壁面温度对室内空气流动过程的影响

壁面温度对室内空气流动过程的影响摘要：为了分析析在进风位置置、进风温度度以及射流方方向不同的条条件下，房间间壁温对室内内空气流动的的影响，利用用CFD计算、流动动可视化和定定量测量相结结合的办法研研究了不同工工况下室内空空气的流动形形态、速度以以及模型整体体换热情况。结结果表明：进进风温度变化化时，壁面温温度对水平送送风方式下的的空气流动形形态影响较大大，对垂直送送风方式影响响较小；进风风温度的降低低引起水平进进风方式的自自由射流区缩缩短，右侧垂垂直进风方式式下射流向右右侧壁面偏转转，同时浮升升力引起的自自然对流作用用增强，换热热温差加大，增增加了围护结结构漏热量。关键词：空调通通风；流动形形态；CFD模拟；可视视化实验通风空调房间内内的空气温度度、流速以及及污染物浓度度等对建筑物物能耗、室内内空气品质和和人体健康至至关重要。自自20世纪40年代以来，研研究人员运用用不同方法来来预测机械通通风房间内的的气流组织结结构[1-66]。ChenQinyaan[3,44]利用CFD模拟研究了了不同的通风风方式、风口口结构对房间间内空气流动动的影响；Fitznner[5]]通过原型实实验得出室内内气流主要受受风口结构、位位置，空气流流速以及房间间热负荷的影影响，而排风风口位置对其其影响较小；；Zhangg[6]实验研研究了水平送送风条件下，不不同进口风速速、温度以及及房间热负荷荷对室内空气气速度和湍流流特性的影响响。然而，在在进风口位置置、进风射流流方向以及进进风温度不同同的条件下，房房间壁面温度度对室内空气气流动形态的的影响规律未未作具体研究究。本文通过过CFD模拟和可视视化模型实验验相结合的办办法研究了不不同的风口位位置、射流方方向以及进风风温度下，房房间壁面温度度对室内空气气流动过程的的影响。1实验模型型及数值模拟拟方法图1实验模型型结构示意图图设定如图1所示示的坐标系统统，模型的在在x、y、z方向的长度度分别为1..2m、0.6m和0.8m，为了便于于进行流场可可视化研究，模模型主体采用用有机玻璃加加工。考虑到到大部分房间间只有一面墙墙为外墙，其其余墙面都为为内墙，且内内墙可近似认认为是绝热边边界条件，所所以在本实验验中只将左壁壁面（x=0m）设为加热壁壁（模拟外墙墙），为了维维持恒壁温条条件，提高温温度均匀性，设设计了由薄膜膜加热器和厚厚4mm导热铝铝板组成的复复合加热板，通通过调节输入入电压可以控控制实验所需需的壁温，而而模型的其他他外表面通过过粘贴厚度为为100mmm的保温材料料来模拟绝热热边界条件。本本文讨论A、B两种不同位位置的进风方方式，风口尺尺寸都为2440mm×224mm，且且以z=0.4m的平面前后后对称。其中中进风口A设在x=1.2m的平面，水水平中心线距距模型顶面0.1m；进风口B设置在y=0.6m的顶面，右右沿距模型xx=1.2m的平面0.1m；排风口设设在y=0.6m的顶面，左左沿距x=0m的平面0.1m。通常情况下房间间内的平均流流速小于0.15m/s，只有射流流区域的流速速达到相对容容易进行测量量分辨的0.4mm/s以上。为此此，房间内部部的风速、温温度测量点主主要布置在射射流方向上。对对于A型进风方式式，7个测量点布布置在y=0.33m、z=0.44m的直线上，其其中1点、7点x坐标分别为1.0888m、0.1122m，其余5点x坐标在1点和7点之间均匀匀布置；对于于B型进风方式式，5个测量点均均匀布置在x=1.0088m、z=0.44m的直线上。表1给出本实验验的研究工况况，加热表面面的温度为440℃、风量为0..0078mm3/s。表1实验研究工工况工况序号ⅠⅡⅢⅣ风口位置AABB进风温度/℃2214.52214.5本文采用FLUUENT6..0商业软件进进行计算，入入流湍动能kkin为来流平平均动能的1％，湍流耗耗散εin可按照入入口湍流雷诺诺数Ret以及湍流特特征长度之间间的关系来选选取[7]。利用SIMPLLEC算法进行压压力——速度解耦，PPRESTOO！格式处理压压力项，QQUICK离离散格式处理理控制方程；；采用RNGGk-ε湍流模型，用用壁面函数法法考虑边界对对流动的影响响。在划分网网格时，尽可可能采用正六六面体网格单单元，固体壁壁面相邻的第第一个网格宽宽度限定为为为1mm，最宽一级级的网格宽度度≤8cm，在进风口口及壁面附近近区域加密网网格，将相邻邻两网格间距距的尺度比严严格控制地控控制在0.8～1.25。2、结果及分析析2．1CFDD计算及可视视化实验结果果工况Ⅰ、工况ⅡⅡ下的z方向中心截截面（z=0.4mm，下同）的CFD模拟结果、流流动可视化照照片如图2所示。可以以看出，壁面面温度对模型型内空气的流流动形态有明明显的影响。进进风温度较高高时，自由射射流区较长，射射流进入到11/2的宽度度（x=0.6mm的平面）后后，开始向下下弯曲，射流流能够冲刷到到左侧壁面，并并且在0.33m<x<0.6mm、0m<y<0.3mm范围内形成成一个逆时针针涡；而进风风温度较低时时，射流进入入1/4的宽度度后，便开始始向下弯曲，射射流冲刷到底底面，不能形形成明显的涡涡。产生这种种差别的原因因在于当进风风温度较高时时，空气受到到方向向下的的重力作用较较小；反之，进进风温度较低低时，空气受受到的重力作作用较大。图2-a工工况Ⅰ下的流动形形态的计算结结果图2-b工况况Ⅰ下的流动形形态的可视化化结果图2-b工况况Ⅱ下流动形态态的计算结果果图2-b工况况Ⅱ下的流动形形态的可视化化结果图3显示了工况况Ⅲ、工况Ⅳ下的CFD模拟结果以以及流动可视视化照片。对对于垂直送风风方式，壁面面温度对模型型内空气的流流动形态影响响较小。只是是当进风温度度的较低时，射射流末端向右右壁面（x=1.2mm）偏转量增增大。由于射射流左侧的空空气卷吸量大大于右侧，左左侧空气速度度小于右侧，左左侧压力大于于右侧，使得得射流向右侧侧偏转，当温温度较低时，射射流所受的热热驱动力和重重力较大，射射流速度较高高，左、右侧侧压力差较大大，射流偏转转量增大。图3-a工工况Ⅲ下流动形态态的计算结果果图3-b工工况Ⅲ下流动形态态的可视化结果图3-c工工况Ⅳ下流动形态态的计算结果果图3-b工工况Ⅳ下流动形态态的可视化结果2．2温度、速速度结果图4给出了A型型进风方式下下各测点的温温度、速度的的计算值和测测量值。其中中速度的测量量值略高于计计算值，由于于数值计算时时进风速度在在进风口截面面上设定为处处处相同，等等于射流平均均速度；而在在一般情况下下，实验时的的进口风速在在进风口截面面上呈现中心心高，四周低低的现象，造造成射流中心心速度高于平平均速度。从图中还可以看看出，进风温温度较高时，沿沿测量线温度度的变化比较较平缓，温度度分别升高33.2℃；温度较低低时，则变化化比较剧烈，温温度升高7..9℃,同一进风速速度下，进口口温度相差77.5℃时，出口温温度相差1..8℃，说明进口口温度较低时时，自然对流流对换热起了了很重要的作作用。在射流流的前半区（x>600mm），温度对各点速度的影响不大，对于射流的后半区（x<600mm）,进风温度对各点速度有一定的影响。进风温度较高时，速度较高，进风温度降低后，速度有所下降，从图2的可视化图谱可以看出，进口温度降低后，5、6、7三个测点已经偏离了主射流区，使得所测速度变小。图4-a工况况Ⅰ下各测点温温度、速度分分布图4-b工况ⅡⅡ下各测点温温度、速度分分布图5给出了B型型进风方式下下各测点的温温度、速度的的计算值和测测量值。在进进口处速度的的测量值高于于计算值，由由于在垂直射射流的条件下下，进口风速速在进风口截截面上不均匀匀性增加，射射流中心速度度远高于平均均速度，从而而与数值计算算时设定的均均匀速度截面面相矛盾。数数值计算时，为为了消除风口口速度不均匀匀性带来的计计算误差，需需要将一定长长度的风管纳纳入计算区域域。从实验结果可以以看出，进风风温度较高时时，沿测量线线温度的变化化比较平缓，温温度升高0..5℃；温度较低低时，则变化化比较剧烈，温温度升高4..2℃,同一进风速速度下，进口口温度相差77.5℃时，出口温温度相差1..7℃；B型送风方式式的射流速度度大于A型送风方式式的射流速度度，并且当yy<300mmm时，速度度发生突降。以以上现象说明明进口温度较较低时，自然然对流对换热热起了很重要要的作用。由由于射流的惯惯性力与受到到的热驱动力力、重力方向向一致，空气气从进风口出出来后，会在在热驱动力、重重力的作用下下沿射流方向向产生加速；；同时，由于于壁面加热产产生的浮升力力作用，使得得射流左侧的的顺时针涡速速度提高，从从而使得射流流速度较高，同同时射流在yy<300mmm的区域内内已经发生偏偏转，测点位位置已经偏离离了主射流区区，使得测点点速度明显降降低。图4-a工况况Ⅲ下各测点温温度、速度分分布图4-b工况ⅣⅣ下各测点温温度、速度分分布3、结论当进风温度变化化时，壁面温温度对水平送送风方式下的的空气流动形形态影响较大大，对垂直送送风方式影响响较小；数值模拟时，为为了减小实际际进风口处的的进风速度的的不均匀性带带来的误差，需需要将风管纳纳入计算区域域；对于水平进风方方式，进风温温度较高引起起自由射流区区较长，并在在0.3m<<x<0.6mm、0m<y<0.3mm范围内形成成一个逆时针针涡；进风温温度较低引起起自由射流区区较短，射流流冲刷到底面面，不能形成成明显的涡，对对于垂直进风风方式，射流流末端向右侧侧弯曲；进风温度的降低低引起浮升力力作用下的自自然对流作用用增强，模型型整体换热量量提高。参考文献((Referrencess）[1]TuveeGL..Airveloccitiessinvventillatinggjetss[J]..Heatiing,PPipinggandAirCCondittioninng，1953，25(1)：181-1191[2]HaghhighattF,LLiY,MegriiAC..Deveelopmeentanndvallidatiionoffazoonalmmodel–POMAA[J]..Builldingandeenviroonmentt，2001，36(9)：1039--1047[3]ChennQ.,vandderkooviJ..,MeyyersAA.Meaasuremmentsandccomputtationnsofventiilatiooneffficienncyanndtemmperattureeefficiiencyinaventiilatioonrooom.EnnergyandBBuildiings,1988,,12((2):885-99[4]ChennQ.AANumeericallStuddyofIndooorAirrQuallityaandThhermallComffortuunderSixKKindsofAiirDifffusioon[J]].ASHRRAETrransacctionss，1992，98(1)：203-2217[5]FitzznerKKF.AAirfllowexxperimmentsinfuull-sccalettestrrooms[J].ASHRAAETraansacttions，1981，87(2)：1143--1153[6]ZhanngJSS,