室內(nèi)氣流組織計(jì)算方法的概述與展望

馬文娟

（安徽理工大學(xué)理學(xué)院數(shù)學(xué)系 安徽 淮南 232001）

室內(nèi)氣流組織計(jì)算方法的概述與展望

馬文娟

（安徽理工大學(xué)理學(xué)院數(shù)學(xué)系 安徽 淮南 232001）

分別介紹了四種不同的預(yù)測(cè)室內(nèi)房間的空氣分布方法：射流理論分析、模型試驗(yàn)、區(qū)域模擬以及基于計(jì)算流體力學(xué)方法的數(shù)值模擬。并對(duì)這四種方法加以分析和比較從而得出數(shù)值模擬法是計(jì)算室內(nèi)氣流組織的最好方法，最后對(duì)其領(lǐng)域未來(lái)所研究的一些內(nèi)容進(jìn)行了展望。

射流理論分析；模型試驗(yàn)；區(qū)域模擬；CFD

0 引言

近年來(lái)隨著生活水平的提高，人們待在室內(nèi)的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，因此室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞與一個(gè)人的健康狀況更加密切，而為了保持良好的室內(nèi)空氣質(zhì)量設(shè)計(jì)好的室內(nèi)氣流組織是最為關(guān)鍵。因此如何預(yù)測(cè)室內(nèi)氣流分布與我們的健康狀況有著重大關(guān)系，室內(nèi)氣流組織計(jì)算已經(jīng)成為室內(nèi)環(huán)境研究方面的熱門(mén)話題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了非常多這方面的研究。目前主要有四種預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣分布的方法：射流理論分析、模型試驗(yàn)、區(qū)域模擬以及基于計(jì)算流體力學(xué)（Computaional Fluid Dynamics: CFD）方法的數(shù)值模擬。這些方法都是一些研究人員最近提出的，分別適用于不同的建筑、不同的通風(fēng)形勢(shì)并且根據(jù)不同的要求而視情況而采用。本文將分別對(duì)這四種方法進(jìn)行介紹和對(duì)比另對(duì)該領(lǐng)域的未來(lái)的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行一些展望。

1 室內(nèi)氣流組織的計(jì)算方法

我們知道在很多情況下，實(shí)測(cè)室內(nèi)氣流組織由于投資高，周期長(zhǎng)、實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜或者難以模擬實(shí)際情況而不方便使用，所以很多學(xué)者提出了其他方法來(lái)預(yù)測(cè)室內(nèi)氣流分布，下面分別一一進(jìn)行闡述。

1.1 射流理論分析法

射流理論分析方法始于上個(gè)世紀(jì)80年代，并于90年代建立了一系列射流公式用于室內(nèi)空氣分布的預(yù)測(cè)，具體做法是采用射流公式對(duì)空調(diào)送風(fēng)口射流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進(jìn)行預(yù)測(cè)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是預(yù)測(cè)成本低，預(yù)測(cè)周期短，是所有方法中最簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的。但是由于這些射流公式是基于某些標(biāo)準(zhǔn)或理想條件理論分析或?qū)嶒?yàn)得到的。由于建筑空間越來(lái)越復(fù)雜化、多樣化和大型化發(fā)展，實(shí)際空調(diào)通風(fēng)房間的氣流組織形式變化多樣，采用射流公式計(jì)算勢(shì)必會(huì)帶來(lái)較大的誤差。并且，射流分析方法只能給出室內(nèi)的一些集總參數(shù)的信息，不能給出設(shè)計(jì)人員所需的詳細(xì)資料，無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者詳細(xì)了解室內(nèi)空氣分布情況的要求。

1.2 模型實(shí)驗(yàn)法

模型實(shí)驗(yàn)法的理論依據(jù)是流體力學(xué)里面的相似性原理，我們知道如果兩個(gè)房間在幾何上相似的話，那么在氣流速度和氣流組織上面也有一定的相似規(guī)律，所以該方法就是通過(guò)建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)模擬室內(nèi)氣流組織，從而從模型的氣流組織情況得到室內(nèi)氣流組織的分布。因此模型試驗(yàn)是最精確的一種獲得數(shù)據(jù)的方法。但是它需要較長(zhǎng)的試驗(yàn)周期和昂貴的試驗(yàn)費(fèi)用，搭建試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃馁Y很大，通常情況下單個(gè)試驗(yàn)耗資在3000-20000美元，近年來(lái)隨著人力費(fèi)用的上漲，試驗(yàn)所花費(fèi)的經(jīng)費(fèi)可能會(huì)更大。而且對(duì)于不同條件，可能還需要多個(gè)試驗(yàn)，耗資還會(huì)增加，周期也長(zhǎng)達(dá)數(shù)月以上，難于在工程設(shè)計(jì)中廣泛采用，而且為了滿(mǎn)足所有模型試驗(yàn)要求的相似準(zhǔn)則，其要求的試驗(yàn)條件可能難以實(shí)現(xiàn)。

1.3 區(qū)域模型法

區(qū)域模型是將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域，認(rèn)為區(qū)域內(nèi)的相關(guān)參數(shù)如溫度、濃度相等，區(qū)域間存在熱值交換，通過(guò)建立質(zhì)量和能量守恒方程并充分考慮區(qū)域間壓差和流動(dòng)的關(guān)系來(lái)研究房間內(nèi)的溫度分布以及流動(dòng)情況，該方法成本較低實(shí)驗(yàn)周期也較短，但是計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性不高，只是一種相對(duì)“精確”的集總結(jié)果，試驗(yàn)涉及到的參數(shù)越多誤差越大。另外該方法不能再機(jī)械通風(fēng)中使用。

1.4 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）法

計(jì)算流體力學(xué)法（CFD,下同）就是利用計(jì)算機(jī)求解室內(nèi)空氣流動(dòng)控制方程組的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)方法。1985年丹麥學(xué)者尼爾森首次利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和湍流模擬技術(shù)的發(fā)展，CFD方法有了很大的發(fā)展。CFD法具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，故其逐漸受到人們的青睞，CFD方法也越來(lái)越多的應(yīng)用于暖通空調(diào)領(lǐng)域。該方法的具體做法就是在計(jì)算機(jī)上虛擬的做實(shí)驗(yàn)：依據(jù)室內(nèi)空氣流動(dòng)的數(shù)學(xué)物理模型，將房間劃分為許多小的控制體，把控制空氣流動(dòng)的連續(xù)的微分方程組離散為非連續(xù)的代數(shù)方程組。結(jié)合實(shí)際的邊界條件在計(jì)算機(jī)上數(shù)值求解離散所得的代數(shù)方程組。只要?jiǎng)澐值目刂企w足夠小，就可以認(rèn)為離散區(qū)域上的離散值代表整個(gè)房間內(nèi)的空氣分布情況。在目前的預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣分布的方法中，CFD方法具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，并且由于當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD方法的計(jì)算周期和成本也完全可以為工程應(yīng)用所接受。

2 結(jié)論與展望

以上分別介紹了四種不同的室內(nèi)氣流組織的計(jì)算方法，對(duì)于它們的特點(diǎn)我們進(jìn)行一系列小結(jié)和對(duì)比，詳見(jiàn)表1。

表1 四種不同預(yù)測(cè)方法的對(duì)比

從上表可以看出，數(shù)值模擬法具有其他方法不可比擬的優(yōu)越性，因此，CFD方法可應(yīng)用于室內(nèi)空氣分布情況的模擬和預(yù)測(cè)，從而得到房間內(nèi)空氣的各種物理量的詳細(xì)分布情況，這對(duì)于保證良好的房間氣流組織、提高室內(nèi)空氣品質(zhì)以及減少建筑物能耗都用重要意義。所以目前對(duì)室內(nèi)氣流分布的研究越來(lái)越多的集中在CFD方面，由于數(shù)值模擬法需要知道室內(nèi)空氣流動(dòng)的狀態(tài)和室內(nèi)房間的邊界條件，但是目前這方面資料不全，因此室內(nèi)送風(fēng)口入流邊界條件確定、壁面邊界條件確定以及室內(nèi)熱源分布等都會(huì)成為將來(lái)研究的熱門(mén)領(lǐng)域。

［1］趙彬，林波榮，李先庭.室內(nèi)空氣分布預(yù)測(cè)方法及比較.暖通空調(diào)，2006,31（4）：82-86.

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［3］張國(guó)強(qiáng)，鄒媛.室內(nèi)氣流模擬方法比較及一種新的模擬方法研究//2007年全國(guó)暖通空調(diào)年會(huì)論文集.南寧,2007:841-845.

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［5］Chen Q.Prediction of room air motion by Reynolds-stress models.Building and Environment,2002,31(3):233-244.

［責(zé)任編輯：王靜］

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安徽理工大學(xué)博士、碩士基金；安徽省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（NO.KJ2011Z109)。