气流组织评价指标的修正_连之伟.pdf

第 32 卷第 8 期重 庆 大 学 学 报Vol 32 No 8 2009 年 8 月Journal of Chongqing UniversityAug 2009 文章编号 1000 582X 2009 08 0937 06 气流组织评价指标的修正 连之伟 1 戚大海 2 1 中原工学院 能源与环境学院 河南 郑州 450007 2 上海交通大学 机械与动力工程学院 上海 200240 收稿日期 2009 03 16 基金项目 国家自然科学基金资助项目 50478018 作者简介 连之伟 1963 男 教授 博士生导师 主要从事空调气流组织研究 E mail zwlian sjtu edu cn 摘 要 运用质量权重法对原有的各气流组织评价指标进行修正 以充分发挥数值模拟技术的 优势来评价气流组织的性能 建立了数值模型并通过实验验证了模型的准确性 用该数值模型模 拟嵌入式空调室内机 4 种不同工况下的室内气流组织 计算 比较了这 4 种工况下的原气流组织评 价指标值与修正后的指标值 发现修正前 后指标值差异显著 且这些差异导致了评价这 4 种气流 组织结果的不同 分析结果表明 用修正后的评价指标来评价气流组织更加准确 科学 关键词 气流组织 评价 指标 数值模拟 修正 中图分类号 T U831文献标志码 A Modification for evaluation indexes of air distribution LIANZhi wei 1 QI Da hai 2 1 School of Energy and Environment Engineering Zhongyuan University of Technology Zhengzhou 450007 P R China 2 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 P R China Abstract In order to evaluate the air distribution using CFD method scientifically former evaluation indexes of air distribution are modified by quality weighting method A numerical simulation model is developed for the calculation and verified by experiment Indoor air distribution in four operating modes of ceiling mounted indoor unit is simulated with the model Comparing the existing evaluation indexes and the modified ones it is found that significant differences in the indexes result in different evaluation results and the modified ones are more reasonable and appropriate Key words air distribution evaluation indexes numerical simulation modification 气流组织即空气分布状况 是指室内空气的速 度分布 温度分布和污染物浓度分布状况 1 良好 的气流组织要求设计者组织合理的空气流动 营造 空气品质优良 舒适 节能的环境 由于送 回风方 式的形式 送风量的大小都会影响气流组织 因而需 要有一套合理的气流组织预测方法以及评价指标对 气流组织进行预测和评价 现有的预测气流组织的 方法主要有 4 种 射流公式法 Zonal Model 法 计算 流体力学 CFD 法以及模型试验法 由于 CFD 方 法具有对房间几何形状复杂程度基本无限制 结果 详细 实用性强 可靠性好等优点 尤其是其结果完 备性的特点 使得研究人员只要获得准确的数值模 型 就能够对室内气流组织进行科学地预测和评价 因此其应用日益广泛 2 5 然而 传统的气流组织评 价指标均是基于实验测量的方法 选取有限个测量 点计算得出 6 8 由于测点有限 使得其准确度不高 同时也没有考虑 CFD 方法的特点 因此用数值模拟 方法计算和评价气流组织性能时 需要对原有的气 流组织评价指标进行修正 文中运用质量权重法对 各气流组织评价指标进行了修正 并通过模拟实例 说明修正后的评价指标更加准确 科学 1 原有气流组织评价指标存在的问题 原有的气流组织评价指标主要有 不均匀系数 包括温度不均匀系数和速度不均匀系数 室内平 均空气龄 通风效率 空气分布特性指标及能量利用 系数 这些指标均是基于实验测量方法得出的 由 于测量点的选取存在一定的局限性 用这些有限的 实验测量值计算得到的气流组织评价指标准确性不 高 因而用来比较 评价不同空调方式气流组织说服 力不够 再者 它们的计算均值量仅仅是对测量值作 简单的算术平均值 如表 1 所定义的那样 温度分 布不均匀系数 kt 能量利用系数 有效温差 ET 中的温度均值都是算术温度平均值 速度分布不均 匀系数 ku中的平均速度及通风效率 E 中的示踪气 体浓度均值也都是算术平均值 由于实验中的温度 测点及速度测点分布不一定均匀 因而用算术均值 计算所得到指标值不能真实反应气流组织情况 表 1 原有气流组织评价指标定义式 指标公式公式中的参数计算式 温度分布不均匀系数 9 kt kt t t t ti n t ti t 2 n 速度分布不均匀系数 9 kuku u u u ui n u ui u 2 n 室内平均空气 1 9 0 Cp d 0Cp d 通风效率 9 EE C P Co C Co C Ci n 能量利用系数 1 9 tp t0 tn t0 100 tp pi np tnt tni nn t0 t0i n0 有效温差 9 10 ET ET ti tn 8 ui 0 15 空气分布特性指标 ADPIADPI 1 5 ET 1 0 且 u i 0 35 m s 的测点数 测点总数 100 注 n为测点总数 np nn n0分别为排风口 工作区和送风口测点总数 t为工作区平均温度 tp tn t0 分别为排风口 工作区和送风口的平均温度 u 为工作区平均速度 Cp为排出空气中的示踪气体浓 度 C为室内示踪气体平均浓度 C0为进风示踪气体浓度 下标 i 表示第 i 个测点 2 气流组织评价指标的修正 目前通用的 CFD 商业计算软件大多基于有限 体积法 11 12 有限体积法的基本思想是 将计算区 域划分网格 并使每个网格点周围有一个互不重复 的控制体积 将待解微分方程对每一个控制体积积 分 从而得出一组离散方程 12 从积分区域的选取 方法来看 有限体积法属于加权余量法中的子域法 每个控制体积的物理量信息储存于网格节点上 由 于网格节点所代表的控制体大小在整个计算空间的 比例不同 网格节点上存储的信息 如温度 t 所能影 响整个空间的程度也不一样 所以要计算整个空间 的物理量 需考虑各个控制体在整个空间中的权重 权重系数可以用控制体的体积或是质量权重来表 示 根据这样的思想 可将原有的气流组织评价指 标按质量权重或体积权重计算 考虑到控制体的质 量权重与网格划分方法无关 因而用质量权重计算 更为合理 2 1 气流组织评价指标的修正方法 以温度分布不均匀系数为例 原定义式为 kt t t 1 式中 t为各点温度的算术平均值 938重 庆 大 学 学 报 第 32 卷 t ti n 2 t为均方根偏差 计算式为 t ti t 2 n 3 其中 ti为第 i 个点处的温度值 对原有温度不均匀系数按质量权重进行修正 则得到质量平均温度和质量均方根偏差 mt分别为 tm ti mi M 4 mt ti tm 2mi M 5 式中 mi为第 i 个控制体质量 M 为整个计算空间 的质量总和 这样 修正的温度分布不均匀系数为 kmt mt tm 6 类似地 可以得到其他各气流组织评价修正 指标 2 2 修正后的气流组织各评价指标汇总 为方便起见 表 2 列出了各评价指标按质量权 重修正后的计算公式 表 2 气流组织评价指标质量权重修正定义式 指标公式公式中的参数计算式 温度分布不均匀系数 km tkmt m t tm tm ti mi M m t ti tm 2 mi M 速度分布不均匀系数 kmu kmu mu um um ui mi M mu ui um 2 mi M 室内平均空气龄 m m imi mi 通风效率 EmEm CP Co Cm Co Cm C imi mi 能量利用系数 m m t mp tm0 tmn tm0 100 tmp tpimpi Mp tmn tnimni Mn tm0 t0im0i M0 空气分布特性指标 ADPIADPI 1 5 ET 1 0 的 u i 0 35 m s 的空气质量 空气总质量 100 注 mi为第 i 个控制体的质量 M 为整个计算空间的质量总和 即 M mi tm为工作区质量平均温度 tmp tmn tm0分别为排风口 工作 区和送风口的质量平均温度 um为工作区质量平均速度 Cm为室内示踪气体质量平均浓度 Co为进风示踪气体浓度 下标 i 表示第 i 个测点 3 计算实例 对空调房间室内气流组织进行模拟 比较了不同 计算方法下不均匀系数 空气分布特性指标 ADPI 及 能量利用系数 这几个气流组织评价指标的值 3 1 计算模型 如图 1 所示的气流组织实验室 实验室长 宽 高 10 m 6 m 3 m 有 3扇窗 2 扇门 实验室 正中的屋顶有嵌入式空调 由于模型结构规整 因 而采用六面体网格 送风口 回风口选用密网格 分 别是 0 01 m 0 02 m 0 02 m 0 02 m 其他区域 采用疏网格 0 1 m 0 1 m 0 1 m 3 2 边界条件的确定及计算方法的选择 空气流动为湍流流动 选择 Realizablek 湍 流模型来计算室内流场 流动与换热已处于稳定状 态 空 气 为 不 可 压 流 体 物 性 为 常 数 引 入 boussinesq假设 13 14 图 1 气流组织实验室 939 第 8 期 连之伟 等 气流组织评价指标的修正 边界条件 速度测点如图 2 所示 在每一风口均 匀布置 30 个速度测点 方向的确定如图 3 所示 当 空调工作时 测出 30 cm 长的轻细绳末端距天花板 距离 即可得知方向 分别对速度大小 角度进行 拟合作为速度边界条件 出风口温度边界条件采用 铜 镍热电偶测量 每个出风口均匀分布 2 个测点 壁面采用第三类边界条件 每面墙外布置 2 个温度 测点 温度测量采用美国 NI 公司多通道数据采集 仪实时记录温度值 速度测量采用美国 Degree C 公 司生产的 UAS1000 系列气流检测仪测量 其精度符 合 ASHRAE 55 1992 标准及 ISO 7726 标准 图 2 送风口速度测点布置 图 3 速度方向测量示意图 离散方法 压力 P 选用 PRESTO 方法 压力速 度耦合项选用 SIMPLEC 方法 15 动量 湍流动能 k 湍流耗散率 及能量项均选用二阶迎风格式 残差控制 能量项残差和连续性残差要求小于 10 6 其他各项残差小于 10 3 3 3 模型准确性检验 应用商业软件 FLUENT6 2 进行计算 为了检 验数值模型的准确性 对水平角度低风量工况做了 实验 在图 1所示的气流实验室中布置了 200 个温 度测点 高度方向坐标为 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 m 图 4 表示温度的实验值与模拟值的比较 若完全相 同则图中的点落在线 b 上 a 线 c 线分别表示实验 值与模拟值相差 1 从中可以看出模拟值相对 于实验值的最大误差在 1 以内 速度测点的详细 位置如表 3 所示 图 5 比较了速度大小的实验值和 模拟值 最大绝对误差 0 38 m s 最大相对误差为 95 02 由于在实验中 准确测量风速难度较大 因为同一测点处风速的波动较大 只能取其在一段 时间内的平均值 而且风速是矢量 风速仪放置的方 向不同 测量结果也不相同 虽然风速的实验测量 值与真实值存在一定的误差 但它能正确反映各测 点处风速的相对大小关系和变化趋势 16 综合温 度场 速度场的实验值与模拟值的比较 所建立的数 值模型是准确的 图 4 温度的实验值与模拟值的比较图 表 3 速度测点位置m 测点标号x 轴y 轴z 轴 12 250 75 22 251 5 32 262 25 4350 75 5351 5 6352 25 733 90 75 833 91 5 933 92 25 1036 10 75 1136 11 5 1236 12 25 图 5 速度实验值与模拟值的比较 940重 庆 大 学 学 报 第 32 卷 3 4 不同气流组织评价指标计算方法的比较 根据叶片的不同角度及风量大小 设定 4 个工 况 水平角度低风速 水平角度高风速 垂直角度低 风速和垂直角度高风速 以这 4 种工况为例 运用 不同的计算方法计算气流组织评价指标 比较原有 气流组织评价指标及其改进指标的数值 图 6 原气流组织评价指标及其修正指标值的比较 从图 6 可以看出 原评价指标 即算术平均 与 改进的评价指标 质量权重 所得值有明显的差别 特别是温度分布不均匀系数 原指标值与修正的指 标值之间最大相对误差达到 357 主要原因可以 从表 2 所示修正前 后的温度不均匀系数公式分析 由于空气密度取决于其温度 修正的指标考虑了由 节点所代表的控制体质量 即考虑了温度因素 使得 用算术平均与用质量权重所得均值温度值方差 t 变化较大 由 0 066 变为 0 20 从而导致修正前 后的温度不均匀系数值差异较大 原指标值与修正指标值的这些差别甚至影响到 不同工况下气流的评价结果 例如对于评价热舒适 性最重要的指标之一 ADPI 指标 按原指标算 出的值得出 垂直角度低风速的 ADPI 值低于垂直 角度高风速的 ADPI 值 而按改进的指标计算 却得 到相反的结论 夏季制冷情况下 由于温度分布不 均匀系数很小 如图 6 b 所示 根据 ADPI 指标的 计算公式 ADPI 值主要取决于速度场的分布情况 比较图 6 c 中速度分布不均匀系数可知 对于原指 标 垂直角度低风速的速度分布比垂直角度高风速 的速度分布更均匀 速度值也更小 即垂直角度低风 速的气流组织比垂直角度高风速的气流组织更好 因而它的 ADPI 值应该比垂直高风速的高 所以运 用改进的指标评价气流组织更具说服力 而且对于 ADPI 指标来说 改进以后的物理意义明显 即空调 房间工作区中 达到舒适性要求的质量空间所占的 比例 4 结 论 1 原有的气流组织评价指标中均值量的定义方 法简单 仅是对其进行算术平均 同时这些指标均是 基于实验方法计算得出 由于实验方法测点有限 同 时又没有考虑网格大小等数值模拟方法的特点 因 此 计算结果不够精确 2 基于 CFD 方法的特点 在计算气流组织评价 指标中的均值量时考虑网格体质量权重 将使气流 组织指标计算更加科学和准确 3 修正后的气流组织指标的物理意义更加明 显 计算结果将会更加准确和合理 参考文献 1 陆亚俊 马最良 邹平华 暖通空调 M 3 版 北京 中 国建筑工业出版社 2007 941 第 8 期 连之伟 等 气流组织评价指标的修正 2 TEODOSIU C RUSAOUEN G Numerical prediction ofindoorairhumidityanditseffectonindoor environment J Building and Environment 2003 38 5 655 664 3 KONG Q X YU B F Numerical study on temperature stratification in a room with under floor air distribution system J Energy and Buildings 2008 40 4 495 502 4 MENDE C SAN JOSE J F VILLAFRUELA J M Optimization of a hospital room by means of CFD for moreefficientventilation J Buildingand Environment 2008 40 5 849 854 5 LI X T YU Z ZHAO B Numerical analysis of outdoor thermal environment around buildings J Building and Environment 2005 40 6 853 866 6 GAN G Evaluation of room air distribution systems using computational fluid dynamics J Energy and Buildings 1995 32 2 83 93 7 陈晨 连之伟 铃木智博 等 嵌入式空调室内机气流组 织分析 J 东华大学学报 自然科学版 2008 34 2 230 233 CHEN CHEN LIAN ZHI WEI SUZUKI T et al Air distribution analysis of ceiling mounted cassette type indoor unit J Journal of Donghua University Natural Science Edition 2008 34 2 230 233 8 胡平放 蔡芬 气流组织形式对室内空气环境影响的数 值模拟 J 华中科技大学学报 城市科学版 2006 23 2 28 31 HU PING FANG CAI FEN Numerical simulation of several air distribution forms on indoor air environment J Journal of Huazhong University of Science and Technology Urban Science Edition 2006 23 2 28 31 9 朱颖心 建筑环境学 M 2 版 北京 中国建筑工业出 版社 2005 10 Ng K C KADIRGAM A K Ng E Y K Response surface models for CFD predictions of air diffusion performance index in a displacement ventilate