利用CFD軟件優(yōu)化設(shè)計時邊界條件的選擇分析

嚴樂 郭愛賓 鄧全亮 高維嘉

北京可視化智能科技股份有限公司

0 引言

計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件可有效地模擬計算流體的特性。由于其含有豐富的計算模型，能適應(yīng)較多場合，被越來越多地應(yīng)用到室外風(fēng)場模擬、暖通空調(diào)系統(tǒng)的深化設(shè)計中，是建筑設(shè)計階段的有力工具[1-5]。然而在利用CFD軟件進行深化設(shè)計時，邊界條件的確定至關(guān)重要，它直接影響了計算結(jié)果的合理性和準確性。

本文以北京某公司總部大樓的多個相連通的大廳為算例，首先，根據(jù)建筑的物理參數(shù)、夏季基礎(chǔ)空調(diào)設(shè)計參數(shù)、夏季空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案等，選取所要研究的物理模型及數(shù)學(xué)計算模型，借助CFD-FLUENT軟件對空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案溫度分布、速度分布及熱舒適性進行三維數(shù)值模擬研究。研究探討了不同邊界條件對氣流組織設(shè)計方案的結(jié)果影響，分析優(yōu)選出較為完善方案并將其應(yīng)用到實際工程中，然后，對所研究的高大空間會議廳進行現(xiàn)場實際測試，并將完善后的氣流組織模擬所得結(jié)果與實際測試結(jié)果作對比驗證，以期為實際暖通空調(diào)的深化設(shè)計提供邊界條件的選擇參考方法。

1 物理及數(shù)值模型

1.1 物理模型

本文以北京某公司總部大樓的多個相連通的大廳為算例（圖1），該連通大廳由3部分組成，即南廳、東北廳和西北廳，南廳由1層起，東北廳地下1層起，西北廳2層起，南廳和東北廳在1層相通，東北廳和西北廳在2層通過2組連廊相通。計算對象為此三部分大廳連通形成的內(nèi)部空調(diào)空間，該空調(diào)空間南北向最大尺寸為即90 m，東西向最大尺寸為58 m，高度方向最大尺寸為25 m。三個大廳頂部分別設(shè)有1組天窗。

圖1 多連通大廳物理模型圖

表1 多連通大廳6組送風(fēng)口參數(shù)

從空調(diào)設(shè)計角度，根據(jù)前期冷負荷計算，該空間共設(shè)置6個回風(fēng)口、6組送風(fēng)口，這6組送風(fēng)口的參數(shù)見表1：第一組設(shè)置在南廳南半部分（hall-downward），其頂部在每隔2m布置有55個20cm口徑的圓形射流風(fēng)口；第二組設(shè)置在南廳的北側(cè)墻面，為側(cè)送風(fēng)口（2F-sidewall1），共15個；第三組設(shè)置在南廳和東北廳連通的1樓頂部（1F-downward），每隔2m布置有22個20cm口徑的圓形射流風(fēng)口；第四組設(shè)置在東北廳和西北廳的2組連廊底部（CB-downward），共14個；第五組設(shè)置在2組連廊側(cè)面（CB-sidewall），共28個；第六組設(shè)置在西北廳的西側(cè)墻面（2F-sidewall2），共21個。

1.2 計算模型

本算例中的數(shù)學(xué)模型模擬計算采用k-ε兩方程紊流模型。在夏季，通過該大廳頂部的三組天窗的輻射傳熱和導(dǎo)熱形成的冷負荷為主要組成部分，CFD-Fluent軟件提供了四種不同的熱輻射模型（表2），本算例選取DO模型，以得到更準確的計算結(jié)果。

表2 四種熱輻射模型特點

表3 物理參數(shù)

表4 天窗熱物性參數(shù)

本算例計算夏至日室內(nèi)的空氣情況，在采用DO模型進行計算時，需要算例所處地點時間的太陽輻射照度、角度、經(jīng)緯度及時區(qū)等，本算例位于北京，夏至日時外界參數(shù)如表3所示。

2 不同邊界條件的分析

2.1 邊界條件1

送風(fēng)18℃，連廊向下風(fēng)口45°角對吹，回風(fēng)自由出流，該廳四周房間為空調(diào)區(qū)域，故模擬計算時為絕熱條件，南廳南墻和北廳北墻選擇建筑設(shè)計節(jié)能規(guī)范中的墻壁厚度和傳熱系數(shù)，計算結(jié)果如圖2～6所示，可以看出，南廳距地面1.5 m高度速度場較為合理，但東北廳相距地面1.5 m高處的速度分布不均勻，并且局部過大，會有不適感。從溫度場來看，東北廳連廊處溫度較高。

圖2 南廳1.5 m高處速度場

圖3 東北廳B1層-4.5 m高處速度場

圖4 東北廳連廊處剖面速度矢量圖

圖5 1.5 m高處溫度場

圖6 東北廳連廊處剖面溫度場

2.2 邊界條件2

與邊界條件1相比，邊界條件2中，所有結(jié)構(gòu)參數(shù)參考節(jié)能規(guī)范，南、北墻為玻璃幕墻，加載人員發(fā)熱量，使得邊界條件的選取更接近實際，并且為了解決case1中溫度速度不均的問題，調(diào)整連橋處送風(fēng)方向為45°相背向外，圖7～11為計算結(jié)果。

圖7 南側(cè)玻璃幕墻加載前后南廳地面溫度對比

圖8 連廊送風(fēng)角度調(diào)整前后大廳剖面度度場對比

圖9 西北廳剖面速度場

圖10 大廳剖面溫度場

圖11 三個廳相對高度1.5m溫度場

從圖7中可以看出，當(dāng)南墻改為玻璃幕墻后，南廳近玻璃幕墻且為太陽投射地面處溫度明顯有所升高，廳內(nèi)人員活動區(qū)域溫度分布較為均勻但稍高；圖8對比了連廊送風(fēng)角度調(diào)整前后大廳剖面度度場，可看出，調(diào)整送風(fēng)角度向外后人員活動空間速度分布更為均勻合理，并且從圖9可看出西北廳剖面速度場也較為合理；圖10為東北廳、西北廳兩廳東西向大廳剖面溫度場，人員活動空間溫度在26～29℃，整體剖面溫度分層現(xiàn)象明顯；圖11位三個廳相對高度1.5 m處的溫度場，為20～29℃，平均溫度26℃，在可接受的范圍之內(nèi)。

3 實測驗證

2016年7月，也是算例中總部大樓運行第一年，本文筆者組織測試人員對該大連通大廳進行了溫度的實測（邊界條件與case2相同，對應(yīng)圖11，約每隔10 m見方，共選擇50個溫度實測點，實測與計算結(jié)果對比如圖12），結(jié)果表明，溫度的實測結(jié)果和計算結(jié)果吻合度較高，說明了邊界條件選擇準確時，模擬計算結(jié)果的準確性更高。

圖12 實測與計算的溫度對比圖

4 結(jié)論

1）CFD中熱輻射模型的DO模型對小尺度到大尺度輻射計算都適用，且可計算非－灰度輻射和散射效應(yīng)，現(xiàn)今的計算機能力可以適應(yīng)稍微大的計算量。在計算時，需要的參數(shù)較多，但參數(shù)選擇準確時，計算結(jié)果也更為準確；

2）通過對本工程夏季空調(diào)工況下實測值和數(shù)值模擬數(shù)值的對比分析，可以驗證CFD數(shù)值模擬技術(shù)的可靠性，并證明CFD Fluent軟件能夠為高大空間類建筑空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計、預(yù)測氣流組織分布、評價熱舒適指標等。

3）一個良好的氣流組織和送風(fēng)的角度密不可分，本文通過對不同送風(fēng)角度的氣流組織型式進行數(shù)值模擬并定性分析，選定比較合理的氣流組織方案，為實際工程設(shè)計提供有利參考；

4）通過兩種邊界條件的計算對比，可看出在利用CFD Fluent軟件進行深化設(shè)計時，邊界條件的選擇一定要越接近實際越好，越可以準確輔助設(shè)計人員進行空調(diào)的優(yōu)化設(shè)計。本算例提供的一系列參數(shù)可以為實際暖通空調(diào)的深化設(shè)計提供邊界條件的選擇參考。可以預(yù)測，在實際運行中，基于CFD Fluent軟件和準確的邊界條件的加載，能夠更好地預(yù)測空調(diào)運行狀態(tài)對空間舒適度的改變，以指導(dǎo)系統(tǒng)更合理、更節(jié)能運行。