影剧院通风系统数值模拟研究.doc

. . . . . 本科毕业论文（设计）论文题目：影剧院通风系统数值模拟研究姓名：唐秋煜学号：113004010127班级：1班年级：2011级专业：机械设计制造及其自动化学院：机械工程学院指导教师：李辉 讲 师 完成时间：2015年 5 月14日 学习好帮手作者声明本毕业论文（设计）是在导师的指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全由本人承担。毕业论文（设计）成果归武昌工学院所有。特此声明作者专业：机械设计制造及其自动化作者学号：113004010127作者签名： 年 月 日影剧院通风系统数值模拟研究唐秋煜The Study on Numerical Simulation of ventilation system in theaterTang,Qiuyu2015年5 月14日 学习好帮手摘 要随着人们对精神文化生活享受的不断追求，影剧院这种为人们提供休闲和艺术享受的场所越来越受到大家的欢迎。因此，投资商不但加大了对影剧院装修效果的投入，而且越来越重视人文主义在其中的地位和作用，着力打造更加舒适、安全的观影环境和氛围，因此，通风系统气流组织设计也越来越受到重视。近些年来，随着计算机大容量化和高速度化以及计算流体力学（CFD）的发展，应用CFD 技术模拟预测高大空间建筑通风系统的气流组织、热舒适性以及优化设计方案成为可能。本文旨在对影剧院通风系统进行数值模拟研究，首先介绍了影剧院通风系统的特点及评判通风系统设计优劣的技术指标，然后对影剧院的通风系统进行了建模，将CFD技术应用到了对影剧院通风系统的气流组织分析中，通过对温度场、速度场以及静压场分布图的分析，最终模拟得到比较合理的气流组织方案，符合行业标准及规定。通过实例的论证和分析，从而显示了CFD技术在影剧院通风系统气流组织优化设计中的强大功效，也证明了结合CFD技术的影剧院通风系统气流组织优化设计思路的正确性以及评判标准的合理性。 关键词：CFD；影剧院；通风系统 学习好帮手Abstract With the peoples spiritual and cultural life of constant pursuit of enjoyment，theaters which provide people with a place of leisure and enjoyment of the arts are more and more welcomed by everyone. Therefore, investors will not only increase investment on effect of theaters decoration ,but also pay more attention on status and effect of humanism, make efforts to create a more comfortable and safe viewing environment.Therefore, more and more attention are pay on ventilation system airflow design. In recent years, along with large-capacity and high-speed computer technology and computational fluid dynamics (CFD) development, by using CFD simulation technology to predict large space building ventilation system airflow, thermal comfort and optimal design becomes possible.This essay aims to do research on simulation of theaters ventilation system. Firstly, introduce the features of theaters ventilation systems and evaluate the quality of ventilation system design specifications, then create model for theaters ventilation system. CFD technology will be applied to the analysis of the theater Airflow ventilation system, analyse the distribution of temperature field, velocity field and static pressure field, get reasonable air distribution scheme by simulation. Compliance with industry standards and regulations. By doing verification and analysis on practical examples, the correctness and reasonableness criteria of CFD technology which combined with theaters ventilation system airflow optimized design ideas is proved as correct.Key words:cfd; theaters; ventilation system 学习好帮手目 录引 论11 影剧院建筑通风系统设计特点以及气流组织方式11.1影剧院观影厅特征11.2观影厅的气流组织方式11.3研究内容22 影剧院的三维建模32.1影剧院的总装配图32.2通风管道33 CFD的设计环节以及基本理论53.1CFD设计环节53.2CFD的基本理论64 模型建立及分析94.1模型的建立94.2模型的分析11结 语17主要参考文献18 学习好帮手引 论CFD技术以其速度快、成本低、资料完整且可模拟各种不同的工作情况等独特的优点，越来越受到工程师的青睐。本文主要是研究CFD技术在影剧院通风系统气流组织设计中的应用。针对影剧院通风系统设计的特点和CFD技术的特点，提出了传统技术与CFD技术相结合来对影剧院通风系统气流组织设计的思路。在这个思路中，针对如何将传统设计与 CFD技术结合在一起，提高设计的精确度以及效率，进行了探索。根据相关的国内外技术文献资料以及国家有关规范，选取了一个影剧院通风系统气流组织设计的标准体系，通过这个标准体系再结合CFD模拟得出结果。1 影剧院建筑通风系统设计特点以及气流组织方式1.1影剧院观影厅特征影剧院建筑的重要组成部分为观众区，具有顶棚高、面积大、人员集中等特点。观众区一般在排列方式上围绕着银幕呈扇形分布，是为了保证观众能够得到最好的听觉和视觉体验。同时对观众区的气流组织效果也提出了比较高的要求：（1）送风气流分布均匀，在观众区能形成符合要求的均匀的温度场和速度场。（2）送冷风时，应无吹冷风感，且气流不易直接吹向观众。（3）送热风时，在观众区上部热空气不要停滞而形成分层现象，使得气流不能送到下部，造成观众区上温差过大。（4）回风口的位置可以改善气流分布，如果将回风口设置在送风气流无法达到的位置，便有利于消除送风“死角”。（5）送风管道应布置简单，降低送风口数量，以减少通风系统的造价成本，是在不破坏气流组织效果的前提条件下。（6）保证室内空气质量，尽量避免污染物对观众的影响，为观众营造健康的室内空气环境。1.2观影厅的气流组织方式常用的气流组织方式有：1.顶棚上送风下回风；2.上部喷口送风下回风；3.下送风上回风；4.侧送风下回风。本文的物理模型采用第四种侧送风下回风的方式。如图1.1所示，侧送风下回风方式的特点：侧送风下回风是在墙的两侧均设有送风口，新风由送风口送出，经由设置在两侧墙下的回风口排出。这样在送风的射流作用下，使工作区处于回流区，温度场和速度场分布均匀。一般将侧送风口的高度设置在距地面的位置，即形成了高大空间分层的空调气流组织形式。以送风口中心高度为分界面，将观众区在高度上分成非空调区和空调区两部分。向空调区送风，在空调区的下部回风或非空调区上部向室外排风。这样非空调区的大量热量（上部侧墙、屋顶、照明热量）被排风带走，空调送风只用来承担空调区负荷。空调负荷仅观众区全部冷负荷的一部分，取得了节能的效果。图1.1 侧送风下回风为使中间送风口可以调节气流出口的倾角，中间送风口应采用百页送风口，用以满足射流轴心轨迹向下弯曲的要求，使双侧对送射流的轴心轨迹搭接在工作区以上，让速度场与温度场达到所需的效果，让工作区处于回流区中。特别是在冬季送热风时为了能使之更好的送至工作区，应该加大气流出口向下的倾角，防止送来的热气流上浮，导致上下温差过大。特别是在旧的影剧院改造通风系统时，常采用这种方案，因为其中间送风口数目较少，风管的布置也比较简单，不须对建筑结构作较大的变动，只要在墙外面加水平风管，而以送风支管穿过墙体，在管端装新风送风口，工程量不大，易与施工，造价成本低。1.3研究内容根据国家有关规范以及相关的国内外技术文献资料，选取了一个评价影剧院气流组织设计优劣的标准体系，通过这个标准体系再结合CFD模拟的结果，来对工程设计进行有效评估。主要评估影剧院内空气环境的物理参量有：温度和风速。如表1.1所示为影剧院空气调节室内设计标准。表1.1 影剧院空气调节室内设计标准干球温度相对湿度平均风速夏季24-2650-700.2-0.5冬季20-16300.2-0.32 影剧院的三维建模2.1影剧院的总装配图影剧院的总体尺寸为，通风系统采用侧送风下回风的方式。共四个回风口为，二个回风口为，整体的风管布置如图2.1所示。图2.1 影剧院的总装配体2.2通风管道新风风阀采用自动调节风口大小。在冬季时，为防止冷风过量的渗透引起盘管冻裂，应在停止机组运行时，联锁关闭新风阀。当机组起动时，则打开新风阀（通常先打开风阀、后开风机、防止风阀压差过大无法开启）排风风阀也是如此。三维模型如图2.2和图2.3所示。 图2.2 新风风阀 图2.3 排风风阀送风管道尺寸为，排风管道尺寸为，其结构如图2.4和图2.5所示。 图2.4 送风管道 图2.5 排风管道电机外形尺寸，风扇的叶片最大直径为，其结构如图2.6和图2.7所示。 图2.6 电机 图2.7 风扇3 CFD的设计环节以及基本理论3.1CFD设计环节通常CFD包含以下几个主要环节：（1）建立数学物理模型；（2）数值算法求解；（3）结果可视化。3.1.1建立数学物理模型对所研究的流动问题进行数学描述就是建立数学物理模型，对于暖通空调工程领域的流动问题来讲，一般是不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程。另外，由于暖通空调领域的流体流动基本上为湍流流动，所以要结合湍流模型才能完整描述所研究问题，以便于数值求解。如粘性流体流动的通用控制微分方程，随着其中变量的不同，如代表速度以及湍流参数等物理量时，它就代表流体流动的能量守恒方程、动量守恒方程以及湍流动能和湍流动能耗散率方程。求解工程中关心的流场温度、速度等物理量分布，也都是基于该方程求解的。3.1.2数值算法求解数值方法中常用的离散形式有有限元和有限差分这两种。目前这两种方法在暖通空调工程领域的CFD技术中均有应用。从总体的情况来看，对于暖通空调领域中的低速、不可压流动和传热问题，还是采用有限差分方法进行离散的情形较多。因为其具有满足物理量守恒规律，物理意义清楚的特点。离散后的微分方程组就变成了代数方程组。可见，通过离散之后使得难以求解的微分方程变成容易求解的代数方程，想要获得流场的离散分布,即可采用一定的数值计算方法来求解代数方程，从而模拟所研究的流动情况。3.1.3结果可视化如何将所求解的温度场与速度场等生动、形象地呈现出来，我们可以通过计算机图形学等技术，通过可视化的后处理，可以将单调繁琐的数值求解结果形象直观地表现出来，甚至可以让非专业人士快速的理解。如今CFD的后处理结果可以非常直观生动，不仅能显示温度场图片、静态的速度，而且能显示流场轨迹线动画。其步骤如图3.1所示。图3.1 CFD软件计算流程3.2CFD的基本理论3.2.1控制方程（1）质量守恒方程或连续性方程描述如下： （式3.1）其中为气流密度；表示时间，为气流密度；下标1、2、3 分别表示、方向。在空调工程领域中，空气可以作为不可压缩气体，则连续方程简化为： （式3.2）（2）在惯性坐标下，动量方程描述如下： （式3.3）其中为静压；为应力张量；为方向因重力引起的体积力；包含其他源项。由下式给出： （式3.4）其中是动力粘性系数；右边第2项用于考虑体积膨胀的作用。3.2.2能量方程 在空气调节工程中，流体区域能量方程用焓（，其中 298.15是参考温度）的形式描写： （式3.5）其中是分子运动产生导热系数；是因为湍流而所致的导热系数是温度；是源项，可以是任何体积热源。在导热的固体区域，采用了一个简单的导热方程： （式3.6）其中是内热源。在空调工程设计中，分析室内气流组织时候，既存在导热（墙壁）也存在对流（空气与墙壁），因此（式3.6）必须与（式3.5）同时求解。3.2.3组分方程空调工程中，可能对某一组分感兴趣，比如水蒸汽含量（湿度）就是一个重要的参数。设某一组分的质量浓度为，则通过对流-扩散方程可以求解之。对流-扩散方程形式如下： （式3.7）其中是单位体积内组分的产生率。是组分的扩散流量，其动力是浓度梯度。如果系统中有总数为的液相成分，则通过（式3.7）可以求解个组分。（1）层流中，扩散流量采用下式估计： （式3.8）（2）紊流中，扩散流量采用下式估计： （式3.9）其中为Schmidt数，。 3.2.4紊流空调过程中室内空气一般情况下处于紊流状态。紊流是十分复杂的非稳态流，数值求解异常困难。实用而可行的是简化方法，这类方法中，因对紊流粘性系数的不同处理而形成不同的紊流模型。（1）混合长度模型，用以下关系式计算紊流粘性系数： (式3.10)混合长度定义如下： （式3.11）其中是离墙的距离；Von Karman常数=0.419。是平均应变力张量之模： （式3.12）平均应变率由下式给出： （式3.13）（2）室内零方程模型是专门为室内气流模拟而提出的。该模型认为紊流粘性系数可以计算如下： （式3.14）其中是局部速度；是流体密度； 定义为离最近墙的距离；0.03874是经验常数。室内气流在边界条件上存在对流换热，对流换热系数可采用如下计算式： （式3.15）其中是流体比热；是有效 Prandtl 数；是邻墙的网格间距；是有效粘性系数。 （式3.16）该模型用于室内气流模型十分理想。4 模型建立及分析4.1模型的建立4.1.1数学模型本文采用的是实验数据与数值模拟结果较吻合的零方程湍流模型：假设空气为不可压缩气体透明介质，不参与辐射，密度符合初始假设，空气流动为稳态紊流。采用的紊流涡粘度经验关联式为： （式4.1）式中：为空气密度（），为速度（），为到最近的固体表面的距离（）。稳态气体流动与传热的通用控制方程可表示为： （式4.2)其中：表示三维方向上的速度（），分别为1、2、3；为空气的密度（）；为扩散系数；为源项，随着在不同的方程中选取不同的物理量而改变。4.1.2物理模型该模型主要模拟夏季设计工况下影剧院建筑的观影厅，为了更快更好的模拟出结果，模拟中采用的影剧院模型尺寸为。如图4.1所示，房间从后往前数有五级台阶，与房间宽度相等，长度为每一级，高度依次减少，直至与地面持平。图4.1 物理模型连地面在内共有五排座位，每排有四个人，每个人身高为，散热量为。屋顶上有六盏灯，每盏灯散热量为。4.1.3设计参数（1）室内空调温度的确定是以人员舒适性为标准进行确定的，同时我们也要兼顾空调系统的运行节能。因而，在两者兼顾的情况下，我们可以适当降低室内给定值的标准，以便节约能量。民用空调应该有一个范围较大的舒适区，是由于每个人对舒适感的标准差别较大。在该舒适区范围内，冬季采暖时，取较低的相对湿度和干球温度设定值；夏季降温时，取较高的相对湿度和干球温度设定值，可以降低维护结构的新风负荷和传热负荷。所以采用全年不固定的室温设定值，可获得一定的节能效果。根据剧场建筑设计规范（JGJ57-2000），本论文夏季室温设定为25。（2）最小新风量的确定：在ASHREA标准中，认为用以确定新风量的污染物是由室内气体污染和人员两个方面组成，故房间最小新风量由每人最小新风量指标与每平方米地面所需最小新风量指标之和来确定。最小新风量人数地板面积。建筑室内的污染物来自室内气体污染和人员两个方面，而且回风会加重室内环境的污染，新风量的确定应考虑人体的最小新风量需要，卫生要求和回风影响，取其中最大值。根据以上的原则，本文取新风量为 。4.1.5数值求解概述基于控制容积的求解技术。对质量方程、能量方程、动量方程、组分方程等控制积分方程进行求解，主要包括：（1）用计算网格把求解域化分为离散的控制容积。（2）在每个控制容积上对控制方程积分，形成诸如压力、速度、温度等离散因变量的代数方程。（3）离散方程线性化，用离散线性方程所得结果来更新因变量的值。控制方程顺序求解。因为方程的非线性以及耦合，方程求解要经过若干循环，每次循环包含了图4.2中的步骤。图4.2 求解方法4.2模型的分析4.2.1侧送下回对该房间的气流组织采用侧送下回的方式。在房间与Z 轴平行的左右两面墙上分别设置了两个送风口，共计四个送风口，相互之间距离，如图4.3所示。送风口的大小为，送风方向平行X轴。回风口两个，分别布置在送风口的下方墙壁上，大小为。整个模型划分为148682个网格，如图4.4所示。 图4.3 侧送下回的物理模型 图4.4 侧送下回的网格模型4.2.2温度和速度的流动迹线分布如图4.5和图4.6所示为温度和速度流动迹线分布情况。图4.5 温度流动迹线图4.6 速度流动迹线4.2.3温度场分布如图4.7和图4.8所示，整个房间的温度分布还是比较合理，基本上维持在26左右。人体相对比较舒适，在图4.7可以看到，从送风口出来，然后在房间的中部汇合，这就是侧送风的射流轨迹。新风从送风口中出来，按照一定的速度向前运动，在房间中部，两股气流汇合，这样就把房间分成了上下两个区域，下部即为空调区，整个空调区处在气流的回旋区中。这样就可以避免房间上部热负荷对空调区的影响，具有比较好的节能效果。如图4.8可以看出，房间墙壁的温度为26左右，灯的区域温度较高为30以上，但作用区域很小，对整个房间没有太大的影响。图4.7 xoy上的温度场图4.8 zoy上的温度场4.2.4速度场分布如图4.9和图4.10非常明显地显示了采用侧送下回方式房间的气流速度分布情况。上部被射流隔开的区域中，只存在少量的对流，且速度比较低，不超过。观众区内气流的速度在之间，尤其在房间两侧观众受气流速度的影响较大，会有比较强的吹风感。余下的气流继续围绕房间进行运动，在整个房间内大致可以形成四个涡旋，分别分布在房间的四个角落中。房间最后两排的观众相对来说，会感到比较舒适，因为其受气流速度的影响比较小，风速不超过。图4.9 zoy上的速度场图4.10 xoz上的速度场4.2.5静压场分布如图4.11所示，观众厅的静压场变化小，维持在一个大气压多一点的值。这种情况是很乐观的，给人的感觉不压抑，让人呼吸舒畅。图4.11 全局静压场分布4.2.6风口的质量流量从图4.12可以看出送风口和回风口的质量流量相等大概为0.25kg/s。这会保证观众厅内的空气的质量一定，也就是体积一定，也就维持了新空气的含量，同时也把废气排到了院外。图4.12 送风口和回风口的质量流量通过以上分析的各项结果，可以看出用solidworks插件flow simulation的数值模拟结果与影剧院空气调节室内设计标准大体一致，达到了预期的效果。4.2.7风机的选型由以上分析的结果可以看出，数值模拟的结果很理想。但由于分析时应尽可能的简化模型，以便使分析的结果更精确，所以本物理模型只是采用了20个人。但是实际的影剧院有108人，通过换算可得实际影剧院的新风量为。由于在做数值模拟分析的时候已在solidworks插件flow simulation中选择了风机的相关参数，而实际的风机只是新风量的改变，综合所得可以选择的风机型号为DBF-1-30A1。具体性能参数如表4.1所示。表4.1 DBF-1-30A1型性能参数表型号风量全压配套风机台数功率转速噪声重量DBF-1-30A1300032010.5513506450结 语影剧院的通风系统设计是暖通空调设计中的一个重点也是设计中的一个难点。如何充分利用计算机技术以及数值模拟技术来辅助暖通空调设计，是当前暖通空调领域发展和未来研究的一个重要方向。本论文正是在这样一个背景下诞生的。通过合理利用 CFD 技术，对影剧院空调系统的气流组织进行优化设计，提高设计的精确性以及效率是本课题研究的目的。本课题所做的工作和得到的结论有：（1）通过分析影剧院通风系统的特点以及CFD软件的优点，将两者进行有机的结合，总结出了结合CFD技术适合影剧院通风系统气流组织的设计思路。（2）根据国家规范以及国内外的文献资料，选取了一套适用于采用CFD 技术对影剧院通风系统气流组织设计的标准。这套标准包含了设计中考虑的三个方面的因素：舒适性、卫生性和节能性。（3）学习和熟悉掌握了CFD技术的基本原理以及其实现的技术条件。（4）经过对工程项目的研究与分析，发现设计思路清晰；设计评价体系能够比较准确客观的反映设计方案的优劣CFD技术也能够比较迅速、准确地反映设计的效果，模拟的结果符合文献以及实验的结果。因此，将CFD技术应用到对影剧院通风系统的气流组织设计中是可靠、可行的。但是由于时间，设备等方面原因的限制，本论文还有许多地方有待以后继续完善。如何能够比较定量以及定性地评价设计方案是否节能；如何运用CFD软件同时对多个方案进行分析，直接得出结论，需要在以后的学习中不断的完善。主要参考文献1 王鸿章，李惠风影剧院空调设计北京：中国建筑工业出版社，19952 陶文铨数值传热学第2版M西安：西安交通大学出