第三类边界条件数值模拟室内热环境及其实验验证.doc

第三类边界条件数值模拟室内热环境及其实验验证贾玉凤邹志军黄晨罗行李俊红摘要：本文应用数值模拟软件，利用第三类边界条件对某实验房的室内热环境进行数值模拟，并通过实验进行验证。验证结果表明模拟值与实际测量值基本吻合。在数值模拟验证的基础上，论文通过设置不同围护结构热工特性、室外空气温度、以及送风参数的模拟，得到了相应室内热环境随围护结构热工特性、室外温度、送风参数变化的特性与规律，进一步扩大了实验范围，充实了实验手段。关键词：数值模拟实验验证变参数模拟0.引言随着计算机的大容量化和高速度化以及计算流体力学的发展，在室内热环境方面，特别是大空间建筑室内热环境设计中已逐渐普及采用CFD来解决室内气流组织、热环境等问题的研究1，从而使室内热环境特性研究及其全面评价成为可能。本文应用软件Airpak，利用第三类边界条件对某实验室室内热环境进行数值模拟，并通过实验予以验证，进而利用数值模拟对室内热环境特性进行分析。1.环境实验室简介如图1所示，环境实验室内尺寸为4.9m3.5m2.5m，墙体均采用保温材料。气流组织采用顶送下回，送风口尺寸为16cm69cm，距东墙中侧设有一30cm30cm的回风口。室内东西墙附近各有一个散热器，图1中Z向为北向。2.数值模拟计算与结果2.1物理模型及数学模拟概况模拟用物理模型如图1所示，其墙体传热系数为0.383W/(Km2)，墙外侧温度28。送风速度为2.35m/s，送风温度17.8，靠近东、西墙处的散热器散热量分别为840W、2410W，且室内日光灯关闭。数值模拟用数学模型为K-紊流模型，利用第三类边界条件对房间进行热环境模拟。对送、回风口及回风管处、散热器等采用了网格加密的处理，总网格数18655个。2.2数值模拟结果2.2.1温度场分布如图2（a）、（b）所示，沿着风口自上而下，温度逐渐变化。近风口处等温线密集，温度分布存在明显的扩散现象。在图2（a）中，由于右侧存在一个散热器，导致了两边温度分布并不对称。在图2（b）中，水平方向温度梯度明显变小，存在衰减现象，回风口处等温线相对稀疏，房间居住域温度变化相对缓慢。图2（c）为南墙表面的温度分布，从图中可以看出，墙面自下而上温度逐渐升高，离风口较远处的温度相对较高，等温线较密集。图中所标数字单位均为。2.2.2速度场的分布图3为室内速度场模拟结果。模拟结果表明，射流断面速度从射流中心开始逐渐向边界衰减并沿射程有所变化，导致流量沿程增加，射流直径略有增大。回风口的气流近似于流体力学中所述的汇流。离开汇点距离越大，流速衰减越大，呈二次方衰减2。从图中可以看出，风口下方速度较大，自上而下存在衰减现象。其余区域速度较小。图3（a）中，气流在左右两侧各形成一个较小的涡流。图3（b）中，除送风口与回风口处速度较大，整个房间的速度较小，且分布比较均匀。3.实验验证3.1实验布点与测量方法实验中共布置九个速度测点，在宽度方向上取中间截面布置七个点，两个散热器附近各布置一个测点。空气速度采用万向风速仪，其输出信号通过Fluke采集器进行集中采集。布点位置如图4（a）所示。采用垂直方向上均匀布点的原则，实验中布置二十个温度测点，采用带防辐射屏蔽罩的T型热电偶进行测试，数据采集通过Anjelun采集器集中采集，每分钟采集一次，布点位置如图4（b）所示。3.2实验结果与模拟值的对比分析表1、表2分别为图4（a）、图4（b）各测点实验值。定义系列测定误差为：其中xs实测值；xm模拟值；n测点总数。计算时剔除最大偏差值。经计算，速度系列误差v=0.15m/s，温度系列误差t=1.66。速度误差相对较大，这是由于在速度均匀区域测点较少，某些点实测值与模拟值相差较大造成的。温度误差相对较小。对比表中的各个数值，说明模拟热环境与实际热环境基本一致，数值模拟结果可靠。表1速度模拟值与实测值比较测点序号123456789实测值(m/s)2.131.731.690.110.170.090.70.181.16模拟值(m/s)2.041.711.350.140.110.160.520.120.08表2温度的模拟值与实测值测点序号12345678910实测值（）25.225.9925.2618.4920.220.8220.5724.3823.9423.75模拟值（）22.9622.7622.4618.6919.5520.1120.1623.8623.4823.2测点序号11121314151617181920实测值（）23.7522.8924.322531.4225.1524.1223.0322.9623.35模拟值（）22.8222.1424.6923.5522.6722.4522.3723.7423.226.914.室内环境特性模拟对围护结构传热系数、室外空气温度、以及送风温度、速度等参数进行了变参数模拟。选取在房间中间位置点10和靠近出风口处点5作为观察对象。（参看图4（b）4.1变送风参数模拟结果分别设置送风温度14、16、17.8、20、22，由图5（a）可知，随着送风温度的增加，点10，5的温度都在增加，室内温度也随之升高，点5温度增加的趋势要高于点10。分别设置送风速度1.8、2.1、2.35、2.7、3.0m/s，由图5（b）可知，随着送风速度的增加，点5的速度增加趋势略为明显，这是与点5位于风口附近，受送风速度影响较大有关。点10的风速变化并不明显，速度较均匀。4.2变热工参数的模拟结果分别设置墙体的传热系数为0.383、2.5、4.5、6.5、8.5W/(Km2)，其他参数不变，由图6可知，随着传热系数的增加，室内温度略有升高。这是因为随着传热系数的增加，材料的保温性能降低，比较容易受到室外参数的影响，点5影响较小。5.3变室外温度的模拟结果分别设置送风温度20、24、28、32和36，由图7可知，随着室外温度的升高，点10，5的温度略有增加，室内热环境受室外温度影响较小。6.结论采用Airpak软件对某实验室热环境数值模拟，经实验验证结果表明基本吻合，模拟结果可靠。利用经验证后的数值模拟体系进行一些列变参数模拟结果表明，随传热系数增加，室温提高，当传热系数增加到2.5W/(Km2)以上后，室温影响减弱，这是由于室内热源较大，墙体热工参数影响相对减弱所致。此外室内温度受送风参数影响较大。通过论文研究表