纖維風(fēng)管應(yīng)用于小型超市的數(shù)值模擬研究

周小蓓 符永正

武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

纖維風(fēng)管應(yīng)用于小型超市的數(shù)值模擬研究

周小蓓 符永正

武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

針對(duì)某大型建筑內(nèi)的小型超市，進(jìn)行了纖維風(fēng)管送風(fēng)和散流器送風(fēng)兩種情況下氣流組織的數(shù)值模擬。結(jié)果表明采用纖維風(fēng)管垂直于貨架布置的送風(fēng)方式能有效避免貨架對(duì)氣流的阻擋，使氣流順利到達(dá)工作區(qū)，增強(qiáng)了超市空間溫度和風(fēng)速的均勻性。

纖維風(fēng)管小型超市速度分布溫度分布數(shù)值模擬

0 引言

纖維風(fēng)管（也稱布袋風(fēng)管）送風(fēng)是一種新型的送風(fēng)方式。這種送風(fēng)方式通過(guò)整個(gè)管壁的纖維縫隙或經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的多排條縫或小孔出風(fēng)，具有較大的出風(fēng)面積，且構(gòu)成立體送風(fēng)，因而，與傳統(tǒng)的送風(fēng)方式比較，能夠使工作區(qū)獲得更為均勻的風(fēng)速分布和溫度分布。對(duì)于采用中央空調(diào)的大型建筑內(nèi)的小型超市，若采用傳統(tǒng)的散流器送風(fēng)往往使氣流受到超市貨架的阻擋，射流難以達(dá)到指定的送風(fēng)區(qū)域，而纖維風(fēng)管則因具有以上優(yōu)勢(shì)成為較為理想的送風(fēng)方式。本文以一個(gè)大型建筑內(nèi)的小型超市為對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法，分析纖維風(fēng)管的送風(fēng)特性，以及室內(nèi)風(fēng)速分布和溫度分布，并與散流器送風(fēng)方式進(jìn)行比較。

1 物理模型

1.1 建筑概況

該小型超市的尺寸為10m×7m×3.6m（長(zhǎng)×寬×高），雙排貨架尺寸為4.35m×0.8m×2m（長(zhǎng)×寬×高）。具體位置如圖1所示。

1.2 冷負(fù)荷、濕負(fù)荷及送風(fēng)量

模擬空間的冷負(fù)荷指標(biāo)選取210W/m2[1,2]，估算該區(qū)域夏季空調(diào)冷負(fù)荷為14.7kW。超市人員密度假設(shè)為3m2/人，據(jù)此得到房間總?cè)藬?shù)為24人，人員散濕量為184g/(h·人)。根據(jù)舒適度的要求，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26±1℃，送風(fēng)溫差為8℃，相對(duì)濕度為60%，設(shè)計(jì)風(fēng)速小于0.3m/s，計(jì)算得到系統(tǒng)的送風(fēng)量為2800m3/h。

2 數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型

2.1 氣流組織方案

針對(duì)三種不同氣流組織方案進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析：

方案A：如圖2所示，在貨架上部?jī)筛w維風(fēng)管與貨架垂直布置。除了纖維風(fēng)管管壁的滲透送風(fēng)外，在風(fēng)管的下側(cè)有兩排條縫送風(fēng)，兩排條縫的出風(fēng)方向與指向地心的垂直方向成30°角。風(fēng)管直徑為457mm，風(fēng)管底部距離地面的高度為3m，風(fēng)管間距3.5m，風(fēng)管中心線距離Y軸1.75m。在側(cè)墻X=0m上布置兩個(gè)回風(fēng)口，尺寸為550mm×370mm（寬×高），回風(fēng)口下緣距離地面0.15m，風(fēng)口間距為4m，風(fēng)口邊緣距Y軸3m。

方案B：如圖3所示，在貨架上部?jī)筛w維風(fēng)管與貨架平行布置。風(fēng)管尺寸、出風(fēng)方式、安裝標(biāo)高以及回風(fēng)口布置與方案A相同。風(fēng)管間距4m，風(fēng)管中心線距Y軸3m。

方案C：如圖4所示，在貨架上部布置4個(gè)散流器，散流器尺寸為250mm×250mm，X向間距3.5m，Z向間距5m，風(fēng)口下緣距地板高度為3m?；仫L(fēng)口的布置與方案A、B相同。

2.2 湍流模型及邊界條件

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε雙方程模型。室內(nèi)負(fù)荷均勻分布于墻壁及地面上，地面的熱流量取30W/m2，墻壁熱流量取19W/m2[1，4，5]；近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法來(lái)消除標(biāo)準(zhǔn)湍流模型的局限性；各模型送風(fēng)溫度相同，均為18℃。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)模擬效果圖分析

圖5為方案A截面X=1.75m的速度分布?？梢钥闯?，截面風(fēng)速在0.1～0.3m/s之間，風(fēng)速比較均勻，符合室內(nèi)舒適性要求。這是由于纖維風(fēng)管既有滲透送風(fēng)，又有條縫送風(fēng)，有較大的送風(fēng)面積；同時(shí)，纖維風(fēng)管與貨架垂直布置，送風(fēng)經(jīng)風(fēng)管上開設(shè)的條縫沿程送出，一定程度上減弱了貨架對(duì)送風(fēng)的阻擋作用，使冷風(fēng)可以順利到達(dá)工作區(qū)。

圖6 為截面X=1.75m的溫度分布，可以看出纖維風(fēng)管由于其材質(zhì)具有滲透性，管壁周圍因冷風(fēng)滲透作用而出現(xiàn)低溫層，風(fēng)管下方溫度分布在25～26℃。由于墻壁產(chǎn)生定熱流量的負(fù)荷，臨近墻壁的室內(nèi)空間溫度比其他區(qū)域稍高，為27℃以上。總體來(lái)看，截面溫度分布比較均勻，垂直方向上溫度梯度較小。可見采用方案A送風(fēng)時(shí)，室內(nèi)氣流組織較好。

圖7 為方案B截面X=1.75m的速度分布?？梢钥闯?，速度場(chǎng)在截面內(nèi)存在兩個(gè)風(fēng)速較大的區(qū)域，同圖5相比，纖維風(fēng)管正下方區(qū)域內(nèi)風(fēng)速較高，由于纖維風(fēng)管與貨架平行布置，貨架對(duì)射流產(chǎn)生一定的阻擋，受遮擋區(qū)域內(nèi)風(fēng)速則較低。圖8為該截面溫度分布圖，可以看出該送風(fēng)方式下溫度分布特性和方案A相似，截面內(nèi)溫度比較均勻，變化平緩，溫度梯度較小。

圖9 為方案C截面X=1.75m的速度分布圖。可以看出，截面整體風(fēng)速偏低，室內(nèi)部分區(qū)域風(fēng)速明顯過(guò)大，風(fēng)速過(guò)大點(diǎn)位于散流器下部區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，人體會(huì)有明顯的吹風(fēng)感。由于貨架對(duì)送風(fēng)的阻擋作用，中間區(qū)域風(fēng)速基本為零，在該區(qū)間內(nèi)人員無(wú)風(fēng)感。同圖5相比，截面風(fēng)速場(chǎng)均勻性降低。圖10為該截面溫度分布圖，可以看出，截面內(nèi)存在幾個(gè)溫度稍低的區(qū)域，同圖6纖維風(fēng)管送風(fēng)相比，該截面整體溫度較高，最高溫度和最低溫度的差值較大。由此可見，對(duì)于超市場(chǎng)所，在相同送風(fēng)量條件下，采用纖維風(fēng)管送風(fēng)方式可以獲得更好的氣流組織效果。

3.2 流場(chǎng)不均勻系數(shù)的比較

為了更直觀地比較三種方案下室內(nèi)流場(chǎng)的均勻性，采用不均勻系數(shù)法[6]評(píng)價(jià)空調(diào)房間的氣流組織狀況。提取多個(gè)點(diǎn)的溫度和風(fēng)速，求其算術(shù)平均值為

均方根偏差為

溫度不均勻系數(shù)kt和速度不均勻系數(shù)ku分別為

式（1）～（3）中：t、u為溫度、速度的算術(shù)平均值；n為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；σt、σu為溫度、速度均方根偏差。

由于工作區(qū)域?qū)儆趯?duì)稱區(qū)域，同時(shí)纖維風(fēng)管、散流器也對(duì)稱布置。因此只需提取如下區(qū)域（0≤X≤7m，0≤Z≤5m，0≤Y≤2m）的模擬值，即可反映整個(gè)活動(dòng)區(qū)的氣流組織狀況。在Y=0.5m，Y=1.0m，Y=1.5m三個(gè)不同截面內(nèi)均布多個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖11為測(cè)點(diǎn)布置平面圖：

得出各方案不均勻系數(shù)為：方案A（kt=0.001，ku= 0.14）；方案B（kt=0.001，ku=0.27）；方案C（kt=0.002，ku= 0.60）。

分析三種送風(fēng)方式的計(jì)算結(jié)果可得：方案A、方案B送風(fēng)溫度不均勻系數(shù)、速度不均勻系數(shù)均大于方案C?？梢姴捎蒙⒘髌魉惋L(fēng)時(shí)室內(nèi)風(fēng)速的變化較大，氣流混合不夠充分，導(dǎo)致溫度分布不均勻，局部溫度過(guò)高。方案A溫度不均勻系數(shù)、速度不均勻系數(shù)最小，室內(nèi)風(fēng)速分布均勻，氣流混合充分，熱交換充足，因而溫度分布較為均勻，氣流組織效果最好；方案B送風(fēng)受貨架一定的阻擋，效果次之；方案C則較差。

4 結(jié)論

對(duì)于大型建筑內(nèi)的小型超市，采用傳統(tǒng)的散流器送風(fēng)，送風(fēng)氣流容易受到貨架的阻擋，造成超市各區(qū)域風(fēng)速分布不均勻，影響舒適度。采用纖維風(fēng)管垂直于貨架布置送風(fēng)則可以有效避免貨架對(duì)氣流的阻擋，使氣流順利到達(dá)工作區(qū)，避免送風(fēng)死角，從而改善人員活動(dòng)區(qū)溫度和風(fēng)速分布不均的現(xiàn)象，在相同送風(fēng)量前提下，有更好的氣流組織效果。

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Resea rc h on Num e ric a l Sim u la tion o f Fab ric Du c ts Ap p lied in a Sm a ll Supe rm a rke t

ZHOU Xiao-bei,FU Yong-zheng Schoolof Urban Construction,Wuhan University of Scienceand Technology

Take a small supermarket in a large building for example,simulated the indoor air distribution situation which employs two kinds of air supplyingmodes:fabric ducts and air diffuser respectively.The results show that it can effectively avoid the shelves on airflow of the blocks in themode that the fabric ducts are perpendicular to the blocks, making airflow arrive theworkspace smoothly,and enhancing the uniform ity of temperature and velocity in supermarket area.

fabric ducts,smallsupermarket,velocity distribution,temperature distribution,numericalsimulation

1003-0344（2014）03-070-4

2013-5-3

周小蓓（1989～），女，碩士研究生；武漢市洪山區(qū)雄楚大道199號(hào)武漢科技大學(xué)（430070）；E-mail:zhouxiaobeiei@163.com