（环境科学专业论文）住宅负压新风系统气流组织的数值模拟与参数优化.pdf

旦 扬州人硕一 j 学位论文 a b s t r a c t i nt h ep a s ts e v e r a ld e c a d e s as e r i e so fo u t d o o re n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，s u c ha s g l o b a lw a r m i n g ，s o i ld e s e r t i f i c a t i o n ，w a t e rp o l l u t i o n ，a i rp o l l u t i o na n ds oo nh a v e a l w a y sb e e nc o n c e r n e db yp e o p l e h o w e v e r ，i n d o o re n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，e s p e c i a ll y t h ef r e s ha i rp r o b l e m ，a r i s ep e o p l e sc o n c e r n sw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y a n dt h ec o n s t a n ti m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d m e a n w h i l e ，o n eo ft h e c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c ei n v e s t i g a t i o n ss h o w st h a tc h i n ai so n eo ft h ec o u n t r i e s w h e r en a t u r a lr e s o u r c e sa r et h em o s ts e r i o u s l yw a s t e di nt h ew o r l d ，a n dt h eu t i l i t yo f e n e r g yi nc h i n ai so n l y2 6 9 o ft h eu n i t e ds t a t e s 、1 1 5 o fj a p a n ，t h e r e f o r e ，i ti sv e r y i m m i n e n tt op r o m o t ee n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n r e s i d e n t i a l n e g a t i v e p r e s s u r e f r e s ha i rs y s t e mh a sc h a r a c t e r i s t i c s ，i n c lu d i n g v e n t i l a t i o nu n i f o r m ，s i m p l es y s t e m ，n on e e dt oi n s t a l li n d o o ra i rd u c t ，i m p r o p r i a t i n g s m a l ls p a c e ，c o n s t a n t l ys u p p l y i n ga i ra n ds oo n r e a s o n a b l ea i rf l o wh a se f f e c t so nn o t o n l yi n d o o ra i re n v i r o n m e n t ，b u ta l s oe n e r g yc o n s u m p t i o n i ti sv e r ys i g n i f i c a n t f o r e n e r g ys a v i n gt oo r g a n i z eo p t i m a lv e n t i l a t i o nw h i l ee n s u r i n gt h ei n d o o ra i rq u a l i t yi n o r d e rt oh a sm i n i m u mv e n t i l a t i o nf r e s ha i rv o l u m e t h u s ，t h es t u d yb a s e do na i rf l o w , o n n e g a t i v ep r e s s u r ef r e s ha i rs y s t e ma so n eo fe f f e c t i v em e t h o d sr e s o l v i n gi n d o o rf r e s ha i r p r o b l e mt oi m p r o v ei n d o o ra i re n v i r o n m e n th a sp r a c t i c a ls i g n if i c a n c e ，b u ta l s o c a n p r o v i d er e f e r e n c e sf o rd e s i g no fr e s i d e n t i a lv e n t i l a t i o n 3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o ns t u d yo nr e s i d e n t i a l i n d o o ra i r d i s t r i b u t i o ne n v i r o n m e n tw i t hn e g a t i v ep r e s s u r ef r e s ha i rs y s t e mi sc a r r i e do u ti nt h i s p a p e rb vf l u e n ts o f t w a r e t h es i m u l a t i o n s a r ef o u n d e do nk st w o e q u a t i o n t u r b u l e n c em o d e l s i mp l e cm e t h o da sw e l la st h ew a l lf u n c t i o n a n dt e s t o n r e s i d e n t i a li n d o o ra i rd i s t r i b u t i o nw i t hn e g a t i v ep r e s s u r ef l e s ha i rs y s t e mi ny a n g z h o ui s d o n et ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n dr e l i a b i l i t yo fm o d e l s f i n a l l y , w i t ht a k i n gat y p i c a l b e d r o o mi nw i n t e ra st h es i m u l a t i o no b j e c t s i m u l a t i o no p t i m a lc a l c u l a t i o n ，b a s e do na i r f l o 诚o ni n d o o ra i rd i s t r i b u t i o ne n v i r o n m e n tu s i n gn e g a t i v ep r e s s u r ef r e s ha i rs y s t e m a n dr a d i a n tf l o o rh e a t i n gi nt o t a lo f 3 6c a s e si sd o n e a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i sa r ea l s o d o n e f r o mt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s i ti so b t a i n e dt h a tt h ef r e s ha i rv e n t i l a t i o np l a n w h e nt h er a t i oo fl e n g t ht ow i d t ho fi n l e tb e l o wt h ew i n d o wi s 0 3a n de x h a u s tv e l o c i t y i s3 5m sc a ng e tt h eo p t i m a li n d o o ra i rd i s t r i b u t i o ne n v i r o n m e n t ，w h i c hc a ne n s u r e i n d o o ra i rq u a l i t yr e q u i r e m e n t s ，b u ta l s o k e y w o r d s ：n e g a t i v ep r e s s u r ef r e s ha i r s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n n o tw a s t ee n e r g y s y s t e m ，i n d o o ra i re n v i r o n m e n t a l ，f l u e n t ， 徐乔：化宅负爪新风系统7e 流绷纠- ，的数f f 衍l ! 拟j 参数优化 符号说明 v 一 符号物理含义 k ，速度不均匀系数 k ，温度不均匀系数 仃 温度均方根偏差 仃v速度均方根偏差 一 平均温度， v平均速度 e 7 1有效温度差 a d p i空气分布的特性指标 u流体的速度矢量，它在三个坐标上分量分别为：“、v 、w p空气密度 p医力 f x 、f y 、f ： 微元体上的体力 矽通用变量 r广义扩散系数 s 广义源项 徐乔艳：住它负豫新7 x 【系统e 流钎 织的数仃 模拟l 参数优化 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 在二十世纪八十年代以前，全球变暖、土壤沙漠化、水污染、大气污染等一 系列的室外环境问题一直是环境问题中人们关注的首要焦点，然i 酊，随着科学技 术的飞速发展以及人们生活水平的不断提高，室内空气品质问题( 将在以后章节 中详细闸述) 越来越突出，使得人们越来越关注室内的环境问题，尤其是空调币 节的新风问题。关于新风最的调查研究，西方国家早在2 0 世纪9 0 年代初就已开始， 从对加拿大、美国、西欧、南美8 5 栋i a q 较差的建筑的调查结果看，在导致i a q 较差的所有原因中，新风量不足排在第一位，约占5 7 ，其次是室内污染源增多。 而我同是在2 0 0 3 年发牛非典时才开始真正关注新风最问题的。北京市卫牛局对北 京8 0 家公共场所的空气品质进行抽查，检查结果显示高达9 0 属于严重污染，在 天津市举行的空气质量调查活动中，对室内空气污染严重的5 0 家单位和家庭进行 了检测，结果发现大多数室内空气污染物( 如氡、氨、苯、甲醛等) 并没仃超标， 但为什么在众多空气污染物都没有超标的情况下，室内空气污染情况仍然严厦 昵? 经调查分析发现其共同的特点是通风不好，即新风最不足。由此可以看 j ；， 要改善室内空气污染，提高室内空气质量的最：直接有效的办法就足提高窀内空e 的流通，加快窀内污染空气的排出，加速室外新鲜空气的注入，即向室内送新风 进行通风换气。 目前住宅送新风方式丰要有自然通风和机械通风。自然通风丰要通过门窗进 行通风；这也足我囤普通民用住宅过去甚至现在都常用的通风方式。在空调季节， 室内有使用冷热源设施，如果打开门窗通风，势必会加大能源的浪费，这在讲究 能源节约的现代社会显然是不町取的，这时人们为，节约能源，紧闭门窗，仪依 靠门窗缝隙的自然渗透提供新风，然而，随着科学技术与建筑节能的发展，我阔 城镇新建住宅的密闭性逐渐提高，自然渗透的换气不能满足新风量的要求l z l 。机械 通风又可分为机械进风机械排风，机械进风自然排风及自然进风机械排风三种通 风方式。现在住宅中常用的新风换气机、带热回收的伞热交换器系统都属j ：机械 迸风机械排风方式，这种方式初投资和运行费用都较大，一般7 f j 在层高较大、装 修标准较高的高级住宅中，一般的普通住宅较少采用。机械进风自然排风办式存 在进风区域风速过大，送风均匀性差，容易形成送风死角等问题，不设连续排风 的风机盘管加新风系统属于此通风方式。自然进风机械排风也叫负雎新风系统， 扬州1 人。硕f j 学何论文 它能仃效解决以上两种通风方式的问题。 机械通风方式近几年在幽内发展较迅速，但普通民用住宅的机械通风人多仪 往厨房、卫生i 、u j ，简币地设胃土建排风道和换7e 扇、排油船l 机，瓶起居窀、卧名 等则很少考虑有组织的通风。在空调季节，合理的7e 流纠l 织刁i 仅关系着窀内环境、 健康舒适度，还影响宥能耗，而过大的新风量会增加新风处理能耗，造成能源浪 费，过小又小能保证室内空气品质，山此，在蕈视节能减排的人环境下，尤其足 矗：空渊季节，不仪需要向室内送新j x l 以改善室内空7 环境，还要组织域优的7e 流 纠f 织，以降低新风处理能耗。另方向，住宅负压新风系统存困内还处j ：起步阶 段，足比较新的住宅通风系统，仍没有完善的的研究方法和标准，本课题从通过 优化7e 流组织米改善室内空气环境角度，在满足室内- p i - 要求的f j ，j 提一f ，使通风 点 最小，即以消耗最小的能源达到最件的通风效果，这对f 一1 ，能而寺，意义足怍 常霞大的，也可较好的处理窄渊季节提高审内空7e 品质j 降低新风处理能耗之间 的矛盾，为以后的住宅通风设计提供参考依据。 1 2 住宅负压新风系统概述 住宅能帮人们抵挡风、商、雪、严寒和酷暑，是人们h 常生活起膳的地办，也 足人们i ：作一天后休息放松之所。岗而住宅的室内窄气品质就h 古得尤为重要，昕 新鲜清沾的窄气是室内空气品质的保证，也是人们身体健康和生活r l f l 质的，蛳f ：。 住宅负压新风系统能持续的送入新风，满足人们的卫生需求，提高人们的乍活质 量。 1 。2 1 住宅负压新风系统原理与特点3 1 住宅负压新风系统山j 卜机、排风口、窗式进风器( 墙式进风器) 、风道及j 乓它附 件组成。其工作原理是：排风机运转时，排i 【j 部分宅内原有空，e ，使事内空7e 产 化负压，拳外新鲜空气在窄内外空气压筹的作用下，经窗式进j x l 器( 墒式进风器) 过滤后进入i 内，流经室内活动区域，满足人员活动的需要之后，污浊卒7e 通过 排风i l 、排风道罕窀外，以此达到气i 内通风换气的目的，原理图如图1 1 ( 图片水 源。j i h t t p ：l l w w w h 2 0 m e c n u s e r f i l e s x f j p g ) 。 徐春艳：住宅负压新风系统气漉组织的数值模拟与参数优化 。：誓多二 孝“、歹 j 一 jr 。1 1 话圆 t 圈11 住宅负压新风系统原理图 新风主机一般装在浴室、卫生间或厨房的吊顶内，其排风量除r 要满足浴室、 卫生问本身的换气次数外( 一般为1 0 1 5 次h ) 。还应满足其所负担的卧室、客厅 的通风，二者取大值。负压式新风系统具有以下特点：能耗低、换气均匀、稳定、 可靠、系统简单。室内无需安装风道，占用空间小、持续不断送风、可避免二次污 染，同时进风口具有降噪、隔尘、防结露和挡蚊虫等功能。但住宅负压新风系统 也有其缺点：因为该系统是利用负压的原理实现通风换气的目的，所以居室内始 终处于微负压状态，室外空气中的粉尘便会在压力的作用下通过外窗、门等的缝 隙渗入室内，从而影响室内空气质量：另一方面如果建筑的密闭性达小到要求 将形成自然渗透通风，这不仅浪费能源，负压新风系统也不能发挥其原有的功能， 解决这两个问题的关键是建筑的密闭性。因此，住宅负压新风系统的使用需要建 筑的高密闭性作为基础。 1 2 2 住宅负压新风系统设计原则 ( 1 ) 定义新风路径新风从空气较洁净区域进入，由污浊处排出。一般新鲜 空气从卧室、起居室等区域送入室内，而污浊空气则从浴室、卫生问及厨房排出 室外。 ( 2 ) 确定居室内最小新风量以满足人们口常工作、休息时所需的新鲜空气 量。按国家通风规范规定，每人每小时必须保证3 0 立方米。 ( 3 ) 定义新风时间保证新风的连续性，一年3 6 5 天，一天2 4 小时连续可不 间断通风。当然，也可以根据用户自己需要，自主调节新风主机运行时间，在过 渡季节，也可采用开窗通风，以进一步节约能源。 扬州1 人。7 ：硕卜学位论文 1 2 3 住宅负压新风系统发展及研究现状 ( 1 ) 化! 岂负爪新j x l 系统发展现状 负jk 技术广泛j 邂川于医学、锅炉通风、储粮技术等领域，随符审洲的人l i 使 川和人f i 、j 刈 内审，“f i 质火汴的力灶，现也逐步心川，i 住：色新j x l 技术i i o 住宅负爪新风系统扫：欧洲发达刚家从一 ：个i ：纪八 勺i 代就已，j i ：受f i 使川，i | 前 谯法、德、蜒 q 、f 1 本等吲家已足比较常j j 的仲宅机械通风系统”l 。m “卅f 内， 住它负jk 新风系统近儿年彳f ；现，只4 剐：浙；! l 一带住宅t ，运川较多，还处j i 起步 阶段，足比较新的住宅通风系统。 ( 2 ) 住宅负爪新风系统研究现状 诈：多州内外学名从4 i 角度对住宅负压新风系统进行了研究，也取得了1 i 少的 成粜。脱总结如l 。卜： 潘涛和义献f 5 】i | ，详细介绍了住宅负；j ( 亲j ij x t , 系统的j i ：作流样、优缺，_ 以及排风f | = 的设计，时介宝“了年r 能引l 收功能的机械进、排风系统，j ：给f l ；了设计实例， 义瀑指肼名i 利j i i 订组织的机械通风势在必行； 瞅沁，朱颖心川理论分析方法对北方地i x i 住宅冬季通风换7c m 题进j j 二了研 究1 6 i ，从他们的研究l i 得 对十北方地i x ，冬季培本i ：处j ：供暖。f ：况，仪：l # 冷风渗蒴：| j i 的新鱼f 审ze 艟足远远小能满足拳内伞乒“贡要求的， 人i 此，采川仆宅负爪新风系统 成为个町考虑的力案； 1 m a i e r ，m k r z a c z e k l 7 i 等人利川问卷凋查和实验棚结介的办法，埘德【k 1 2 2 ) 任 它采川一卜i 通j x l 系统时( 其r f i 具有前个通风f i 机械通风形式( m e c h a n i c a lv e n t i l a t i o n s y s t e mw i t hs i n g l ev e n t i l a t o r s ) 即住宅负爪新风系统) ，c 0 2 浓度、i 6 j l l 度、 ： i # 度变化 胤律进i j ：了研究，研究结果表明：从c 0 2 浓度角度_ 发，机械通风方式的通风效果 优j ijl ：窗通风方式4 0 5 0 ，而其l j 巾个通风【i 机械通风形j i = ( m e c h a n i c a l v e n t i l a t i o ns y s t e mw i t hs i n g l ev e n t i l a t o r s ) 的通风效果分别优于机械通风的，j 外两，f l | i 形( m e c h a n i c a lv e n t i l a t i o ns y s t e mw i t hi n a n do u t 1 e a d i n ga i re l e m e n t sa n da i r h e a t i n gs y s t e m ) 3 0 干h 1 0 ，并f 1 啊，个通风i 】机械通风j 眵弋的安装赞分别比机械通 ) x t , l l t 8 0 ) 没有表示不满 。此定义将- 卡客观评价科学地结合起来，在 国际卜获得了广泛的认可。 2 1 1 室内空气环境问题 随着社会的进步和经济的发展，人们的生活水平不断提高，现代人们对居住建 筑环境的要求也越来越高。住宅不仪是人们休息、睡眠和学习的场所，也足家庭 刚聚、儿童成长发育、人们健康牛活的地方，人们每天要有一半以 ：的时间牛活 在住宅中，而婴幼儿、孕产妇、老弱病残等敏感人群在住宅中停留的时问会更长， 所以室内空气质量的优劣对他们的健康有非常大的影响。凶i m 新鲜清洁的卒气4 暑 宙21 币同温度下空 + 1 8 度 。- 一2 0 度 蛐一2 2 麈 - 一2 4 鹾 十2 6 度 r 2 8 度 一3 0 壁 一3 2 度 圉22p 州一p p d 的关系曲线圈 羞蒹曩搿器嚣篓鬈装 一；f一；rkl【ir!o 卜； 卜 。 丑 正 d 4 坐扬州人学硕i j 学化论文 行评价。美国采暖制冷空调工程师协会定义有效温度差a e t 如下式，用以反映空 调区内温度和速度综合作用的舒适性指标。 a e t = o f t n ) 一7 6 6 ( v f o 1 5 ) ( 2 6 ) 式中，t ，为测点的温度，。为室内温度，v i 为测点的速度。 一般认为衄丁值在1 7 1 1 之间，多数人感到舒适。将空调区内有效温度差 a e t 在1 7 1 1 之间的测点数和总测点数之比的百分数，称为空气分布的特性指 标，以a d p i 表示： 脚，= 坐毪蒜磐燮圳o 沿7 ， a d p i 值越高，室内人员对舒适性感到满意的人越多。 结合本课题的研究对象及其特点，本文将采用不均匀系数、空气分布的特性 指标a d p i 对气流组织进行综合评价。 2 2 3 室内空气环境与气流组织 如前所述，室内空气环境与人们的生活品质和身体健康息息相关，而气流组 织的合理与否直接影响着室内空气环境的状况。本文就是从气流组织角度，通过 对住宅负压新风系统气流组织进行模拟优化，以此实现改善室内空气环境的目的， 一定程度上也能够节能减排，减少对环境的污染。 2 3 室内气流组织的研究方法c f d 简述 自2 0 世纪中叶第一台电子计算机问世以来，计算方法继实验方法与分析方法 之后，成为科学研究的第三种研究方法。并随着计算机技术和性能的不断提高而 得到不断发展和完善。 2 3 1c f d 基础知识1 2 眦3 i 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机 数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的 分析。c f d 可以看作是在流动基本方程( 动量守恒方程、质量守恒方程、能量守 恒方程) 控制下对流动的数值模拟计算，是进行“三传( 传质、传热、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，简单的说，c f d 相当于在计 徐春胞：住宅负乐新风系统气流细纵的数值模拟与参数优化 算机上进行一个“虚拟的物理实验，用以模拟仿真实际的流体流动状况。通过这 种数值模拟，我们可以得到极其复杂的流场内各个位置上的基本物理量( 速度、 压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分 布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其它物理量，如旋转式流体 机械的转矩、水力损失和效率等。此外，与c a d 联合，还可进行结构的优化设计 等。总的来说，c f d 的基本思想可概括为：把原来在时间域及空间域上连续的物 理量用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定原则和方式对流 动基本方程进行离散，建立起离散点上变量值之间关系的代数方程组，然后求解 代数方程组获得变量的近似值。 相对于实验研究，c f d 具有以下特点i “i ：( 1 ) 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灵活、更自由，还能对实 验难以测量的量做出估计；( 4 ) 数值具有很好的重复性，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。 自1 9 8 1 年以来，出现的c f d 商用软件主要有：f l u e n t 、c f x 、s t a r c d 、 f i d a p 、p h o e n i c s 等。它们的功能比较全面，适用性强，几乎可以求解工程界 中的各种复杂问题，具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高。其中 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 推出的c f d 软件。它是继p h o e n i c s 软件之后第二个投放市场的基于有限体积法的软件，并且它使用g a m b i t 作为前 处理软件。f l u e n t 是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤i z l i ：( 1 ) 建立反 映工程问题或物理问题本质的数学模型，具体地说就是要建立反映问题各物理量 之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点；( 2 ) 寻求高效率、 高准确的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有 限元法、有限体积法等；( 3 ) 编制程序和进行计算，这部分工作包括计算网格划分、 初始条件和边界条件的输入、控制参数的设定等。该步骤是整个工作的丰体；( 4 ) 显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和分析计算结果具 有重要的作用。 本课题将学习并利用f l u e n t 软件来模拟研究住宅内采用负压新风系统时气 流组织的规律特性，并对其进行优化，实现在保证室内空气品质达到要求的情况 扬州人学硕十学位论文 下使新风量最小，达到节能的目的。 2 3 2c f d 在国内外的应用研究现状 1 9 3 3 年，英国人t h o m l 2 5 i _ 旨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c f d 技术的诞生。 1 9 7 4 年，丹麦的p v n i e l s o n l 2 2 卜首次将c f d 技术应用于室内通风空调领 域，利用流函数和涡旋公式求解封闭二维流动方程，并采用k s 湍流模犁模拟室 内空气流动状况。 1 9 7 9 年，n i e l s o n 首次对浮力影响室内非等温空气流动数值计算的有关情况 进行了概述。 1 9 8 0 年，g o s m a n l 2 6 1 利用k 一占模型对不同几何形状的房间进行了三维数值模 拟，发现各种情形下的湍流动能k 和湍流长度尺寸，都是一致的，并首次提出用指 定速度法来给定风口入口边界条件。 1 9 8 4 年，k a n e k i 和l s h i h u 采用流函数和涡旋公式数值求解菲稳态二维流动 方程方法来预测室内污染物浓度的分布情况，从而研究室内的通风效率。 1 9 8 6 年，a w b i 和s e t a r k 利用t e a c h 程序对二维贴壁射流的速度分布情况 进行了模拟预测，并且分析研究了室内障碍物和墙壁对射流的影响规律。 1 9 8 8 年，j o n e s 和r e e d l 2 7 i 利用c f d 方法并且采用贴体举标对工厂大空问空 气流动和温度梯度进行数值模拟。 1 9 8 9 年，a s h r a e 专门成立了用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 h r a e 的第4 6 4 号研究课题“室内空气流动的数值计算”。该 课题比较全面的研究了c f d 数值模拟室内气流的相关问题。 1 9 9 0 年，h e i k k i n e n 提出用“基本模型 来模拟一个“h e s c o 形式，且是 国际能源组织( 1 e a ) 采用的样本之一的多孔散流器。使用基本模型避免了入口动量 过大或过小的问题。 1 9 9 1 年，p v n i e l s o n i 2 8 用基本模型进行了数值计算，并将计算值与实测 值进行比较发现，虽然各点速度相差较大，但射流衰减趋势大致相似。 1 9 9 6 年，a s h r a e 在美国亚特兰大举行的国际会议的诸多丰题之中就包含 c f d 在h v a c 行业的应用。 1 9 9 8 年，q c h e n 和w x u l 2 9 i 提出了针对室内气流的简化零方程紊流模型。 2 0 0 0 年，q c h e n 和j s r e b r i c i3 0 i 提出了用于数值模拟散流器边界条件的简 化模型。 徐夼艳：住宅负爪新风系统气流纠织的数值模拟o j 参数优化 2 0 0 4 年，p r i y a d a r s i n i i 叫i 等人在新加坡利用数值模拟与实验研究两种方法分析 了无管和有管( 风扇辅助) 系统的不同效果，结果显示，有管系统具有更好的空 气气流组织，并且模拟结果与实验结果具有较好的吻合度。 2 0 0 7 年，z f t i a n l 3 2 i 等人对室内气流和颗粒物分布采用大涡模拟进行数值模 拟研究。 国内不少专家在2 0 世纪8 0 年代初也开始了c f d 在民用建筑空调舒适性、置 换通风、洁净空调等模拟方面应用研究，已取得了一定的成果，主要表现在以下 方面0 3 洲i ： ( 1 ) 城市风与建筑物及室内空气品质的相互影响过程的c f d 模拟分析； ( 2 ) 锅炉燃烧规律的c f d 模拟分析； ( 3 ) 空气品质及建筑热环境的c f d 方法评价、预测； ( 4 ) 通风除尘领域，如工业通风系统、各种送排风罩的c f d 模拟分析，旋风除 尘器、重力沉降室内气粒分离过程的c f d 模拟分析； “ ( 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 模拟分析，各 种阀门的c f d 模拟分析等； ( 6 ) 射流技术的g f d 模拟分析，如空调送风的各种末端设备等； ( 7 ) 管网水力计算的数值方法。 ( 8 ) 传热传质设备的c f d 模拟分析，如各种换热器的c f d 模拟分析； ( 9 ) 冷库库房及制冷设备的c f d 模拟分析； o o ) 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等； 0 1 ) 建筑火灾烟气流流动及防排烟系统的c f d 模拟分析； 总之，随着计算机技术、数值计算技术以及湍流模拟技术的发展，近年来室 内空气流动情况的数值模拟也取得了长足的进步和发展，把c f d 技术应用于室内 空气流动的数值模拟已经不再是梦想，将来也会不断的得到发展和完善。 2 4 本章小结 本章主要阐述了室内空气品质问题以及气流组织的相关概念任务及其常用评 价指标，并分析了室内空气环境与气流组织的关系，同时睁l 顾了c f d 技术在国内 外的发展状况。 1 8 扬州人学硕十。学1 = 奇：沦文 第三章数值求解理论与方法 流体的运动有两种状态：层流和紊流。当特征雷诺数小于某一临界值时，流体 流动是平滑的，相邻流体层彼此有序地流动，这种流动状态称作层流，反之，当 特征雷诺数大于临界值时，流体流动会出现一系列复杂的变化，使得流动特征发 牛本质变化，流动呈无序的混乱状态，流动变得不稳定，速度等流动特性都随机 变化，这种状态成为紊流。而在多数工程问题中流体的流动往往处于紊流状态。 本章将针对本课题特点阐述三维紊流的数值求解理论与计算方法。 3 1 三维紊流控制方程 要实现对室内空气分布环境的数值模拟研究，首先要建立正确合适的数学模 型。一切流体流动都符合质量守恒定律、动量守恒定律和能鼍守恒定律。也即满 足连续性方程、动量方程和能量方程。 3 1 1 连续性方程 根据质量守恒定律1 2 0 3 s l ：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时 间间隔内流入该微元体的净质量，建立连续性方程如下： 望+ 刿+ 劐+ 刿：o ( 3 1 ) a t瓠却 a z 上式中后三项用散度表示可得下式： 害f d i v ( p u ) = 0 倒 ( 3 - 2 ) 对于三维稳态不可压缩流体，其密度p 为常数，不随时间变化，连续方程可 改写为： 3 1 2 动量方程 d i 乩o u ) = 0 ( 3 - 3 ) 动量守恒定律作为任何流动系统都必须满足的又一基本定律表明：微元体中 流体的动量对时间的变化率等于外界作用该微元体上的各种力之和。据此导出动 一一 徐春艳：住宅负压新风系统气流组织的数值模拟。参数优化 - - _ - _ - _ _ - _ - _ 。- 。_ 。- _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ - - _ _ - _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ _ - 。，_ _ _ _ _ _ _ _ - 一 量方程如下阻2 1 3 6 l ： j 9 _ 一 掣+ 坊v 妇u ) ：坊v 蛔口咖) 一宅+ s “ o t瓠 ” 掣胁( u ) 柏恼a 咖) 一考城 ( 3 - 4 ) 掣+ 旃v ( u ) ：坊v 即咖) 一挈+ s w 扰 。8 z ” 式中，s h 、s ，、s w 是动量守恒方程的广义源项，s 。= + s x ，s ，= + s y ， s w = e + s ：。其中c 、以、t 是微元体上的体力，若体力只有重力且z 轴竖直 向上，则乓= o ，e = 0 ，c = 一昭，对于粘性为常数的不可压缩流体如本课题 的室内空气，s 。= s v = s ：= 0 。 3 1 3 能量方程 能：量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律，根据能量守 恒定律建立能量方程如下1 2 0 i ： 掣+ d v ( p w ) ：西v f 竺耐7 11 + 曲 ( 3 5 ) 叫 l c p 式中，c p 是比热容，k 为流体的传热系数，s ，是流体的内热源及由于粘性作用流 体机械能转换为热能的部分，有时简称为粘性耗散项，s r 的表达式详见文献1 3 7 1 。 3 1 4 控制方程的通用形式 为了便于对各控制方程进行分析，并用同一程序对各方程进行求解，现建立 各控制方程的通用形式如下1 2 0 、3 6 i ： 掣砌( 删) = 旃v ( 啊删) + s ( 3 _ 6 ) 式中，矽是通用变量，r 是广义扩散系数，s 为广义源项。 3 2 三维紊流数值模拟常用方法 总体而言1 2 0 勰i ，目前紊流模拟方法可以分为直接数值模拟方法和非直接数值 扬州人中坝f ：。化论文 模拟方法。直接求解瞬时紊流控制方程的方法称为直接数值模拟方法。i r u 4 f 二i 气接 数值模拟方法就是不直接计算紊流的脉动特性，而是设法对紊流做某种科度的近 似简化处理。根据不同的近似和简化方法，非j 直接数值模拟方法又可分为大涡模 拟、统汁平均法和r e y n o l d s 平均法。 直接数值模拟方法就是直接川瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程对紊流进行计算。随 接数值模拟办法兀需对紊流流动做任何简化或近似，理论上叮以得到相对准确的 计算结果1 3 0 4 0 i ，仇由于：卣接数值模拟方法对计算机的内存空n i j 及计算速度要求l i - 常i 裔， - t 前还无法用于真正意义上的工程计算。 人涡模拟法是用瞬时的n s 方程直接模拟紊流中的大尺度涡，不直接模拟小 弋度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。虽然人涡模拟方法对计算机 内存及c p u 速度的要求有所减少，低于直接数值模拟方法，但仍然需要相当火的 容餐，故日f j 也尚未能应用于复杂流动的：- 【程计算。大涡模拟方法已是目前c f i ) 研究和应川的热点之一i 4 1 i 。 r e y n o l d s 平均法的核心是不直接求解瞬时的n s 方程，而是怨办法求解时均 化的r e y n o l d s 方程。即求解对时间做平均的非稳态的控制方程。这样，存所得f i j 的火于时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等未知毓，+ j ：足所得 的办秸! 的个数就小了二未知量的个数，1 仃且要使办程组封闭，就必须做 j 似设，i i i j 建市模型1 2 0 4 引。根据对r e y n o l d s 应力作出的假设或处理方式不同，目前常川的紊 流模型有两大类：r e y n o l d s 应力模酗和涡粘模型。前一种方法所需的工作揖较大， 尚未达到便于工程应用的阶段，本课题采川的是涡粘模犁。引入b o u s s i n e s q 假设 以后，涡粘模犁就是把紊流粘度，与紊流时均参数联系起来的关系式。依据确定 ，的微分方程数目的多少，涡粘模型包括：零方程模型、一方程模型和两方程模 罐。日前曲方程模型在工程中使用最为广泛，最基本的两方程模犁足标准k s 模 型，h | 】分别0 l 入关于湍动能k 和耗散率s 的方程，本文采， j 的就是标准七一占模掣。 对于不可压缩流体，足、g 定义式以及k 方程、占方程如下1 2 0 。叫： 露：去矿+ + ) ( 3 - 7 ) ， ， 占= 丝n f ，t 盟o x , v ) t , 盟帆 湍动粘度，叮表示成七和占的函数，即： 嘻j = 文i i k 2 ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) 徐夼艳：住宅负爪新风系统7e 流组钐：的数f i f 卡；3 ；拟j 参数优化 2 l p 誊+ ，考= 专n + 尝 考 + ，叙a u , i 。苏o u ，, + 等) _ c3 圳， 力袱： p 害+ t 毒= 毒+ 尝 毒 + 半，考( 罄+ 詈 ：p 譬c 川，) 鹌：这些方程巾引入了一些系数，这些参数的经验值如下： ( j l = 1 4 4 ，c 2 = 1 9 2 ，c ，= o 0 9 ，仃= 1 0 ，盯，= 1 3 3 3 离散化方法 离散化的任务是在网格化了的积分区域内把基木方程的微分形势转化为代数 形式，l = ! 口化微分方程组为代数方程组，以便利用计算机求解。同前数值计算常j j 的离散方法有：有限差分法、有限元法、有限容积法( 又称有限体积法) m 圳。 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，简称f d m ) 足数值解法l | | 最经典的方 法，它根据t a y l o r 展开得到，从数学上分析误差较为方便，但是物理意义卜h ) j , t l i ! 。 此方法多用于求解双曲线和抛物跫问题，用它求解边界条件复杂、尤其足椭跚j 钭 j j 题不如有限元法或有限体积法。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 的基础是极值原理和划分捅值， 它吸收了f d m 中离散处理的内核，又采用了变分计算中选择逼近函数并对区域进 行积分的合理方法。有限元法可对不规则形状的计算域进行离散，在局部是川连 续的函数表达所求物理量场，故特别适用于几何物理条件比较复杂的问题，而儿 便于程序的标准化，但因其求解速度较有限差分法和有限体积法慢，因此，稽! 商 用c f d 软件中应用并不普遍。 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，简称f v m ) 1 2 0 2 i l 是目前c f i ) 领域。泛 使朋的离散化方法，它将计算区域划分为网格，并使每个网格点周n 司有一个f i ：4 、= 莺复的摔制体积，将待解微分方程( 控制方程) 对每一个控制体积积分，从i 面禾1 ； 卧一组离散方程。有些离散方法如有限差分法，仪当网格极其细密时，离散办样 才满足积分守恒，而有限体积法即使在粗网格情况下，也显尔廿 准确的移 分守竹i ， 它具有物理意义明显、总能满足守恒定律的优点。在室内空气流动的数值计算i l ， 使用最多的是有限体积法1 2 2 i ，因而，在本文室内空气分布环境研究中，采川彳j 限 体积法来对控制方程进行离散。 扬州人。z 硕f j 。f 、7 ：论义 3 4 紊流数值计算方法 完成控制方程的离散化后，接下来就是决定采用什么解法来求解这螳代数方 程组。目前对离散后的控制方程组的求解方法有耦合式解法( c o u p l e dm e t h o d ) 干1 1 分 离式解法( s e g r e g a t e dm e t h o d ) ，整理后如图3 1 所尔1 2 l l l 。 f ，所仃变 l ；= 个场联、：求解 ， i榭合式解法 i “。甜：。项，而s i m p l e c 算法此4 i 同， 没有将乏! “。“纛项忽略，因此，得到的压力修正值p 一般比较合适，冈而，备； s i m p l e c 算法中可不再对p7 进行欠松弛处理。 p i s o 算法与前三种算法的不同之处在于，s i m p l e 算法、s l m p l e r 算法、 s i m p i 。e c 算法为一步预测，一步修正；p i s o 算法则是一步预测，二步修：。p i s o 算法的详细步骤i 叮参阅文献1 2 1 1 。在每一次迭代中，p i s o 算法涉及较多的计算， 相对复杂，然而，p i s o 算法通过了2 次压力修正，使其迭代过程更易收敛，计算 速度更快。 在压力与速度耦合关系的处理上，f l u e n t 软件