體育館大空間氣流組織分布仿真模擬研究

張峰 尹培中

摘要：CFD技術(shù)在暖通行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)成為了目前建筑業(yè)的主流應(yīng)用，本文主要針對體育館中CFD技術(shù)的應(yīng)用做了一些細(xì)致的探討，CFD技術(shù)的實際應(yīng)用是要根據(jù)實際作用場地的客觀要求來進(jìn)行暖通設(shè)計的。針對科技館的特點，人流量多，占地面積大，在實際的應(yīng)用過程中應(yīng)該采取采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，目前這種特殊的組織機(jī)構(gòu)的CFD模型，空氣流動量大，該控制空氣流動性。保證了工程的施工質(zhì)量等等問題等都在下文中提出了細(xì)致的探討。

關(guān)鍵詞：CFD；連通高大空間；氣流組織；模擬研究

高大空間的氣流組織情況是一個重點難點，這種情況在很久之前就有前人做出過細(xì)致具體的研究，然而，之前的研究問題僅僅是針對單一的高大空間氣流組織問題，通過近幾十年的研究，這種問題解決起來也比較得心應(yīng)手，然而，由于我國的土地資源和人口數(shù)目的限制，一些地區(qū)使用了高大空間貫穿的方式來節(jié)省空間，但是，這種高大空間的貫穿體的暖通問題有待于解決，相對于之前的單一高大空間的氣流組織問題，這種新問題的出現(xiàn)需要我國加大研究力度。

在中國科學(xué)技術(shù)新館空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計人員遇到的最大的問題就是連通高大空間問題，冬季空調(diào)送暖風(fēng)時，在煙囪效應(yīng)的作用下，高度低的房間所送的暖風(fēng)會被其他高大空間拔吸走，致使通廊等區(qū)域的空調(diào)效果極差。針對此問題，本文通過數(shù)值模擬的方法來考察冬季工況下連通類高大空間氣流組織情況，來研究和分析各種實際問題的解決辦法，該如何解決這一類的問題，一般來講，高大建筑物的CFD技術(shù)的使用是一個重點難點，尤其是連通的高大建筑物，在實際的過程中，所遇到的各種問題我們都將要做出細(xì)致的探討，也為同類的建筑物的暖通問題交流一些經(jīng)驗，從而把CFD技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用進(jìn)行深化。

一、結(jié)構(gòu)分析

1.1空間的幾何模型。本文選取的是中國科技館的重點區(qū)域——暖通空調(diào)區(qū)域來進(jìn)行的主要探討，選取這一區(qū)域的主要的原因就是空氣流動性大，空間的連通范圍廣，研究起來比較有代表性，本論文選取由三個主人口處的集散廳，連接各個高大空間的通廊和中庭構(gòu)成的建筑物的核心部分作為研究對象，研究該空調(diào)區(qū)域的氣流組織分布情況。

1.2其中，一層集散廳的（西廳）的面積比較大1768m2，最高高度為862mk；一層集散廳（南廳） 542m，，最高高度38m；一層通廊1055m，，最高高度9.5m；一層集散廳（東廳）977m，，最高高度28.5m；二層中庭1 501m，最高高度28.5m。

三個集散廳和中廳通過通廊和自動扶梯相互聯(lián)通起來。內(nèi)部結(jié)構(gòu)中采用連通方連接到一起，這樣的結(jié)構(gòu)通風(fēng)順暢，節(jié)約能源，采用側(cè)送側(cè)回的送風(fēng)方式；西集散廳則采用頂送頂回的送風(fēng)方式；南集散廳則采用側(cè)送側(cè)回回風(fēng)方式；通廊采用頂送側(cè)回的送風(fēng)方式；中庭采用分層空調(diào)方式，設(shè)側(cè)送噴口。

1.3在環(huán)境壓力、溫度條件下回風(fēng)，這這影響因素都是影響通風(fēng)的原因；然而，東廳、西廳和南廳的玻璃幕墻和中庭玻璃屋面，以壁面為導(dǎo)體傳導(dǎo)熱能量，通風(fēng)口內(nèi)流動空氣，空氣的流動性受到了很大的考驗，將空氣的流動看做是水流，那么整個實驗的思路就明顯了許多。

首先，將不同形式的通風(fēng)口統(tǒng)一替換為條縫形式的通風(fēng)口，這種通風(fēng)口的形式比較普遍，為了更具有代表性，我們?yōu)榱烁唧w更有代表性的結(jié)論，統(tǒng)一采用條縫形式的通風(fēng)口。

風(fēng)口位置的選擇受到建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制，實際的過程中需要建筑，暖通，電氣和給排水四個大方面的研究。初步設(shè)計方案中，在各個集散廳和空調(diào)的設(shè)計中，風(fēng)變空調(diào)機(jī)組+末端混風(fēng)箱的空調(diào)系統(tǒng)最為普遍，這種系統(tǒng)的優(yōu)點可以大范圍的通風(fēng)，在普遍的發(fā)展中這種系統(tǒng)得到了較大范圍的推廣。

二、網(wǎng)格的劃分

2.1網(wǎng)格的劃分目前常見的網(wǎng)格有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與自適應(yīng)笛卡爾網(wǎng)格131。由于流人流出口對室內(nèi)空氣流場的重要作用，在網(wǎng)格生成時要盡可能準(zhǔn)確地反映流人流出的形狀和位置。

但因本物理模型開口較多，形狀比較復(fù)雜，將很難保證必要的網(wǎng)格數(shù)。同時本項研第27卷第2期劉朔等：連通類高大空間氣流組織數(shù)值模擬研究究關(guān)注的不是流入流出氣流本身的流動特性，而是整個流場的氣流、溫度分布，所以采取一定程度的簡化，如將圓形開口改為相同面積的方形開口；將大小相同的開口可以適當(dāng)合并等措施。另外流人口附近的氣流速度梯度很大，在這一區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行了更細(xì)密的布置。

三、送風(fēng)的影響因素

3.1送風(fēng)角度的把握也是一個關(guān)鍵的問題，選取一個最合適的送風(fēng)角度是暖通送風(fēng)的決定性因素之一，一旦沒有一個合適的通風(fēng)角度，風(fēng)量供給不夠，不能全面通風(fēng)。本節(jié)的主要內(nèi)容是分析在送風(fēng)量、送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度不變的情況下，側(cè)送風(fēng)口角度改變對整個空間氣流分布的影響。

我們以典型的通風(fēng)口，切面x=6.0m的通風(fēng)口來分析和研究來整個空間的溫度、速度分布情況。

在一般的冬季工況下，側(cè)送風(fēng)口的送風(fēng)角度對整個空間的影響較大，一般的來講，一個通風(fēng)管道的通風(fēng)口，會隨著通風(fēng)角度的增加，中庭的溫度也就隨之降低了；反之，如果想要中庭溫度升高，那么就要減少通風(fēng)口的角度；東面和南面是人活動區(qū)域，這一個區(qū)域的通風(fēng)問題，是整個通風(fēng)系統(tǒng)的主要問題，我們可以得出結(jié)論，隨著通風(fēng)口的角度的增加，我們發(fā)現(xiàn)人活動區(qū)的溫度隨之增加；反之，溫度降低；通過實驗，我們發(fā)現(xiàn)側(cè)送風(fēng)口角的改變對西廳的速度無明顯影響，其他各廳速度均有變化。綜上，我們可以知道，側(cè)通風(fēng)口的角度問題是可以影響整個連通建筑物的溫度問題的。

此外，我們要注意由于中庭上部是有機(jī)的玻璃屋頂。在冬季工況中，隨時會有冷空氣自上而下流動過來，此時把中庭的側(cè)送風(fēng)口角變小，可以有效地抑制冷空氣下沉。而西，南兩個方向的溫度此時也有明顯的變化，為了保證工程質(zhì)量，在冬季過程中，要減小側(cè)面通風(fēng)口的通風(fēng)角度。

四 實驗結(jié)論

通過對冬季工況下高大空間的數(shù)值模擬分析得出以下結(jié)果：

l）冬季工況下好大建筑物的連通體由于溫度梯度的存在，建筑物的上層的熱空氣很難輸送到下方，此時，建議采用在送風(fēng)口處加壓的方式來解決。

2）由于密度差的存在，冷空氣下沉熱空氣上浮，由于空氣混合不均勻，這種問題的產(chǎn)生是一個比較正常的現(xiàn)象，由于我們需要采用上下排氣的方法，那么這種情況就一定會出現(xiàn)。建議采用冷氣熱排的方法。

3）入口處不能用完全密封，所以冷空氣不斷的滲透滲入，入口處的溫度不斷的降低，.建議在大廳入口附近增加局部采暖措施。

4）由于空調(diào)區(qū)域的不合理安排，空氣的混合不均勻，溫度分區(qū)域，建議細(xì)分空調(diào)區(qū)域，對不同空調(diào)區(qū)域的風(fēng)量和送風(fēng)溫度進(jìn)行調(diào)整，靠近外區(qū)處增加送風(fēng)量。

五、結(jié)語

無論是科技館還是體育館，這種大型的高大連通體的暖通問題是一個重點問題，工作人員的舒適的工作環(huán)境，游客觀眾的舒適程度也是檢查暖通行業(yè)做的是否成功的一個準(zhǔn)則。目前我國的暖通行業(yè)有待于發(fā)展，所以，每一個企業(yè)更要保證自己的工程質(zhì)量，按照要求來做，社會才能更好。

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