh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp e r p e n d i c u l a rd i f f e r e n c e i nt e m p e r a t u r ei nw o r k i n gz o n ea n dt h ee v a l u a t i o no fa i r f l o wf o r mi sb a d t h e m e t h o do fd e l a m i n a t i o na i r - c o n d i t i o nc a nm e e tn e e do ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi n t h es p a c ea n dc a ns a v e e n e r g y t h em e t h o do ft o ps p o u ta r eu n i f o r mi n t h e a b s t r a c t t e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t ya n dh a v el o wv e l o c i t ya n dl o wt e m p e r a t u r ea n ds m a l l p e r p e n d i c u l a r d i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r ei nw o r k i n gz o n ea n di tc a nb eg o o da p p l i e d t h em e t h o do ft o ps c a t t e rd e v i c ea n a l o g i e sw i t ht h em e t h o do ft o ps p o u t ，b u t p e o p l eu n d e rt h ed e v i c eb ei nad r a u g h ts e n s e d i s p l a c e m e n ta i r - s u p p l ym e t h o dc a n a l s og e tu n i f o r m i t yv e l o c i t yf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l da n dt h em o s tc o m f o r tz o n ei s i nt h em i d d l eo ft h er o o ma n dt h ea r e ai sv e r yl a r g e d i s p l a c e m e n ta i r s u p p l ym e t h o d h a sl e s sp o s s i b i l i t yo fd r a f ts e n s a t i o na n dc a ns a v ee n e r g y s ow i l lb em o r eu s e di n f u t u r e t h er e s u l t sc a np l a ya ni m p o r t a n c er o l ei na i r f l o wp a t t e r nd e s i g n i n ga n di n i n c r e a s i n gt h e r m a lc o m f o r ta n di n d u c i n ge n e r g yc o n s u m i n g k e yw o r d s ：l a r g es p a c eb u i l d i n g ，i n d o o ra i r f l o w , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d o l o g i e s ， a i r s u p p l ym e t h o d ，a i r f l o wc o n t r 0 1 独创性声明 小人声明所呈交的沦义姓我个人在导帅指导卜进行的研究：作 及墩得的研究成果。尽我所知，除，义j j 特别加以标注和致谢的地方 外，论义巾f i 包龠e 他人已经发表或撰：- ；过的研究成果，也4 i 包含为 获得石家庄铁道学院或i e 它教育帆构的。学位或m 5 j h 使川过的利料。 与我f n + i i 作的同志埘奎硎f 究所做的f i 似贞献均已在沦文l i i 幸11 ，i ! ：j 确的说明并表示，谢意。 签名：趟 关于论文使用授权的说明 升i 人完令，桶石家j j ：铁道学院f r 火保留、使j i j 。学位沦文的规定， 即：学院有权保留送交淦文的复印彳，f ：，允许淦文被龠浏和借阅：学校 n j 以公布论文的全部或部分内容，町以采川影印、编印或其他复制于 段似存论义。 ( 保密的论义在解密后应遵。、) ：此规定) 签韶：鲜蝴签缎期：业 筇一章绪论 第一章绪论 1 1 室内气候环境研究的重要意义 世界是不断发展着的世界，人们对工作、居住、娱乐的条件要求也是同益增 长的，为人们创造一个良好舒通的室内气候环境足建筑师们一直所追求的目标， 也是暖通空调工业的基本口的。从桨利t 意义上讲，舒适性最重婴的就是热舒适 性，室内热舒适程度的高低可以作为评价建筑设汁成功与否的标准之一。 人们埘于室内气候环境及热舒适性重要性的认识经历了个曲折的过程。工 业革命以| j i 的建筑对居住者的舒适及健康要求的满足只足丛j ：御寒、烹饪和照 明要求的满足，基本上不消耗能源。随着时代的发肢及人们的要求不断提高， 大量的新建筑都丌始采用暖通窄调设街，进入所啪的“舒适建筑”阶段。但l i _ i 于在没汁过程i i 缺乏刈室内1e 候环境州热甜通。i 9 i i ：确川! 解以及缺乏刈矬筑物 热指标的币确使用，这些设备的运行并不理想，经常造成埘建筑物的过分加热 或过分冷却，彳i 仪舒适性差而儿浪费了大量的能源。2 0 世纪7 0 年代能源危机的 影吼建筑7 , 1 i l r 从节能角度出发， _ = 现了全封闭的、完全靠空渊和人 _ j | ! f 】来 维持室内环境而与自然界隔绝的所谓的“现代化”建筑。它捉证5 采刚提商建筑 维护结构的热绝缘性、加强房间气密性咀及减少通风次数的方法来维持室内所 需的基本条件，但却导致了“病建筑综合t i e ( s i c kb u i l d i n gs y n d r o m e ) ”1 1 ol l t ：界 卫生纰纵在1 9 8 6 年刈“病建筑综合症”作了叫砷定义。稠a 发现，人部分痛 建筑是在“节约能源”的指导心想下产型i 的一些土寸闭性建筑。英困在1 9 8 7 年进 行的办公室工作环境调查中发现1 2 】：8 0 的工作人员承认他们在办公室内有4 i 舒 适现象并认为这主要是山于室内气候环境引起的。在北美( 美t j t l 平l i d l i 拿大) 进行的 调查中也发现大约3 0 的办公室工作人员不程度地心有“病建筑综合症”。在 我国所进行的调查中发现这种情况也普遍存在，许多宾馆都因节约能源，造成 了房间通风量不足，许多宾客必须打= | ：窗户以增= f j | i 新风，反而造成了能源的极 大浪费。 造成“病建筑综合症”的主要原因有三类： ( i ) 室内空气质量。导致“痫建筑综合症”的建筑往往偏重“v i i - z h , c l z ”因素，房 笫一章绪论 间气密性高，因此，室内不良t 体如二氧化碳、人体气味以及办公设备如复印 机、激光打印机等产：生的有害气体难以排出室外，这j = i _ f ：良4 e 体都会恶化室内 空气质量，使人感到巧i 舒适。 ( 2 ) 室内气候环境。室内气候环境足造成“病建筑综合症”的重要原i 捌，室内 空气的温度、速度、渝度等分i i j 是室内气候环境的重要因索。 ( 3 ) 布局及心理因索。恶劣的室内气候环境和热舒适性必将使居住肯的身心 健康和工作效率受到很大的影响，其间接引起的# 。会- l - f 4 1 效率降低、病体和医 疗费用增加等所造成的损失更加不对估量。所以，现在设汁人员越来越认谈到 健康建筑对于促进人们的身体健康和提高工作效, 4 t f i , j 匝要性。a s h r a e 在1 9 8 9 年提出的通风空调新风量标准甚至比能源危机之i 讨还耍商，木的智能化大楼 还出现了模拟天然环境的森林i 空硼，兴建“健康建筑”止成为j l | j ；_ f ；洲。 在我国，室内气候环境和热舒适性的研究一直比较落后，一般认为涉及到 热舒适性必定要耗费大景的资金。但在一定的条件下，依据热舒适性的研究成 果，通过某些建筑技术措施，努力用最少的费用达到较高的热舒适性，仍为一 祭亍：；j 介t m ：j i i i i l f i 钷f i _ e l 。t ， 欣f i ，j1 i 断j 求人t ：, l i 、的，卜j ( 水1 的1 ：断挝 i 岛，空渊谯微多城i i s 郁l 经j i ：女洲f 及，外隧j i i j 7 e 似环境及热s r 通f l - , r i ) l 。究也j 计了现实的紧迫f i ：。 综卜所述，伴随前人嚣j 对瞧好的室内。妖拳境刷热舒适, p t i f i , r d ：槲追求，憋 个暖通空调界都面临着l 司样的问题，i s l i 如何控制窀内气候环境使人们舒适。室 内气候环境研究的本质足研究室内空气流动特性，【剧此，从建筑f 内功能、节能、 健康、工效等目的出发，研究室内空气的速度场和温度场特征i ：进而控制之， 并进而达到使人们感到舒适，尤疑具订重要的理论意义和现实意义。 1 2 c f d 模拟大空间建筑室内空气流动的必要性 1 2 1大空间建筑的发展和特征 1 2 1 1 大空间建筑的发展 在2 0 年前，空间高度大于5 m ，体积大于l 办m 3 的建筑被称为大空问。在 公_ ；仃民用建筑方而主要足指影删院、卉乐厅、人会。；：2 ：、体育馆、展览馆等建筑。 此外，工业建筑中也不乏这类火型的车间。表1 给i 了大空州建筑的分类”1 。 第一章绪论 1 9 8 0 年以来，由于建筑技术的进步( 结构、环境设计等) ，人们休闲时间的 增加，对文化生活的需求有了增长。故公共民川建筑的规模f l 趋庞大。从建筑 形态来说，不拘一格，造型多样化。从功能上术说，要求灵活，有的甚至要求 “一种空间、两利，效果”，即可，1 ：启式大空f c l 】建筑。总之。大空间建筑得到了很 好的发展。 1 2 1 2 大空间建筑的特征 ( 1 ) 空问尺度的特征 大空间的特征之一是高度高。音乐厅、剧场的高度为1 0 2 0 m ，普通体育 馆高度为1 0 3 0m ；室内棒球场为3 0 7 0i t i ；高层建筑的中厅高度达1 0 0n l 以上。 这是形成温度梯度的主要原因。 大空间的外墙而积与地板面积之比比较大。办公楼建筑标准层为0 2 0 3 m 2 m 2 ( 地面) ，而大空间可能为lm 2 m 2 ( 地板) ，这就形成了外界界面埘室内 空问的自然对流影响较人，冬季易在四周造成下降冷气流。 ( 2 ) 居留区的特征 居留区的人员比较密集，每m 2 约l 2 人，但是人均体积较大从卫生角度 足良好的，i , j - = ：= i 乏川较小的换7l 次数。 ( 3 ) 使用特征 现今大空问除占典音乐f j 二、火剧院、会索等j b 符订限的功能外，其它都有 多功能的要求，如体育运动、杂技、演剧、音乐会、展示会等，因而要设置临 时的舞台，活动座椅等装备。不仅对空调带来多种环境要求，而日川l 于这些装 备的存在也影响空凋设备的设胃。这就要求空调的设霄有一定的灵活性。 筇乖绪沦 1 2 2o f d 模拟大空间建筑室内空气流动的必要性 随着我国陶民经济的伙述发膳，仝旧兴建了许多的人空m 建筑 如大会逝、剧场、影剧院、博物馆、腱览锕、体f r 馆、对沾净度有定要求的 工业厂房等，此类建筑装饰豪华，使 j 功能齐伞，般都毅柯全年性空调。空 调设计最重要的原则是保证涉及到热舒适标准刺1 j 生要求的指标在舒适范围之 内。常规空调系统气流组织的改i _ 卜方法足以送风射流运动为丛础，通过反复迭 代对温度和速度进 j ：校核，嫩历找到介l i t l f j 送风办窠剃参数。i 空翻_ i _ ；j 川i 的送j x l 射流运动大多属于多胶菲等温受限湍流划流运动，凶此一般的设计方法 是在单股等温湍流送风射流运动舭律的牲舭l ：，0 1 入射流受i ；| ) 、射流重合并u ：1 1 ：- 等温射流修萨系数。这种方法忽略了微多j e 它索，翻i j 1 1 ；风l 的j ti 和位胃、 热源的性质和位簧等，幽此它必然7 ，定的以篪n i 柴鼍情况f 馁至有很大的 误差。如果简，弘构将这种办法搬川n j 人夺m j 窄i | 连 系统朐。流身l 纵砹汁，将是 不合适的。 对j ：商人窄n u 窄测系统船7e 流纠【纵挫汁，l h 尚丸成熟i 1 9 p l ! 仑和譬驺结论， t 婴研究手段是7 t 流数他分1 1 i _ 和微型引i 合，j 。流数值分析能够考虑窀内 的各种可能的内扰、边界条件零l 初始条件，因此它能全她的反映室内的气流分 御情况，从而便于发现最优的气流组织力案1 5 i 。因此，将计算流体动力学( c f d l 用于大空州建筑室内空气流动模拟具彳柬人州沦承l 观寥意义。 1 3 主要研究内容 ( i ) x , j + 4 i i , j 送风办卜典型人审州矬筑 i 内窄7c 的述皮场、站i l 嫂场进 数值 模拟，并对母一f i l i 送风万的特点逊 j ：比较承1 分析，找经济讹剃甜近p i ：蜮他 的送风方式为工程应用提供理论依捌。 ( 2 ) 研究大空间建筑窄调钉i 系统形确定后实m ：运行 一影响气流组织的因 索。确定合理的控制方案。 笫：f ic f d 技术心川】：i 蛭通审调领域简介 第二章0 f d 技术应用于暖通空调领域简介 2 1 o f d 在空调设计中的应用综述 室内空气流动多属于紊流态，近代计算机技术的高速发展为数值方法模拟 室内空气流动提供了有力的工具。计算流体动力学在近3 0 年迅速发展起来，应 用此方法可以研究不同物理条件羽1 不同模型配霄，r l 耗时很少f u 极人的降低 研究成本。 c f d 技术应用于实际工程m t 的流动问题始于2 0 世纪7 0 年代初。近年来， 随着计算机容量的提高、先进的数值计算技术的出现c f d 技术已经广泛应用 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”( 传热、传质、动量传递) 及燃烧、多栩流和化学反应研究的核心和晕 要技术1 6 】。 暖通空训制冷领域是c f d 技术应j ；j ：| 的一+ 个重要领域。以室内空气流动为对 象的计算机数值模拟【7 l ，根据解析的着眼点刁i 同可分为时间变动特性分析和空问 分布分析。前者用于一般负荷预测分析，后者用1 二气流分前j 、温湿度、气体浓 度分布的解析。在一些先进幽家，包括空调系统、设备设计在内的计算机模拟 技术已经得到了广泛应用，其， 1 室内空气流动计算机模拟技术，已经进入了实 用阶段。 2 1 1 国外应用情况 最早应用c f d 方法进行室内空气流动模拟的是n i e l s o n 【8 1 ，随后1 0 多年， 世界各发达国家( 如美国、| 二1 水、两欧) 等于节约能源和提高糕个 l ：会的：l = 作效 率的考虑，挪投入了人 i ：l l q 人力、物力、j i ! ；j 力米进 j ：此万嘶的研究，并【i 墩得 了一定的成果。 美国是使用c f d 技术较。一的幽家之一，最早源于美困的因防和太空工业吼 a s h a r e ( 荚国供暖、冷藏与空气渊节： 程师协会) 于1 9 8 9 年成立了研究用c f d 方法预测室内空气流动的研究机构，它组织和完成了a s i - t a r e 的第4 6 4 号 ( r p 4 6 4 ) 研究课题“室内空气流动的数值计算”。这项课题比较完整的研究了c f d 5 一 筇：母c f d 技术应川j ：崾通窄明领域简介 方法模拟室内空气流动的 ：，l ：多棚关问题，此项研究的结桨发表存1 9 9 4 年的 a s h a r e 杂志上。 同本是另一个使用c f d 技术较成功的幽家。数值模拟技术在f _ i 本建筑环境 工程领域的应用始于2 0i f _ = 纪7 0 年代初7 i ，最早1 ：嘤川 ：建筑热负荷计算法的丌 发，以后逐渐应用到动念热负简数值模拟，此后，| ：发了气流数值解析的c f d ， 这项技术在f i 本已进入实, f i j 阶段。h 本的一些较人，咀的建筑承包公q 、空附设 备施工公司、设计单位和厂家都_ i 同程度的使用c f d 技术，包括产r 5 _ l ! i 制造、产 品性能的检验、空调系统的设计等。从研究对象束看i7 1 ，主要以室内。e 候环境占 大多数，从解析的物理现象来看以强制对流、通风换气超过半数。柞! 所投入使 用的c f d 软件中几乎包括了所有现行的解析手法车数学物理拨，诬1 7 ，体现了 c f d 软件的通用性。 2 1 2 国内应用情况 山于我凼地域辽阔、4 i i 刊地区有爿i 刚的气候特点，所以和我幽进行室内空 气流动和热舒适性的研究具有皿：c j l i 重要的意义。c f d 的心川研究枉我幽也取得 了许多重要成果，主要表现在以下几个方面【6 j ： ( 1 ) 通风空调的设计方案优化与预测、高大空i t i j 气流组织预测、置换通风数 值模拟、沽净室气流数值模拟等： ( 2 ) 传热、传质设备的c f d 模拟； ( 3 1 射流技术的c f d 模拟，如空浏送风术端砹矫等； ( 4 ) 流体机械及流体j 0 f t 二： ( 5 ) 空气。拈质及建筑7e 候环境的c f d 方法分析及坝测： ( 6 ) 冷库及制冷设备的c f d 分析： ( 7 ) 建筑火灾烟气流动及排煳系统的c f d 分析； ( 8 】锅炉燃烧规律的c e d 分析； ( 9 ) 通风除尘领域的c f d 分析： ( 1 0 ) 城f l 丁风与建筑物及室内互三气晶质的相互影响过程的c f d 分析； ( 11 ) 管网水利计算的数值方法。 山于经济、技术等方碰f g j 原, 因，我围与围际先进水，卜还有较火的差距。| = 1 前国内专家对c f d 技术本身实现方面的理论研究较多，如编鹎! 、计算速度、误 差等，而较少考虑到暖通空渊的县体特征，如i ；i i j 流模型、壁砷i 函数、热源模型、 6 第：乖c f d 技术麻川暖通。渊! j ! 城耥介 评价指标等。c f d 技术在暖通空驸领域的实际应川0 闯际先进水平还存在很大 差距。完善适用于暖通空溯的c f d 软件，进步：i | l 姒c f d 存实i 幻i ：1 ：样应川力面 的研究，是今后c f d 技术在暖通领域的卜要研究方阳。 2 2c f d 与其它室内空气流动预测方法的比较 空调设计的最终目的是以合理的系统设司及没播选型实现所要求的室内气 候环境。于窄明房问的j = i 内审c 流动竹况对窄洲波m 戊败爷父币：璎，所以， 丁程师们希望神：规划设汁阶段就能预测窀内窄4c 的分砷埔况，从i 町选择最佧的 空凋设计办案。i ：；i | 前，室内空气分斫巾0 预测手段1 i 婴7 r 心种8 i ：射流公式法、z o n a l m o d e l 、模型实验、c f d 方法。表2 1 为4 种预测方法的比较1 8 1 。 表2 - 14 种室内空气分布预测方法的比较 从上表可知，与其它三种预测方法相比较，c f d 法存在适川范围广、结果详 细、适用较复杂的空问和工况、用j 引较短、价格较低等优点，所以在j i ：程中有 较强的适用性。目前l ：hc f d 技术4 i 能直接模拟紊流，敞多采川数值模拟1 j 模型 实验相结合的方法，c f d 可以很好的指导模型设计，预测其值。随着计算机技 术和紊流技术的发展，c f d 预测室内空 t 流动的技术必将不断成熟，托窄调领 域具有广阔的应用前景。 第：章c f d 技术麻刚j j 暖通- i i j 领域简介 2 3c f d 用于室内空气流动模拟的一般步骤 c f d 模拟室内空气流动简n 地说就是刈描述牵内空气流动物理现象的控制 方程作离散化处理，实现数值解析。离激化处州的刈象足作为独：变量的时问、 空问变量，要求出其对应的速度、温度、堰力等。j 川r 离敞化处理直接。如r 算 机的能力( 计算速度、内存容量) 斗l i 关，分割越细，计算精度也就相埘越高。 室内空气流动密度变化不大，速度较低用有端麟存在，空气的粘滞性不可 忽略，室内空气流动雷诺数又经常达到紊流流动的艟级，所以室内空气流动可 抽象为不可压紊流流动。丛于窄气流动的数学模型，将房m 划分为离激的控制 体，采取一定的离散方法，如订限释秘法、彳r 限麓分法、有限分析法或有限 法等，将偏微分方程转变为代数方程组，依据某利算法，迭代求解离敞所得的 代数方程组，即可获得室内流场的详细信息。图2 i ；2 示用c f d 预测室内空气 流动的一般步骤1 8 j 。 在实际应h j p ，已订搬多根搬：图2 1 所编；| j | i 的c i ：d 软什，c f d 软仆旧般 结构包括前处理、求解器及后处理等三火模块。 睦立数学物理模，得到 i 流动控制微分方稗纠 山 l 住汁算区域离敞控制微分 l 打程组变为代数方秤纰 i f 接或饷化肝确定边外条 l 件也括儿t 边界条件等 山 阶边界条件，迭代求斛 敞所褂的代数力判细 山 结果历处理州视化 图2 1c f d 预测室内空气流动的一般步骤 8 筇一章审内窄气流动模拟的控制，j 剃 第三章室内空气流动模拟的控制方程 3 1 物理模型假设 机械通风房间内的空气流动多属于非稳态紊流流动，直接模拟尚不现实， 在解决实际问题时，需要对物f e 模型进行一定的似砹和简化处理1 ： ( i ) 室内空气为低速不可l e 缩气体且符合b o u s s i n e s q 假设； ( 2 ) 室内空2c 流动为紊流流动，紊流流动般为脯急念流动，经简化处理为 准稳态流动； ( 3 ) 忽略能量方程中由于粘性作用引起的能量耗散。 3 2 紊流流动的数值计算方法 3 2 1 紊流流动概述 紊流是种高度复杂的非稳态的三维流动，通常把它定义为无规则性、扩 散性、高雷诺数、三维有旋和连续性流动吼在紊流中流体的各种物理参数都 随时空发生随机的变化，因丽它是一乖| 一在时空上都具有某种准周期性和连续性 特征的随机运动，可以用统计f 均规律研究。 出于描述紊流的物理量相关并具有脉动性，对脉动的修i 刚暂有无穷多个， 因此，紊流方程尚没有精确解。 目前，主要采用统计理论和半经验理论两利，方法研究紊流。 在用统计方法研究紊流流动时，由于未知量的数目远远超过能过描述研究 紊流的方程数目，因此方程总是不封闭的，这就使得统计理沦局限j 二研究各向 同性紊流这一简单情况。 而半经验理论法是丛于紊流流动偏微分方糕纰的4 i 封闭性，在一定的初始 条件和边界条件下，采用各种二卜经验公式假设，得到足够的补充方程，使方程 组封闭求得唯一解，然后再幽实验束验证假设的准确性。 本论文中这两种理论均涉及到。 笫i 精_ f i 如。7e 涮c z 曲 = c 3 ； l = 【n 0 抖 ；i ，4 乃p i 。 3 2 2 紊流流动数值计算方法 紊流流动与换热的数值计贸是i 讨 卜算流体动力j 计算传热学p 凼难最 多的领域。2 0 年来，谯素流流动及换热的数值计搏山“取狲了很多进腰，l 经 采用的数值计算方法火敛分为r 二类i i “；充个幔拟( 俐蛊模拟) 祖i 、人涡髓镆拟法、 紊流输送模型模拟法。 ( 1 ) 完全模拟( 直接模拟) 法：川非稳态n s 力膏d 水埘紊流进行直接计算的方 法。这种方法，必须用很小的时0 u 年i i 空n u 步k ，i f i i 它刈内仃夺叫的要求微t 啊， 汁算时m 也长，j 址界 ：j l 丫少数能使川超级汁竹机的训：究栉j 能埘从止：流 到紊流的过渡区流动进行这种完个模拟的探索。 ( 2 ) 大涡旋模拟法：大涡旋模拟就是把紊流流助分为人涡旋和小涡旋流动 的假设，用一组三维非定艮的方程求解人涡旋，川近似输送模型求解小涡旋。 它不必对雷诺应力等输运项f l f l 女没，j ：能搿剑r 附占f i 寤的紊流信息，但它仍需 要相当大容量内存的高速计算机，也很赞机时，故心川也有限。 ( 3 ) 紊流输送模，髓模拟法：素流输送模，钭址堆j 简化的素流流动楼，科l 酊j “ 生的，凶其直接模拟动 双热 i ；：嗣l 浓度的输送，敞称为蒙流输送模，对0 ：稳 态控制方程做时均化处理，存所缁剑的控制方稚t i t 包含了脉动量乘移 的时均值 等未知量，但是所得方程的个数少j 二未知l i i ：i i j 个数，为使办私到【封闭，必须增 加方程。紊流输送模，弘法义f qr e y n o l d st i , l 均办样浊，足”铺口柞；气i 内窄7e 流动模 拟方丽采圳最多的方法，f l jr e y n o l d s 时均办枞法巾，义订r e y n o l d s 应力办桃法 及紊流粘性系数法两人类。 3 3 紊流的时均控制方程 物理量的孵时值，时均值面及脉动值之f j i l t j 如f 笑系 = 巾+ ( 3 一1 ) 以下在直角坐标f 推导1 ii t j jk 缩拈恍流体的时均控制方程。 ( 1 ) 连续性方程3 1 ( 3 - 2 ) 1 1 选魏 一 劬瓦 筇_ 二章室内空气流动模拟的控制厅榭 式中，p 为常数，对该式作时均运算玎得 当：0(3-3) 对上式进行变形，可写为 d i v ( u ) = 0 ( 3 4 ) 上式即为不可压缩流体时均化的连续。盹方程。 f 2 ) 云4 j 量方程 粘性流体运动的n s 方程式办适用于紊流，不可压缩流体的n s 方程为1 1 3 1 p ( 鲁q 考 _ 阢一筹+ 夏o ，( 。i 3 u f + 等 b s ， 对上式进行时均化处理，可得霄 j = 方程 p ( 鲁+ 巧引= 彦一考+ 夏0 ，( i 虿o u f + 等 - 毒c d 弭) b s ， 式中，为动力粘性系数。 式( 3 6 ) 与式( 3 - 5 ) 相比多一项一p u l u i ，此项称为r e y n o l d s 应力或紊流应力。 将上式进行变形后可得如下形式 掣+ d i “触) _ d i 札所蚓坼) ) 一等+ 腾 ( 3 _ ，) ( 3 ) 不1 1 k 缩流体的内能方柙为”3 1 ： 肛，鲁= 0 砌( 姗 对上式作时均化处理可得1 5 ( 3 - 8 ) 警+ 警3 x = 毒( 寺c 詈3 x 每两& p 。) 西 踟，、。，。1。 、 式中，卜热传导系数： c 。比热： 蛳一章i i 内窀。i 流动模拟的控制打槲 乳源项： u i t 紊流热欠靖。 一, o u l u ? 和u i t 两嚣之间足互年h 联系的，两者2 _ i f i j 的联系就足雷诺应力方 程。将上式进行变彤肝j 。褂如m j 掣嘶吣a i v 忙+ 外州r ， = 赤p 3 4 紊流脉动值附加项 上述时均方程的推导过程产生了包含脉动值的附加项，这些附力| 1 项导致了 方程组的不埘闭。要馒方程缎封闭必绠找h i 确定这些 f f 妞l 硕的父系式，蜜际l ， 素流n 水动值附 u 坝的确定址r e y n o l d s 时均力程法汁3 ，豢流的核心t q 容。 擞捌b o u s s i n e s q ( 18 7 7 ) 假设，紊流脉动所造j , e l t 4 j 附加应力叮表示为i 1 一万鸹(娑+挈)一寻球(3-11),ou 一 “，= 7 【i 二+ 卜i p k 凸 c 珥，c j j 式中，爿广紊流粘性系数，它足空 q 坐扔i 的函数，取决j 二流动状态1 f l j i 是物 性参数。 引入b o u s s i n e s q 假设以后，计算紊流流动的关键和! r 如何确定r o 所渊紊 流模型灶指l | ；j 系紊流的脉动值附： j l j 项i j 条流时均他的火系。 3 5 紊流模型 按照方程组中微分方程纵的数紊流模型j 。分为：零办羁! 模型、疗程 模型、两方程模型，多方私! 模7 魁等州种 t 3 l 。订相i i 内审，l 流动模拟中采j 1 最 多的模型是l a u n d e r 和s p a l d i n g 修1 f 后的高雷诺数的尽s 两方程模型，它包括 的两个物理量为紊流动能k 和素流的动能耗散率r 。本文应用k - r 两方程模型。 紊流脉动动能耗散率 定义为i u i 第二章室内审2e 流动模拟的控制力样 刊警) 2 毛_ k , 1 2 (3-12)1 采用k - f 模型时，为紊流粘性，j 公式为 ：c 。生( 3 1 3 ) 则f 方程为1 2 1 掣+ 掣= 毒 ( + 磐 毒 + i c l 5 鸬堕o x sf i 塑& ，+ 警 - q p 妄c 。州， 上式变形后可得如下形式 旦o 堕t + d t 咖洗卜a i 北斗+ 訾户玳e ) = q 妻p c - c 2 p 妄c ， k 力程为 了a ( p x ) + 蚓a x = 毒 ( + 尝 等 + 朋堕o xf t 堕o x i + 詈 - p ，s ， 上式变形后可得如下形式 百o p k 砌咖脚a i v 雌i x7 。，g r a d ( k ) 卜p e p 式中，p c 的表达式为 只；销善 等+ 等j 限 以上k - r 两方程模型中包括5 个系数，它们为经验值，这些经验系数在室 内空气流动模拟中为常数，其值分别为：g = o 0 9 ，c i = i 4 4 ，c 2 = 1 9 2 ，a k = 1 0 。 a 。= 1 3 。上述模型中的r 方程具- h - 定_ 的局限性。修i f ! 后的k r 曲方程模型 ( r n g k - r ) 使用统计t 方法6 】，此模型的优点是公式一i ；丽参数i 叮以准确计算 第i 啦。毫内，；i 7 谢劬模拟的控制h w 式中 警+ a - 帅峥a i v 坤州e ， = ( c i - c t r , v a ) 云p g - c , 9 要p ，。， ，7 = 式中 口o 、卢附加的模型常数 p s 产生的剪切项。 f 3 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) 修正后的尽e 两方程模型仍然具有血个系数( ( 0 ，c l ，c 2 ，ak ，一。) ，在 大需讲数的情况下，这“个系数仍然认为魁常数，这u 鼍常数以及能璇方称巾的 系数口t 的值分别为：c 。= o 0 8 5 ，c 1 - 1 4 2 ，c 2 = 1 6 8 ，口l - _ 0 9 1 0 ，o k = o 7 1 7 9 ， 口= 0 7 1 7 9 。 3 6 室内空气流动控制方程组的通用形式 k - r 模型的两个方程与连续性方程、动量方税、能量方程起构成了求解 室内空气流动的封闭方程组，求解此方程组t 叮以z 。一- j 流场的速度、i ! 强、紊流 动能、紊流动能耗散率等，f e l 一般认为此方程组只适川于雷诺数足够大的情况， 而仡墙壁附近i 【1j i 流仆f l j 十, l i r i ：作川，般采川所i i j 的j 棱| l f 函数法。 在进行流动与换热的数值计算时都希望所编，“| ，j 槲r y ：f i b l , d 时求解虮p 、7 1 、 k 及r 五种变量，因此要努力提