CFD在某游泳馆通风空调设计中的应用.doc

题目: CFD在某游泳馆通风空调 设计中的应用 姓名与学号: 指导教师: 年级与专业: 所在学院: 机械工程学院 CFD在某游泳馆通风空调设计中的应用计算流体力学（简称CFD）是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础上的一门新型独立学科，通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描绘流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。它兼有理论性和实践性的双重特点，建立了许多理论和方法，为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的计算技术。CFD软件的应用已成为解决各种流体流动与传热问题强有力工具，成功应用于水利、航运、环境、食品流体机械与流体工程等各种技术科学领域。在杭州某游泳馆通风空调设计中，为了考察围护结构内表面的结露情况，利用简化的模型进行了CFD数值模拟。本文介绍了这次数值模拟过程，并根据模拟结果分析比较了设计相对湿度不同的两个方案，模拟结果显示，设计相对湿度较小的方案比较经济。引言游泳馆的通风空调设计需要满足运动员和观众的热舒适性要求，尽量避免围护结构的内表面结露，同时又必须综合考虑初投资和运营成本。这就要求暖通工程师从热工性能角度出发选择维护结构的材料，确定合适的游泳馆室内设计参数，选择风口型式、风口分布和送风参数，并就数个暖通设计方案进行优化。暖通设计方案的优化首先需要对各个设计方案的效果，即室内环境参数分布进行预测评价。一般来说，目前能够较为准确预测评价暖通设计效果的手段有两个：模拟实验和CFD即计算流体动力学数值模拟。1、工程概况该游泳馆的围护结构以彩钢板和玻璃为主。游泳馆室内面积约为3000 m2，体积约为31000 m3。水池面积为1350 m2，包括一个标准游泳池和一个浅水池。冬季采用热风采暖与地板采暖相结合的空调方式。2、CFD数值模拟2.1 概述CFD数值模拟的基本原理就是对流体流动的控制方程进行数值解析，得出流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。CFD数值模拟通常包含以下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。模拟实验和CFD数值模拟相比较，前者所需的人力物力和时间要远高于后者、难于在工程设计中广泛采用，尤其对于游泳馆等高大空间建筑的模型试验更是如此。此外，CFD数值模拟还具有数据完整，结果直观，考察范围广，可按原型大小模拟，无实际实验误差等优点。尽管人们一般认为CFD数值模拟的可靠性不如模型试验高，对某些实际复杂问题存在可算性问题，但是随着计算机性能的提高，CFD商业软件的日趋成熟，这些问题已经逐步得到解决。例如，许多实例已经证实采用CFD求解高大空间垂直温度分布与实测得到的结果比较吻合1。另外，如果能把CFD模拟和局部模型实验结合起来，相互补充，那么还将进一步保证CFD数值模拟的可靠性同时也讲大大降低模型试验费用和周期。正因为CFD数值模拟具有上述优点，所以它在工程上得到了广泛应用。在暖通空调领域主要应用于通风空调空间气流组织设计，建筑外环境分析设计，建筑设备性能的研究改进等方面。CFD商业软件使设计者基本上不需要进行繁重的编程工作，因此大大缩短了模拟的周期，降低了模拟难度。尽管如此，人们在使用这些软件的过程中，通常仍要面临一个问题，那就是如何针对工程特点合理简化构建模型，在有限的时间内得到可靠的模拟结果。2.2 设计气象条件由于模拟的目的在于考察围护结构内表面的结露情况，所以将气象条件设定为寒冷的冬季晴朗夜晚。室外空气温度采用冬季空气调节室外计算温度：-4。室外计算相对湿度采用最冷月平均相对湿度：77%。室外风速采用冬季平均风速：2.3m/s。室外大气压采用冬季大气压：102090 Pa。2.3 建立几何模型及生成网络因为该游泳馆的几何条件和空调采暖方式具有南北对称性，因此在以上所设定的气象条件下，边界条件具有南北对称性。因此温度场、速度场、相对湿度分布南北对称，所以仅模拟该游泳池的南半部。几何模型如图1所示。几何尺寸与建筑实体基本相同。忽略了一些对整个流场影响不是太大，然而却大大增加模拟难度的细节部分，如屋顶支架。网络自动生成，计算域包括约73万个四面体单元和约13万个节点。2.4 建立物理模型通过对实际物理现象认真分析，抓住影响流场的主要因素，合理简化假设，建立了适于模拟软件计算的物理模型。对于在大多数时候，该游泳馆中观众很少，即使观众人数达到设计要求的最大值两百人，他们的散湿量与水池散湿量相比较，所占比例也很小，因此忽略观众的影响。对于水池的散湿量，按照文献2的水池散湿量计算公式进行计算。模拟中把水池当作散发水蒸气的唯一质量源，并认为水蒸气的散发在整个池面上是均匀的，以此作为散湿源的边界条件。由于围护结构的漏风情况非常复杂，对流场的影响却又很小，所以忽略围护结构漏风量。一般情况下照明的强度很小，所以忽略照明的散热影响。而且在人员活动区域即下部空间的温度不变的情况下，存在照明时上部空间的温度要比未考虑照明时高，若忽略照明时能够保证屋顶不结露，那么考虑照明时更不可能结露，即忽略照明是偏于安全的。地板辐射是地板采暖的主要传热方式之一。如果把地板辐射传热当作对流传热看待，那么在地板散发出的热量相同的情况下，空气温度梯度将增大，同时围护结构内表面的辐射得热也要减少，因此在人员活动区域的温度不变时，围护结构内表面的温度将降低。所以从提高工程安全系数的角度考虑，可以将地板辐射传热当作对流传热看待。此外，认为围护结构材料的传热系数已经能反映围护结构内表面间辐射传热对温度场的影响，因此为了简化物理模型，不再考虑室内辐射传热。仅考虑夜间辐射对围护结构顶部外表面的表面温度的影响，即冬季空气调节室外计算温度减少43。忽略凝结相变造成的影响。这是由于凝结相变的影响主要表现在降低室内空气的相对湿度，同时放出潜热，从工程角度出发，忽略凝结相变的这些影响是合适的。室内温度场、速度场、相对湿度分布处于稳定状态。2.5 数值求解过程计算方程包括连续性方程，k-湍流动量方程，能量方程和组分传递方程。压力速度耦合算法为SIMPLE算法。压力离散差分格式采用标准离散差分格式，其它变量采用一阶迎风格式。把送风温度恒定为40；含湿量和室外空气相同，恒定为2.2g/kg4。然后通过计算得出的散湿量确定送风量（同时要保证送风量满足换气次数和稀释有害气体的要求），按照送风风速约为1m/s的标准确定送风口个数。假定室内温度均匀，都为室内空气设计温度，根据室内热平衡，估算出地板发热量。把由此得到的送风量和地板发热量作为初始的边界条件。在求解过程中，根据人员活动区域（距离地面1.5米的水平面）的空气参数平均值是否达到室内空气设计参数，适当调整送风量和地板发热量。最终确定的边界条件与估计得出的边界条件有些差别，主要有两个原因：由于室内流场具有不均匀性，为了保证人员活动区域的空气达到室内空气设计参数值，实际所设的边界条件与假定均匀性估算出的边界条件存在差别；估算出的边界条件存在估算误差。然而这种差别并不大，这从一定程度上验证了求解结果的准确性。3、模拟结果和分析CFD商业软件一般具有强大的后期数据处理功能，利用这些功能可以得到重要剖面的关键参数和参数分布图，这些参数包括温度、相对湿度、水蒸气分压力和速度。以下是两个设计方案的部分模拟结果。这两个方案的送风方式都为下送上排，设计空气温度都为28，主要区别是室内空气的设计相对湿度不同，从而导致散湿量不同，送风量不同，地板发热量不同。为了陈述方便，不妨将室内空气设计相对湿度为50%的方案称作方案一，将相对湿度为60%的方案称作方案二。方案一高度为1.5米的水平面温度场、相对湿度分布和速度场分别见图2、图3、图4.通过这些图，可以很直观地看到。空调方案一的热环境总体上符合设计要求。空调方案二的模拟结果表明该方案的热环境也达到了设计要求。将某个壁面的温度与该壁面最大水蒸气分压力所对应露点温度相比较，前者比后者高的区域显然是不可能结露的区域；前者比后者低的区域则认为是可能结露的区域，考虑到壁面水蒸气分压力变化不大，所以进一步认为温度越低，结露可能性越大。图5是这两个方案顶部Low-e玻璃材料的可能结露区域对比图。图中空白区域是不可能结露区域；其他区域是可能结露区域，结露可能性如图所示。由图5可以得出以下结论：（1）空调方案一，顶部Low-e玻璃材料几乎不可能结露；（2）空调方案二，顶部Low-e玻璃材料大部分区域结露的可能性较大，因此需要采取措施提高该区域的内表面温度。方案一通风量比方案二大，因此运行成本高，但是方案二需要另外采取措施来降低结露的程度，若通过提高围护结构的保温性来达到这一目的的话，将会增加初投资。经过经济性比较后，选择了方案一。值得一提的是，在CFD数值模拟之前，对是否采用排风管并不确定，因为将排风管贯穿于整个游泳池上方会增加一定的施工难度，而且会破坏室内美观，但是如果不设排风管的话，室内气流组织可能又不理想。经过CFD数值模拟后发现取消排风管，只在侧墙上直接设排风口是完全可以满足要求的。4、结论围绕考察围护结构内表面结露情况这一模拟目的，从工程角度出发，选用三维稳定场模型，将池面当作具有均匀散湿强度的散湿源处理，对辐射传热进行了简化处理，忽略了观众、围护结构漏风、照明、凝结相变的影响。根据模型的对称性，仅模拟了游泳馆的南半部。模拟经过这样简化后，大大缩短了模拟周期。根据数值模拟结果，分析比较了设计相对湿度不同的两个方案的热环境和围护结构内表面的结露情况，结合经济性考虑，最终选择了设计空气温度为28，设计相对湿度为50%的方案。此次数值模拟结果还表明。取消排风管。只在侧墙上直接设排风口是完全可以满足要求的。随着国内经济的发展，出现了越来越多的建筑形式和空间结构，给暖通专业提出越来越多的挑战，而随着CFD软件的成熟及费用的降低，给设计带来了极大方便，使各种设想有了较为可靠的证实手段。CFD数据模拟在杭州某游泳馆通风空调设计中的应用，说明了CFD数据模拟是通风空调设计方案优化选择简便而有效的手段。相信在今后的工程实际中，CFD数值模拟会得到越来越多的运用。参考