空调房间置换通风数值模拟的探讨.pdf

第 2 4卷第 3 期 2 0 0 8年 9月 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 J o u r n a l o f Be ij i n g Un iv e r s i t y o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e VO 24 NO 3 Se p 2 008 文章编号 1 0 0 4 6 0 1 1 2 0 0 8 0 3 0 0 0 9 0 5 空调房间置换通风数值模拟的探讨 彭 军 许淑 惠 北京 建筑工程学院 环境与能源工程学院 北京1 0 0 0 4 4 摘要 选取空调房间内置换通风的一个典型实例 讨论 C F D数值模拟计算的过程 和方法 分析 该 问题 的基本物 理特 征 对 问题 进行 简化 通过 对 典型 实验 的计 算 并与 实验 值对比 选取 合理 的计 算 模 型和 制定有效 的 计算过 程 采 用此过 程进 行 数 值 模拟 需 校 核 收敛 标 准 和总 量平 衡 采 用 以上 计 算过 程 和方法 对 空调房 间置换 通 风典 型 实例 的计算 后 和实验 结果 吻合 得很 好 关键 词 置换 通 风 数 值模 拟 湍流模 型 混 合对 流 中图分类号 T U8 3 1 6 文献标志码 A CFD An a l y s i s o f Di s pl a c e m e n t Ve nt i l a t i o n i n Ai r Co n d i t i o ni n g Ro o m P e n g J u n Xu S h u h u i S c h o o l o f E n v i r o n me n t a n d E n e r g y E n g i n e e r i n g B UC E A B e ij in g 1 0 0 0 4 4 Ab s t r a c t Th e p r o c e s s a n d me t h o d o f CF D C o mp u t a t i o n a l F l u i d Dy n a mi c s c a l c u l a t i o n o f t h e t y p i c a l d i s pl a c e me n t v e n t i l a t i o n i n a n a i r c o nd i t i o ni n g r o o m a r e di s c us s e d i n t he p a p e r The mo d e l wa s s i mpl i f i e d a c c o r d i n g t O t he b a s i c p hy s i c a l f e a t u r e o f t h e a i r f l o w The ma t he ma t i c a l mo d e l a nd c a l c u l a t i o n me t ho d we r e d e t e r mi n e d b y c o mp a r i n g t he s i m u l a t i o n r e s ul t s o f a t y p i c a l p r o c e s s a nd e x p e r i me n t r e s u l t s Af t e r t h e c a l c u l a t i o n wa s c a r r i e d o u t t h e c o v e r a g e s t a nd a r d s ma s s a nd e n e r gy e q u i l i b r i u m o f t he r e s ul t s we r e ve r i f i e d By t h i s me t h o d t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s o f t h e t yp i c a l d i s pl a c e me n t v e n t i l a t i on i n a n a i r c o n di t i o ni n g r o o m f i t s e xp e r i me n t a l r e s u l t s we l 1 Ke y wor d s n u m e r i c a l s i mu l a t i o n d i s p l a c e m e nt v e nt i l a t i o n t u r b ul e n t mo de 1 hy br i d c o n v e c t i o n 1 9 7 4年 丹麦的 P V N i e l s e n 1 J 首 次将 C F D C o mp u t a t i o n a l F l u i d Dy n a mi c s 技术应用于室内通 风空调领域 模拟室内空气流动情况 从此 C F D技 术被广泛应用于预测空调房 间内空气环境 然而 目 前多数情 况下 运 用 C F D技术 时仍面 临着诸 多问 题 如对复杂问题的几何外形及物理现象的简化 湍 流模 式理论 的使 用 计 算结 果对 C F D工 具使 用 者 的 经验和知识的依赖等 于是如何正确和有效地 运用 C F D技术预测空调 房间 内的空气环境成为一个值 得探讨 的话 题 关于正确和有效地运用 C F D技术 在计算流体 力学 空气动力学等领域有较多的研究 大多是针对 C F D计算方 法层面的研 究 目的是 减少 C F D模拟 分析中的不确定性 增加 C F D结果的可信度 2 J 在 建筑 环 境领 域 赵 福 云等 3 J 分 析 了 C F D 的 验证 Ve r i f i c a t i o n 与考 核 Va l i d a t i o n 遇到 的困难 认 为 要建立相应的验证和考核的指标体系实现可靠的通 风气流组织规 范实验还有很长一段路要走 B a k e r 和 Ke l s o J 设置了具体 问题 以验证和考核 C F D计算 结果 C h e n和 S r e b r i c 5 J 论述 了验证 考 核 和报告 C F D分 析结 果 的 一 般 过 程 为正 确 使 用 C F D 工 具 提供了指导 本文选取了空调房间内空气流动的一 个典型问题 采用数值模拟和实验验证相结合的研 究方法 对如何正确和有效地运用 C F D技术预测空 调房间内的空气环境进行了探讨 1 问题描 述 本文 引 用 美 国 供 热 制 冷 空 调 工 程 师 协 会 收稿 日期 2 0 0 8 0 9 0 3 基金项 目 北京市重点实验室开放课题 KF 2 0 0 7 0 5 作者简介 彭军 1 9 7 4 一 男 硕士研 究生 研究方向 通风空调制冷技术与设 备 维普资讯 1 0 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 AS H R A E 用于验证数值计算结果报告中的一个典 型问题 6 J 该 问题来 自 S r e b r i c 所做的办公室置换 通风实验 如图 1所示 这是一个对实际办公室经 过简化后的实验模型 表 1中给出该办公室及办公 室内的送风 口 回风 口 灯 计算机 人员 桌子和壁 橱的几何尺寸等相关 数据 本文采用 C F D技术预 测室内空气的速度 温度 相对湿度以及二氧化碳浓 度的分布情况 并把这些数据和实测的数据作对 比 分析 模拟计算 的工况为置换通风 送风 口和 回风 口的参数以及热源情况在列在表 1中 图 1 办公室置换通风 测试 窒 表 1 实验模型的几何尺寸和边界条件 类别 尺寸 位置 热量 Q w 风量 k g s 温度 丁 房间 窗 送 风 口 回风 口 办公人员 1 办公人员 2 计算机 1 计算机 2 桌子 1 桌子 2 灯 1 灯 2 灯 3 灯 4 壁橱 1 壁橱 2 2 数值模拟 2 1 分析问题基本物理特征 在进行 C F D模拟之前 首先要合理简化 问题 实际问题 总是很 复杂的 如 不进行 简化 就很难计 算 如简化不合理 则计算 的结果不能说明原 问题 合理 简化 问题 的过程 就是 正确把 握所要 分析 问题物 理意义的过程 从主要关注 的物理量出发 首先把 握问题的基本物理特征是非常重要的 本例 中的空调房间是通过送入与室内空气温度 不同的冷风来调节室 内空气温度的 因此室 内空气 流动往往是 自然对流和强迫对流并存的混合对流 室内空气的粘性 不可忽略 室 内空气流动通常都是 湍流流动 混合对流换热是该问题的基本物理特征 2 2 确定 C F D模拟计算过程 当描述问题的数学方程没有解析解时 我们选 取可靠的实验测定为参照标准 以此确定基本的计 算过程 选取实验的要点 选取的实验是 已有的 应 能体现该问题的基本物理特征 测定的数据应是足 够且有较高精度的 人为误差尽可能少 符合上述 条件的实验通常多是针对二维 的情况 但并不失该 问题的基本物理特征 把 问题降维通常有利于认识 问题 的 主要方 面 确定 C F D模拟计算 的基 本过程 网格划分方 式 边界条件的提法 选取离散格式 选用的湍流模 型 速度场的求解方法 确定基本计算过程 的步骤 如下 1 针对选取 的 已有实验 拟 定 C F D模拟计算 的基本过程并进行计算 一 一 一 一 一 一 一 一 0 0 一 一 m 一 一 O O 加 2 O 如 O O O O 1 1 O 2 O 3 O 2 0 O 2 2 0 O 0 0 0 他0 0 0 0 0 2 O 0 0 O 0 O 2 2 2 2 O 0 5 O 0 如鼹 0 O 5 O 2 1 3 1 3 0 3 1 3 2 3 O 4 2 2 3 3 O O 0 0 0 O 0 0 1 l 1 l O 0 n 0 叽叭 2 2 l 1 0 l l 0 O 0 0 0 O O 0 1 1 勰 4 4 4 4 钉 钉2 2 2 2 5 0 0 O D O 0 0 l 1 0 0 0 O O 0 维普资讯 第 3期 彭军等 空调 房间置换通风数值模拟 的探讨 2 把 C F D模拟结果与可靠的实验数据作对比 分析 如果 二者 吻合 较 好 则 该 问题 的 C F D 模拟 计 算的基本过程确定 否则转到第 1 步 拟定新的基 本计算过程 如果拟定的基本计算过程最终得不到 和实验数据吻合较好的结果 则说明现用的 C F D计 算工具不适合该问题的模拟计算 本文采 用 B l a y e t a 1 E 7 J 的二 维正 方形 小 室 内 空 气混合对流实验 实验模型的尺寸和边界条件如 图 2所示 图 2 二维正方形小室内空气的混合对流实验 拟定 C F D模拟计算的基本过程的要点 建立直 角坐标系和采用结构化网格 入 口边界条件给定 充 分发展条件和出 口边界条件按照局部单 向化处理 用有限容积法离散方程 对流项差分格式采用上风 格式 选用湍流模型 采用 S I MP L E算法解决 压力 速度耦合问题 根据问题的基本物理特征选择合理的湍流模型 是确定 C F D模拟计算 的基本过 程的重要环节 本 文采用带浮升力效应 的 足 一 e湍流模 型I 8 和 MI T零 方程湍流模型对该问题进行模拟计算 a 带 i Y l 力效应的 湍流模刑 l 圊 在得到 C F D模拟计算结果之后 需要核实 已获得的数值解是否合 乎收敛标准 计算结果是 否满足总量平衡 即入 口出口质量平衡 计算域的能 量平衡等 当上述两项 同时满足 模拟计算 的结果 才可做进一步分析使用 为此 本 文提取计算结果 中的相应数据 用集总参数方法检验 分析 C F D模拟结果时 首先做定性分析 也就 是说模拟结果应和实测结果具有相同的定性趋势 如果 C F D工具预测得到的流场和 实测得到 的流场 没有相同的定性趋势 那么使用者确定的 C F D模拟 计算基本过程不能揭示 问题的基本物理特征 做进 一 步的分析无意义 从图 3和图 4的 比较来看 带 浮升力效应的 k e模型不能将反映小室左上方的局 部回流涡旋 从图 5来看 采用带浮升力效应的 k e 湍流模型模拟的温度等值线图和问题的基本物理特 征不符 相比而言 MI T零方程湍流模型能更为准 确地模拟出混合对流的流型和温度分布特征 关于 定量的分析 也就是把模拟分析的结果和实测数据 对 比 文献 9 有详细说明 1 O 兰 ql m 一 一 l IJ 一 一 I l 占 毒 皇 i i i 图 3 二维正方形 小室内空气混合对流实测的流型 b MI T零方程模型 图 4 二维 正方 形小室内空气混合对流模拟的速度矢量图 维普资讯 1 2 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 2 0 0 8正 1 O 1 0 1 0 a 带浮升力效应的k e 湍流模型 b MI T零方程模型 图 5 二维正方形小室内空气混合对流模拟的温度等值线图 本 文着 眼点是揭示 混合对 流换热 的特征 在 C F D模拟计算的基本过程 中选 用 MI T零方程湍流 模型 若还要关注 问题中的辐射换热 就必须选取相 应的可靠实验来确定揭示辐射换热特征的基本计算 过程 具体做法和 以上湍流模型的选择过程类似 2 3 全面 C F D模拟分析 完成全面的 C F D模拟分析 其过程为按照表 1 给出的实验模型信息 在 C F D工具中建立实际问题 的计算模型 如图 6所示 送风 口中心线与 Y Z坐标 平面上墙体的 中心线重合 距地 面 0 0 3 I T I 回风 口 为 0 4 3 m 0 4 3 m 的 方形 风 口 位 于顶 板 中心 表 1中给出的实际问题边界条件是通过实测得到的 本文用实测的边界条件做 C F D模拟计算 1 壁橱 2 桌子 3 计算机 4 人 5 灯 6 送风 H 7 回 风 口 图 6 某办公室置换通风的 C F D模型 得到 C F D模拟计算结果之后 第一步核实已获 得的数值解是否合乎收敛标准和计 结果是否满足 入口出口质量平衡 计 域的能量平衡 第二步对 模拟计算 结果进行分析 进行定性分析 把模拟 汁 算结果和相应 的实测数据 l o 作对 比 判断 C F D模 拟分析的结果是否和实测的结果具有相同的定性趋 势 即把送风口的对称面上模拟计算的流型图和实 测的流型图做 比较 发现二者具有相同的定性的趋 势 具体细节见文献 6 进行定量的分析 在房 间 过送 回风 口的对称面上取得实测值 沿长度方向设 置了 5个不同位置 在每一个位置处测得高度方 向 上分布的速度和温度值 对应图 6中的坐标系 也就 是 Z 1 8 2 5 n a 处 X 0 8 1T l 1 7 8 I T I 2 5 1 m 3 3 8 m 4 3 6 m处沿 y轴的速度 温度分布如图 7所示 定量的模拟结果和实测值 位置 3处 对比如图 8所 示 图中均采用无量纲高度 各点高度与房 间高度的 比值 y H 无量纲速度 各点速度与风 口出口速度 的比值 U U 和 无量 纲温度 各 点温度与送风温 度差值和送 回风温差的 比值 0 T T i T 一 Ti 进行 比较 由图 8可见 模拟所得速度和温 度分布与实测值 吻合较好 只是在局部位置速 度计 算值和实测值相差较大 对于置换通风形成的小流 速而言 0 2 5 m s以下 这样的误差是完全可以接 图 7 实验测 点布置示意 图 维普资讯 第 3期 彭军等 空调房间置换通风数值模拟 的探讨 1 3 受 的 此 外 置换 通 风 的 室 内温 度 分 层 特 性 被 很 好 地模拟出来 模拟计算所得各点温度和 实测值相差 均小于 1 相对误差在 1 0 以下 温度计算值和 实测值吻合得较好 其余 位置 点的 C F D模拟 分析 数据和实测数据的比较可以按同样的方法进行 图 8 C F D模拟分析结果与实测结果对 比 位置 3处 综上所述 正确运用 C F D模拟分析工具可以提 供空调房间室内空气的速度 温度等参数的合理分 布信息 在进行全面的 C F D模拟分析时 与前述的二维 的可靠实验数据不同 实际问题的模型实验 中实测 数据的误差有 时会较大 另一方面 全面 的 C F D模 拟分析过程中必然存在众多假设 因此在对 实际 问 题的 C F D模拟分析过程 中 C F D软件的功能 C F D 软件使用者的知识和经验 以及 C F D软件使用者对 实测数据精度 和可靠度 的判断都很重要 另外 如 果没有整个实际模型 的实验数据 也可以选取实际 模型中的一部分作实测 把 C F D模拟分析结果和局 部模型的实测数据作对 比 以考核 C F D模拟分析结 果的可信度 没有任何实测数据 难 以确定 C F D模 拟分析结果的可信度 以上较详细地叙述 了如何正确使用 C F D工具 获得空调房间内空气的温度 速度分布信息 3 结语 本文 通过 空调房 间 空气混 合对 流 的一个 典型 例 子 探讨了正确和有效地运用 C F D工具的方法 现 给 出要 点如下 1 合理简化问题 突出问题的基本物理特征是 进行 C F D模拟分析的首要一步 2 选取 已有的实验 通过和可靠的实验数据对 比 确定 C F D模拟分析基本的计算过程 3 每得 到 C F D模拟计算结果后 必须首先核 实求解结果合乎收敛标准且满足总的平衡 如质量 平衡 能量平衡等 4 实际问题的实测数据必不可少 把 C F D模 拟 分析 的结 果 和实测 数据 先后 作 定性和 定 量的对 比 分 析得 出比较 客观 的结论 参考文献 1 Ni e l s e n P V F l o w i n a i r c o n d i t i o n e d r o o ms E n g l i s h T r a n s l a t i o n D C o p e n h a g e n Te c h n i c a l Un i v e r s i t y o f De nma r k 1 97 6 2 杨永 基于 网格计 算的 C F D模拟可 信度分 析 A 计 算 流体力学研究进展 第十二届全 国计算流体 力学 会议论 文集 C 2 0 0 4 3 赵福 云 汤广发 刘 娣 等 C F D数值模 拟的 系统误 差 反馈及 其实现 J 暖通空调 2 0 0 4 3 4 6 1 8 4 B a k e r A J R M Ke l s o On v a l i d a t i o n o f c o mp u t a t i o n a l f l ui d d yn a mi c s pr o c e du r e s f o r r oo m a i r mo t i on pr e d i c t i o n J A S HR A E T r a n s a c t i o n s 1 9 9 0 9 6 1 7 6 0 7 7 4 5 C h e n Q S r e b r i c J A p r o c e d u r e f o r v e r i f i c a t i o n v a l i d a t i o n a nd r e p or t i ng o f i n doo r e nv i r on me n t CFD a n a l y s e s J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f H V AC R R e s e a r c h 2 0 0 2 8 2 2 0 1 2 1 6 6 C h e n Q S r e b r i e J H o w t o v e r i f y v a l i d a t e a n d r e p o r t i nd o o r e nv i r o nme nt mo de l i ng CFD a na l y s e s