變截面風管空調(diào)房間氣流組織的數(shù)值模擬

金莎，沈愜，孫大明?，張學軍

（1-浙江大學能源工程學院，浙江杭州 310027；2-長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

空調(diào)房間的氣流組織，是指確定合適的送（回）風口形式、位置、規(guī)格、數(shù)量和送（回）風風量、風速、溫度等參數(shù)[1]。這些參數(shù)是影響室內(nèi)的空調(diào)效果，關系著房間工作區(qū)的溫濕度基數(shù)、精度及區(qū)域溫差、工作區(qū)的氣流速度和清潔程度以及人們舒適感覺的重要因素，成為空氣調(diào)節(jié)和工程設計的重要環(huán)節(jié)[2]。氣流組織分布規(guī)律的傳統(tǒng)研究采用模型實驗方法，但隨著計算機技術的發(fā)展，利用流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）進行數(shù)值模擬求解的方法有了很大的發(fā)展，它具有成本低、速度快且可模擬各種不同工況等優(yōu)點[3-6]。

室內(nèi)孔板送風方式多用于對室內(nèi)溫度、濕度、潔凈度和氣流分布均勻性有精度要求的空調(diào)系統(tǒng)中[7]。國內(nèi)對孔板送風的研究傾向于孔板送風口研究，趙彬等[8-9]在2002年將N點風口模型用于數(shù)值模擬室內(nèi)空氣流動的孔板類風口入流邊界條件，其模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)能滿足工程上的使用要求，在2003年將N點風口模型應用于采用孔板風口送風的潔凈室氣流組織模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，驗證了該模型使用的正確性；徐旭等[10]、丁國良等[11]和肖德玲等[12]對圓柱面孔板的阻力特性進行數(shù)值模擬，并擬合出其阻力特性隨開孔率變化的曲線，得出了圓柱面孔板與平面孔板送風末端兼有的管路流量分配和阻力特性；國外SAMADIANI等[13]和ARGHODE等[14-15]研究了增壓管和孔隙率對采用孔板送風的計算機房氣流組織影響，并對不同模型的優(yōu)劣進行研究，發(fā)現(xiàn)MBF模型能在保證預測準確前提下減小計算工作量。

為了解孔板對流場的作用及不同送風量下孔板送風流場特征，本文采用CFD方法，對10 m×10 m×4 m的房間氣流組織進行有無孔板的對比，以及1倍設計風速和2倍設計風速比較，總結(jié)各自不同的氣流組織特點，為空調(diào)設計提供依據(jù)。

1 模型建立

1.1 物理模型

采用fluent前處理軟件，對房間尺寸為10 m×10 m×4 m進行建模，模型一為有孔板的空調(diào)房間物理模型，孔板在高度為3 m處，如圖1所示。模型二為無孔板的空調(diào)房間物理模型。其中風管各截面面積分別為0.45 m×0.45 m、0.4 m×0.4 m、0.32 m×0.32 m和0.22 m×0.22 m，風管布置于房間的中間，將風口布置于風管的兩側(cè)，風口面積分別為0.45 m×0.3 m、0.4 m×0.3 m、0.32 m×0.3 m和0.22 m×0.3 m，且3個回風口分布在回風墻上，面積為0.6 m×1.0 m。

1.2 邊界條件設置

對模型的邊界條件設置進行如下假設：

1）傳熱計算主要考慮流體的內(nèi)部傳熱，外表面?zhèn)鳠峋O定為恒熱流；

2）房間內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)的湍流流動，相應選用κ-ε湍流模型進行模擬；

3）房間內(nèi)空氣為不可壓縮氣體，且認為密度是恒定值；

4）送風口為射流參數(shù)均勻的速度入口，回風口為自由出流；

5）假設空氣的濕度對室內(nèi)氣流組織無影響；

6）孔板層采用porous-jump邊界條件。

圖1 物理模型示意圖

2 模擬結(jié)果分析

房間送風量按換氣次數(shù)計算，一般采用的換氣次數(shù)為(8～12)次/h，本文選擇10次/h為設計工況，因此設計送風量為4,000 m3/h，實際中通過末端調(diào)節(jié)閥來控制每個風口的出風量，以保證每個送風口風量一致，各風口的速度入口條件根據(jù)各送風口的面積計算得出。分析時，以離孔板0.5 m的兩個平面z=2.5 m和z=3.0 m進行風速均勻性比較，并統(tǒng)計了高度方向2.5 m～3.5 m間隔0.1 m的每個平面的面平均風速，以了解孔板前后速度變化情況。

模擬中采用的送風孔板厚度為dx為0.01 m，孔隙率Φ為25%，其壓力跳躍系數(shù)C2為3,902，采用如下公式(1)[16]計算：

式中：

dx——送風孔板厚度，m；

C2——壓力跳躍系數(shù)，m-1；

φ——孔隙率。

本文對氣流組織的評價采用均勻性系數(shù)δ[17]，它是在概率統(tǒng)計中反應組內(nèi)個體間離散程度的速度標準差與面平均速度的比值，值越小，說明流場速度之間的差別越小，流場均勻性越好，計算公式如式(2)：

式中：

δ——均勻性系數(shù)；

vi——速度，m/s；

——面平均速度，m/s。

2.1 模型一在設計風量下的模擬結(jié)果分析

模型一在設計風量條件下平面z=2.5 m和平面z=3.5 m處的速度矢量圖，如圖2所示。從圖中可以看出，平面z=3.5 m的速度場受到送風口影響，其速度存在一些局部速度較大的區(qū)域，造成該平面的均勻性差，而平面z=2.5 m的速度場因經(jīng)過孔板層，相比于平面z=3.5 m的均勻性有一定程度的提高。利用均勻性系數(shù)對該平面的均勻性進行分析，可以得到平面z=2.5 m處的δ值為0.233，平面z=3.5 m處的δ值為0.395，由此可見，經(jīng)過孔板之后，風速均勻性提高了0.162。

圖2 平面z=2.5 m和平面z=3.5 m的速度矢量圖

2.2 模型一在2倍設計風量條件下的模擬結(jié)果分析

模型一在2倍設計風量條件下平面z=2.5 m和平面z=3.5 m處的速度矢量圖，如圖3所示。從平面z=3.5 m的矢量圖可以看出，該平面存在明顯的回流，而平面z=2.5 m的速度場因經(jīng)過孔板層，相比于平面z=3.5 m的均勻性有一定程度的提高，但相比較于設計風量都有一定程度下降。利用均勻性系數(shù)對該平面的均勻性進行分析，可以得到平面z=2.5 m處的δ值為0.259，平面z=3.5 m處的δ值為0.534，由此可見，經(jīng)過孔板之后，風速均勻性提高了0.275，且提高程度較設計風量的0.162大。

圖3 平面z=2.5 m和平面z=3.5 m的速度矢量圖

2.3 模型二在設計風量下的模擬結(jié)果分析

模型二在設計風量條件下平面z=2.5 m和平面z=3.5 m處的速度矢量圖，如圖4所示。從平面z=3.5 m的矢量圖可以看出，該平面在墻壁附近存在明顯的回流，平面z=2.5 m也在靠近墻壁處有明顯的回流，但其流場均勻性較平面z=3.5 m處好。利用均勻性系數(shù)對該平面的均勻性進行分析，可以得到平面z=2.5 m處的δ值為0.414，平面z=3.5 m處的δ值為0.454，因沒有孔板，平面z=2.5 m處的流場均勻性比有孔板存在的情況要差，而與平面z=3.5 m相比，其均勻性比差別較小，僅差0.04，這是因為平面z=2.5 m處的速度密集程度比平面z=3.5 m處要好，但面平均速度較平面z=3.5 m處小。

圖4 平面z=2.5 m和平面z=3.5 m的速度矢量圖

2.4 模擬結(jié)果對比分析

各模擬條件下孔板附近的面平均速度變化情況，如圖5所示。圖中可以看出無孔板的變化曲線比較平緩，而有孔板存在時會在孔板層位置的速度斜率存在較大的變化，使得孔板上部區(qū)域的面平均速度較大、下部區(qū)域的面平均速度較小，有利于消除下部工作區(qū)域由于風速太大帶來的“吹風感”等不利因素?？装宓倪@種作用是因為它能對氣流產(chǎn)生一定的阻力，存在壓降，使得速度衰減較快，從圖中還可以看出，送風速度越大，阻擋作用越明顯。

圖5 各模擬條件下孔板附近平面的面平均速度

3 結(jié)論

孔板通過其阻擋作用，增加上部區(qū)域氣體速度，降低下部氣體速度來改善流場均勻性。本文通過對空調(diào)房間是否采用孔板及采用不同送風量情況進行模擬，可以知道孔板確實可以提高空調(diào)房間流場的均勻性，且隨著送風量的增大，孔板層的作用越明顯。由此可知，在設計中，對于流場均勻性要求較高且送風量較大的場合宜采用孔板送風的送風方式。

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