某房間空調(diào)冬季工況模擬研究

羅霄　王英

摘 要：應(yīng)用CFD技術(shù)，以k-ε方程為基礎(chǔ)，對某房間氣流在冬季工況條件下進行三維模擬計算，再對結(jié)果進行分析，依據(jù)通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)在冬季工況下的標(biāo)準，對室內(nèi)氣流速度進行評判。

關(guān)鍵詞：速度矢量；流體動力學(xué)；數(shù)值模擬

計算流體動力學(xué)簡稱CFD，是指運用流體動力學(xué)的基本原理，通過建立數(shù)學(xué)物理模型，根據(jù)提供的合理的邊界條件和參數(shù)，對空調(diào)區(qū)域內(nèi)氣流的速度場、溫度場、壓力場等進行模擬計算。而室內(nèi)空氣的速度場、溫度場又是研究空調(diào)房間室內(nèi)氣流組織設(shè)計及空調(diào)房間室內(nèi)舒適環(huán)境評價的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)，研究人員對室內(nèi)氣流研究主要集中在夏季對房間內(nèi)空調(diào)制冷進行數(shù)值模擬，現(xiàn)本文以某房間冬季空調(diào)為模型，在考慮宿舍外界氣溫以及圍護結(jié)構(gòu)及其熱工性能、空調(diào)系統(tǒng)的制冷、室內(nèi)人員的散熱量等條件的基礎(chǔ)上，對室內(nèi)的氣流進行了數(shù)值模擬。

1 數(shù)值模擬的物理模型（右圖）

2 數(shù)學(xué)模型

為了簡化問題，作如下假設(shè)：（1）室內(nèi)空氣低速流動，可視為不可壓縮流體；（2）流動為穩(wěn)態(tài)流動；（3）不考慮門和窗的影響（即門在關(guān)閉的狀態(tài)下，該房間沒有窗）；（4）不考慮漏風(fēng)影響，認為房間氣密性良好。

在上述假設(shè)下，速度和溫度變量的控制方程如下：

邊界條件如下：（1）入口邊界：速度出口邊界條件：溫度為 23℃，速度為 1.37m/s。（2）出口邊界：使用outflow邊界條件。（3）壁面邊界：室內(nèi)壁面邊界條件設(shè)為對流換熱邊界，外流體溫度為8 ℃，換熱系數(shù)0.89W/m2℃；屋頂邊界條件設(shè)為對流換熱邊界，外流體溫度為8℃，換熱系數(shù)0.9W/m2℃；地面邊界條件設(shè)為絕熱面；電視機設(shè)為常熱流邊界，經(jīng)換算后熱流密度分別為 111.11W/m2；燈設(shè)為常熱流邊界條件，經(jīng)換算后熱流密度為166.67W/m2。人體簡化為柱形，設(shè)為常熱流邊界條件，熱流密度為25.97W/m2；壁面均選用無滑移壁面邊界條件。

3 計算模型和算法

（1）使用紊流模型，選用κ-εstandard兩方程模型。（2）網(wǎng)格劃分：模型網(wǎng)格劃分數(shù)目為338524。（3）差分格式選用混合格式：求解方法為 SIMPLE算法；迭代次數(shù)為360步。（4）收斂判據(jù)：殘差足夠小，達到收斂判定條件。

4 室內(nèi)氣流組織與溫度狀況分析

進風(fēng)口的設(shè)定 T =23 ℃，V =1.37 m/s ；工況送風(fēng)溫度T =23 ℃，送風(fēng)速度 V =1.37 m/s 時，典型面上溫度、速度分布如圖1～8所示。從圖中可以看出熱空氣從空調(diào)送風(fēng)口送入，在浮升力作用下上升，卷吸室內(nèi)氣，被冷卻逐漸下沉。

底部氣流單向流動，在上部送風(fēng)口附近送風(fēng)的溫度達到了室內(nèi)溫度的最大值 23 ℃，上部為主要的回流部分。距地板 0.8 m 的平面上，距風(fēng)口越遠風(fēng)速越小。

在靠近左右墻壁以及室內(nèi)物體壁面處附近風(fēng)速比中部大，整個工作區(qū)內(nèi)風(fēng)速均小于0.105m/s，室內(nèi)工作區(qū)基本不會產(chǎn)生由吹風(fēng)感，引起不適。能夠滿足房間舒適區(qū)的要求。

通過各斷面的溫度云圖可以發(fā)現(xiàn)：從圖2可以看出，電視機邊界背風(fēng)面溫度高，在38.1℃到38.6℃，其他邊界面在27.8℃到到30.8℃之間；人體邊界空氣溫度在22℃到22.6℃之間；燈具邊界溫度在34.5℃到35℃之間，周圍空氣溫度在23.5℃到24℃之間；除此之外，房間內(nèi)其他處的溫度分布大部分較為均勻，在21.4℃到22℃之間，空調(diào)器工作良好。

墻體邊界面的溫度分布，電視機和桌子遮擋空調(diào)熱風(fēng)吹送，靠近電視機和桌子的墻體邊界面溫度最低，在15.1℃到15.6℃之間，其他墻體邊界面則在20.3℃到20.8℃之間。由于電視機和桌子的遮擋，y=0墻體和桌子、電視機之間溫度較低，在19.3℃到19.8℃之間燈和電視機的熱流密度較大，溫升影響的范圍也要大，相比較而言，人體的熱流密度小，他影響溫升的范圍相比較而言也要小。

5 結(jié)論

針對空調(diào)房間，利用κ-εstandard湍流模型對房間的室內(nèi)溫度場和速度場進行了模擬。通過對模擬結(jié)果的分析，可得出以下結(jié)論：（1）當(dāng)空調(diào)器出風(fēng)速度為1.37m/s時，整個工作區(qū)內(nèi)風(fēng)速均小于0.105m/s，室內(nèi)工作區(qū)基本不會產(chǎn)生由吹風(fēng)感，引起不適。能夠滿足房間舒適區(qū)的要求。（2）房間工作區(qū)間溫度分布大部分較為均勻，在21.4℃到22℃之間，空調(diào)器工作良好。（3）物體背風(fēng)側(cè)由于空調(diào)風(fēng)不能直接送達，溫度較低。（4）這種空調(diào)器下側(cè)水平出風(fēng)、上部風(fēng)口回風(fēng)的送風(fēng)方式可以得到比較理想的溫度場、速度場，并且在人員活動區(qū)域人體感覺比較舒適。

參考文獻

[1] 彥啟森，趙慶珠.建筑熱過程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 1991.14-20.

[2] B.E Lander，D.B Splalding，The numerical computation of turbu-lent flows，Computer methods in applied mechanics and engineer-ing，1974.

[3] 趙榮義.空氣調(diào)節(jié)（第三版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994. 46-50.