中央空調(diào)房間室內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

賈學(xué)斌

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，中國 北京100040)

0 引言

小型中央空調(diào)融合傳統(tǒng)中央空調(diào)和家用空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，其在空間利用、安裝方便和節(jié)能等方面的優(yōu)勢(shì)，目前成為未來空調(diào)發(fā)展的主流。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的增長，建筑和房地產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，人們生活水平和支付能力的提高，及對(duì)居室裝潢、品位的要求的提高，人們對(duì)室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的舒適性要求越來越高?？照{(diào)風(fēng)口為與室內(nèi)氣流有直接關(guān)系的裝置，不同送風(fēng)位置、速度和送風(fēng)角度都會(huì)影響室內(nèi)氣流組織，而不同氣流組織形成不同溫度場(chǎng)、速度[1-5]，直接影響空調(diào)效果與室內(nèi)舒適性。本文運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算軟件，采用k-ε湍流模型對(duì)夏季中央空調(diào)房間中常用的側(cè)送下回風(fēng)送風(fēng)形式進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了不同送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響，進(jìn)而對(duì)室內(nèi)舒適性進(jìn)行了探討，為該送風(fēng)形式下送氣角度的調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值方法

1.1 物理模型及網(wǎng)格

如圖1，計(jì)算模型房間空間大小為6m×4m×2.9m，中央空調(diào)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口以側(cè)送下回風(fēng)方式安裝在房間吊頂處，進(jìn)風(fēng)口尺寸為0.6m×0.15m,出風(fēng)口尺寸為0.6m×0.26m。本文主要研究不同送風(fēng)角度下的室內(nèi)氣流，為簡化模型，省略室內(nèi)人員或座椅等模型。流場(chǎng)空間采用四面體網(wǎng)格離散，網(wǎng)格數(shù)量180多萬。

數(shù)值計(jì)算中，入口給定風(fēng)速恒定的速度入口邊界，合速度大小為2m/s，送風(fēng)溫度為 17℃， 送風(fēng)角度分別為 45°、70°、90°，如圖1(b)所示；出口設(shè)為自由出流邊界；墻壁、地面及天花板壁面為無滑移墻面，采取零熱流條件，即絕熱邊界；房間初始溫度為310.16k（即37℃）。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算模型及邊界條件示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

為簡化問題，作如下假設(shè)：（1）房間內(nèi)空氣低速流動(dòng)，視為不可壓縮流體；（2）空氣在室內(nèi)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；（3）忽略四周墻壁的輻射量；（4）不考慮四周墻壁的漏風(fēng)影響，認(rèn)為房間氣密性良好。

數(shù)值計(jì)算采用k-ε湍流模型，k-ε湍流模型是工程上常用的一種渦粘性模型，它和代數(shù)模型的主要差別是k-ε湍流模型的渦粘性系數(shù)μt包含了部分歷史效應(yīng)，將渦粘性系數(shù)和湍流動(dòng)能與湍流動(dòng)能的耗散率聯(lián)系在一起，具體的方程見參考文獻(xiàn)[6]。

2 結(jié)果與分析

為了清楚描述吊頂處空調(diào)不同送風(fēng)角度下，室內(nèi)氣流分布的情況，取剖面y=0分析各送風(fēng)角度下室內(nèi)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布。如圖2（a）和（b）所示，在送風(fēng)角度為 90°時(shí)，入流空氣送至左側(cè)，在左側(cè)墻上受到阻礙，并向下流動(dòng)與出風(fēng)口形成對(duì)流，與左側(cè)熱空氣混合降溫；氣流在房間右下方回旋成較大的低速漩渦。而70°送風(fēng)角度情況下，由于角度偏下，部分入射氣流碰右墻后向上流動(dòng)，而向下流動(dòng)與出風(fēng)口對(duì)流的流速相對(duì)較低，導(dǎo)致冷風(fēng)送風(fēng)強(qiáng)度不足，該工況下室內(nèi)左下及下部區(qū)域冷空氣未能與熱空氣充分混合降溫，左側(cè)大部分區(qū)域溫度302K以上，未達(dá)到較好的降溫效果。在送風(fēng)角度45°時(shí)，入流氣流向房間中部送，在入流兩側(cè)分別形成漩渦，其中右側(cè)漩渦回旋速度較高，使氣流向右送并與右側(cè)熱空氣混合降溫，整體降溫情況比其他兩種情況好。但該情況下低溫區(qū)集中在房間中下部人活動(dòng)頻繁區(qū)域，且氣流流速較高，會(huì)影響室內(nèi)舒適度。

圖2 各吹風(fēng)角度下y=0剖面速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)

為了進(jìn)一步分析不同送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)舒適度的影響，取z=0.8m截面進(jìn)行速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析。從圖3中可以看出，送風(fēng)角度為90°和70°情況下，右墻附近溫度均最低，這是由于右墻周圍流速較高，熱空氣可得到充分的降溫。送風(fēng)角90°情況下，0.8m高度截面溫度分布較均勻，溫度范圍在27℃至30℃范圍內(nèi)，大部分區(qū)域風(fēng)速小于0.1m/s。送風(fēng)角70°時(shí)，截面整體風(fēng)速較90°情況下小，但由于風(fēng)速較小，送風(fēng)能力較小，左側(cè)大部分區(qū)域溫度范圍在302.5K以上。送風(fēng)角度45°時(shí)，參考平面中部出現(xiàn)局部低溫，且風(fēng)速高于0.5，不滿足舒適度要求。

對(duì)各送風(fēng)角度工況下，對(duì)z=0.8截面對(duì)溫度和速度取平均后得到：送風(fēng)角度分別為90°、70°和45°下，參考平面平均溫度分別為301.56K、302.15K和301.58K,平均速度分別為0.13m/s、0.11m/s和0.10m/s?？芍卮咕€送風(fēng)角度越小，水平切面平均風(fēng)速越小。三種情況下，參考平面均達(dá)到了降溫要求，但送風(fēng)角度越小，送風(fēng)氣流向地面方向送風(fēng)，會(huì)在房間中部人活動(dòng)區(qū)出現(xiàn)局部低溫和較大風(fēng)速區(qū)，不滿足舒適度要求。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)夏季中央空調(diào)房間吊頂安裝側(cè)送下回氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬，分析、比較計(jì)算結(jié)果，得出該方式不同送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響，結(jié)論如下：

（1）送風(fēng)角度為45°或更小時(shí)，入流氣流向地面送風(fēng)，會(huì)使冷風(fēng)集中在室內(nèi)中部，出現(xiàn)局部低溫和較大風(fēng)速區(qū)，且使熱空氣在對(duì)流過程中產(chǎn)生較多漩渦，影響室內(nèi)舒適度。

圖3 各吹風(fēng)角度下z=0.8剖面速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)

（2）送風(fēng)角度在90°或70°時(shí)，入流氣流通過端墻的阻擋，沿端墻與出口形成對(duì)流，使房間溫度和速度分布更均勻。

（3）送風(fēng)角度在90°時(shí)，降溫效率較 70°情況高。

總之，在實(shí)際工程應(yīng)用中，綜合考慮房間布局與空調(diào)進(jìn)出口安裝位置，選擇合理的送風(fēng)角度，對(duì)提高空調(diào)效率，空調(diào)房間內(nèi)舒適度有重要意義。

［1］王敬歡,黃虎,張進(jìn)賢,等.空調(diào)房間不同送風(fēng)角度的數(shù)值模擬[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版,2011(02)：53-57.

［2］鐘武.夏季辦公室空調(diào)房間氣流組織的數(shù)值模擬[J].制冷與空調(diào),2011(03)：304-308.

［3］江海斌,宋新南,張國芳,等.分層空調(diào)氣流組織的CFD模擬研究[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2008(02)：91-94+116.

［4］仉洪云,陳次昌,魏存祥,等.空調(diào)送風(fēng)角對(duì)辦公室氣流組織影響的數(shù)值研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2008(04)：52-55.

［5］王健敏,陳鳳娟,栗艷.辦公室低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織研究[J].暖通空調(diào),2008(04)：90-92+124.

［6］Fluent Inc.FLUENT User’s Guide[Z],2006.