某空調(diào)辦公室不同氣流組織形式的模擬分析

鮮沐希 牛彥旭 王 倩 田亞男 李雙燕

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

某空調(diào)辦公室不同氣流組織形式的模擬分析

鮮沐希 牛彥旭 王 倩 田亞男 李雙燕

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

以數(shù)值傳熱學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)，利用GAMBIT軟件建立了三種典型氣流組織形式(A同側(cè)上送下回、B異側(cè)上送下回、C頂送側(cè)回、)的物理模型.運(yùn)用FLUENT軟件對室內(nèi)氣流組織進(jìn)行了三維數(shù)值模擬并分析比較了三種氣流組織下室內(nèi)溫度場，速度場的數(shù)值模擬結(jié)果.結(jié)果顯示：A模型的熱舒適感優(yōu)于B、C模型.

氣流組織；計(jì)算流體力學(xué)；室內(nèi)空氣環(huán)境

0 引 言

CFD(Computational Fluent Dynamics)是建立在經(jīng)典流體力學(xué)和數(shù)值計(jì)算方法上的一門新型獨(dú)立學(xué)科，它兼有理論性和實(shí)踐性的雙重特點(diǎn)，為現(xiàn)代科學(xué)中許多復(fù)雜流動與傳熱問題提供了有效的解決辦法.由于同側(cè)上送下回、異側(cè)上送下回、頂送側(cè)回為比較典型的氣流組織形式，本文利用CFD方法針對辦公室內(nèi)的這三種氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析比較.

1 氣流組織的介紹

1.1 氣流組織概念

狹義的氣流組織指的是上(下、側(cè)、中)送上(下、側(cè)、中)回或置換送風(fēng)、個性化送風(fēng)等具體的送回風(fēng)形式，即氣流組織形式；廣義的室內(nèi)氣流組織，是指一定的送風(fēng)口形式和送風(fēng)參數(shù)所帶來的室內(nèi)氣流分布.氣流組織設(shè)計(jì)的目的就是合理的組織室內(nèi)空氣的流動和分布，使室內(nèi)工作區(qū)空氣的溫度、濕度、風(fēng)速和潔凈度能更好地滿足室內(nèi)人員的舒適感要求.只有合理的氣流組織才能充分發(fā)揮送風(fēng)的冷卻和加熱作用，均勻地消除室內(nèi)的冷(熱)、濕負(fù)荷，并有效的排除有害物和懸浮在空氣中的灰塵,以滿足室內(nèi)人員對新鮮空氣的需求.

1.2 典型氣流組織形式

氣流分布的流動模式取決于送風(fēng)口和回風(fēng)口位置、送風(fēng)口形式等因素.其中送風(fēng)口(它的位置、形式、規(guī)格、出口風(fēng)速等)是氣流分布的主要因素.在實(shí)際工程中，常用的氣流組織形式有：側(cè)送側(cè)回、上送下回、上送上回、下送上回等.本文討論的氣流組織形式為同側(cè)上送下回、異側(cè)上送下回、頂送側(cè)回.

2 物理模型及數(shù)學(xué)模型的建立及簡化

2.1 物理模型的建立

本文以河北建筑工程學(xué)院能環(huán)樓某辦公室為研究對象，辦公室長×寬×高=7.2 m×7.8 m×3 m.窗戶朝南，窗戶尺寸1.5 m×1 m,距離地面0.9 m.總冷負(fù)荷4.79 KW，送風(fēng)溫度18，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26.模型A、B送風(fēng)口尺寸500 mm×250 mm，風(fēng)速3.98 m/s.回風(fēng)口尺寸630 mm×200 mm.模型C送風(fēng)口尺寸400 mm×400 mm，送風(fēng)速度3.88 m/s(見圖1).

表1 三種氣流組織形式的風(fēng)口尺寸和位置

圖1 物理模型

2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

為簡化模型減少計(jì)算量，對實(shí)際室內(nèi)氣流做如下假設(shè)：

(1)連續(xù)性的介質(zhì)；(2)房間的流場為定常流(無外部氣流干擾)；(3)空氣為不可壓縮流體；(4)不考慮通過窗戶的太陽輻射；(5)門、窗密閉性良好，不考慮漏風(fēng)的影響.

根據(jù)實(shí)際情況采用的計(jì)算方法是Launder和Spalding等提出的k-ε雙方程模型.模型的控制方程為：

(1)連續(xù)性方程.

(1)

式中：ui為xi方向的時(shí)均速度，m/s.

(2)動量方程.

(2)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；P為靜壓,pa；τij為應(yīng)力張量；ρgi為i方向的體積力,N/m3；Fi為由熱源等引起的源項(xiàng).

式中：μ為運(yùn)動粘度，Pa/s.

(3)能量守恒方程.

(3)

式中：keff=k+kfr為有效導(dǎo)熱系數(shù)；Jf是組分j的擴(kuò)散流量，方程右邊的前三項(xiàng)分別為導(dǎo)熱項(xiàng)、組分?jǐn)U散項(xiàng)和粘性耗散項(xiàng)；Sh是化學(xué)反應(yīng)熱和其他體積熱源.

(4)湍流動能K方程

(4)

(5)湍流動能耗散率ε方程

(5)

式中：C1ε=1.44，C2ε=1.92.

2.3 邊界條件

表2 邊界條件的設(shè)定

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 FLUENT數(shù)值模擬結(jié)果

圖2至圖7為Y=0 m截面上三種氣流組織的溫度分布與速度分布圖.

圖2 Y=0時(shí)的溫度分布圖(A)圖3 Y=0時(shí)的速度分布圖(A)

圖4 Y=0時(shí)的溫度分布圖(B)圖5 Y=0時(shí)的速度分布圖(B)

圖6 Y=0時(shí)的溫度分布圖(C)圖7 Y=0時(shí)的速度分布圖(C)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

對于模型B同樣采用雙層百葉風(fēng)口異側(cè)上送下回方式.B與A相比，由于回風(fēng)口的位置布置在異側(cè)墻下方，工作區(qū)在回流和渦流區(qū)中.相較于A模型，射流方向的兩側(cè)的遠(yuǎn)角有明顯的渦流區(qū)，且在渦流區(qū)氣流速度太小，擾動小，很容易形成死角，通風(fēng)效率低.溫度混合較A模型差，在風(fēng)口附近有吹冷風(fēng)感，在死角處有過熱感.人的熱舒適度有所影響.

對于模型C采用方形散流器頂送兩側(cè)回的方式，風(fēng)速3.88 m/s.氣流由方形散流器垂直射入室內(nèi)，受浮升力及射流不斷卷吸周圍空氣的影響，射流速度不斷減小，受到地面阻礙后轉(zhuǎn)向兩側(cè)流動.由于辦公室南墻室外溫度比北墻高，從模擬圖可以看出射流的北部比南部溫度低，溫度混合不均，并且在屋頂中央的送風(fēng)口下方的氣流速度比周圍的大得多，使室內(nèi)人員有明顯的吹風(fēng)感.

表3 不同氣流組織形式下的溫度效率

4 結(jié) 語

本文運(yùn)用Gambit和Fluent對河北建筑工程學(xué)院能環(huán)樓某研究生辦公室進(jìn)行了常見的三種夏季空調(diào)氣流組織模擬，通過數(shù)值模擬可以直觀的看出房間內(nèi)各處的溫度和速度分布，進(jìn)而選出最優(yōu)的送風(fēng)方式.不同的氣流組織形式，溫度效率和熱舒適感存在差異，因此選擇合適的氣流組織形式具有十分重要的意義.結(jié)果顯示：模型A氣流組織形式對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響優(yōu)于其他兩組.

[1]朱紅鈞.FLUENT15.0流場分析實(shí)戰(zhàn)指南[M].人民郵電大學(xué)出版社,2015.1

[2]余華兵，等.FLUENT14.5流場分析從入門到精通[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2014.8

[3]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊第二版[M].中國建筑工業(yè)出版社

[4]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),2011,6,25(3):304～308

[5]胡平放，蔡芬.氣流組織形式對室內(nèi)空氣環(huán)境影響的數(shù)值模擬[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006，6，23(2):28～31

TheSimulationAnalysisoftheDifferentAirflowDistributioninAir-conditioningOffice

XIANMu-xi,NIUYan-xu,WANGQian,TIANYa-nan,LIShuang-yan

(Hebei Institute of Actecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000)

Based on the numerical heat transfer theory and computational fluid dynamics,using GAMBIT software,three typies physical models of airflow organization forms were set up(A up send and down return on the same side,B up send and down return on the opposite side,C top send and side return).Using FLUENT software,the three-dimensional numerical simulation was carried out to analyze and compare the indoor air distribution,and the indoor temperature field.The numerical simulation results showed that the thermal comfort of A model is better than that of B and C.

airflow distribution;computational fluid dynamics;indoor air environment

2017-04-06

鮮沐希(1993-)，女，在讀碩士研究生，研究方向：空氣流場.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.03.011

TU85

A