渦流送風(fēng)室內(nèi)流場模擬分析

陳麗園 彭小勇 林豹

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

隨著人民生活水平的提高、社會經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，人們對室內(nèi)熱環(huán)境要求也越來越高[1]。良好的室內(nèi)熱環(huán)境不僅有益于人們的身心健康，還有助于提高工作效率[2]。通常情況下自然通風(fēng)舒適性較高，是人們普遍樂于接受的通風(fēng)方式，但在室外氣象參數(shù)不穩(wěn)定以及室外空氣品質(zhì)無法保證的情況下，改善空調(diào)末端的送風(fēng)方式不為一種重要的途徑。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，氣流的波動特性可以提高室內(nèi)人員的舒適性，其主要表現(xiàn)在增加冷感和室內(nèi)空氣的新鮮感，自然風(fēng)主要由自身的非定常特性給人舒適感，氣流的紊流特性對于舒適性送風(fēng)口的研究也具有重要意義[4]。

針對傳統(tǒng)的送風(fēng)方式及自然風(fēng)的特性，本課題將機(jī)翼用于送風(fēng)口，形成一種新的送風(fēng)方式（渦流送風(fēng)），當(dāng)風(fēng)流過機(jī)翼前緣時形成繞流，機(jī)翼的上下翼面會產(chǎn)生壓力差，導(dǎo)致流體的橫向流動，與流體相對機(jī)翼的縱向移動在脫離機(jī)翼后所合成的螺旋狀流動，誘導(dǎo)形成周期性的脫體渦。機(jī)翼尾緣產(chǎn)生非定常脫體渦使得尾流內(nèi)部流動有強(qiáng)非定常性。

1 物理模型及數(shù)值模擬方法

本文涉及室內(nèi)氣流流動屬低速不可壓縮湍流，應(yīng)用數(shù)值模擬方法探討渦流送風(fēng)口對室內(nèi)流場特性的影響，其中湍流模型應(yīng)用Spalatrt-Allmaras 模型，數(shù)值方法采用成熟的SIMPLE 算法。

2 機(jī)翼繞流流場數(shù)值模擬

2.1 物理模型

機(jī)翼繞流流場數(shù)值仿真計算域見圖1。流場上游來流0.05 m，下游尾流1 m，距離上下邊界各0.12 m，距離左右邊界各0.15 m，機(jī)翼展長0.1 m，弦長0.03 m，計算區(qū)域1.05 m×0.22 m×0.4 m。圖2 為機(jī)翼導(dǎo)流板，左側(cè)為導(dǎo)流板前緣，右側(cè)為導(dǎo)流板后緣。

圖1 物理模型

圖2 機(jī)翼導(dǎo)流板

2.2 計算模擬分析

1）邊界條件

設(shè)置入口為速度入口（Velocity-inlet），速度為5 m/s；出口為自由出流（Outflow）；上下壁面為無滑移固壁（Wall）；左右壁面為對稱面（Symmetry）。

2）網(wǎng)格劃分

本文采用ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了更準(zhǔn)確得出氣流經(jīng)過翼片后的流態(tài)變化，對風(fēng)口翼片周圍的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，其余部分網(wǎng)格以機(jī)翼為中心向各個方向以一定的增長率逐漸稀疏，全部網(wǎng)格都采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（圖3）。翼型導(dǎo)流板及周圍網(wǎng)格劃分采取了C 型網(wǎng)格、O 型剖分和Y 型剖分結(jié)合的處理方式，如圖4 所示。

圖3 機(jī)翼繞流網(wǎng)格

圖4 翼型導(dǎo)流板周圍塊劃分

3）結(jié)果分析

機(jī)翼繞流流線見圖5，在翼型導(dǎo)流板展向兩側(cè)氣流被誘導(dǎo)成兩個方向相反、對稱的脫體渦街。圖6 為渦街在YZ 面上的投影，從圖中可以看出流經(jīng)機(jī)翼導(dǎo)流板的氣流以螺旋的形式向下游擴(kuò)散且中心速度沿下游方向逐漸減小，整個渦街影響范圍在逐漸增大。

圖5 機(jī)翼繞流流線

圖6 機(jī)翼繞流流線YZ 面投影

4）網(wǎng)格無關(guān)系性驗證

網(wǎng)格疏密度會對數(shù)值計算結(jié)果產(chǎn)生很大影響，但并不是網(wǎng)格越密、數(shù)量越多越好，這樣會消耗大量的計算成本，并且當(dāng)網(wǎng)格數(shù)增加到一定量時，對模擬計算結(jié)果影響就很小了，排除了網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響，這時數(shù)值模擬結(jié)果才有意義。本文選取了三套不同網(wǎng)格數(shù)量及最小尺寸的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，網(wǎng)格具體信息如表1 所示。

表1 網(wǎng)格信息

取機(jī)翼后緣處，取X=0.1，Z=0.1，Y=0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35 五個點，以X 和Y 方向的速度為比較依據(jù)，以此來判斷網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果的影響大小。如圖7、8 所示為不同網(wǎng)格數(shù)量X 方向速度分布圖，從圖中可以看出三者結(jié)果基本一致，最大誤差為4.6%，因此可以忽略網(wǎng)格疏密度及數(shù)量對數(shù)值模擬計算結(jié)果的影響。為了節(jié)約計算成本，本研究之后的網(wǎng)格劃分最小尺寸取0.00075 m。

圖7 X 方向速度分布圖

圖8 Y 方向速度分布圖

3 渦流送風(fēng)室內(nèi)流場數(shù)值模擬

3.1 物理模型

室內(nèi)渦流送風(fēng)物理模型見圖9，該模型尺寸為3 m×2.6 m×2.8 m（長×寬×高），送風(fēng)口尺寸為0.7 m×0.2 m×0.4 m，回風(fēng)口尺寸為0.9 m×0.2 m，導(dǎo)流板展長0.3 m，弦長為0.03 和0.08 米兩種情況。送風(fēng)口距離室內(nèi)頂部0.5 m，回風(fēng)口距離地面0.3 m，導(dǎo)流板位于送風(fēng)口末端。

圖9 物理模型

3.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

1）邊界條件：風(fēng)口上下壁面及房間所有壁面均設(shè)置為無滑移固壁（Wall）；風(fēng)口左右壁面均設(shè)置為對稱面（Symmetry）；進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度入口（Velocity-inlet），風(fēng)速大小為3 m/s；回風(fēng)口設(shè)置為壓力出口（Pressure-outlet）。設(shè)置送風(fēng)速度為3 m/s；導(dǎo)流片角度與水平線夾角為-30°。

2）網(wǎng)格劃分：運(yùn)用ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對風(fēng)口翼片周圍的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，其余部分網(wǎng)格以機(jī)翼為中心向各個方向以一定的增長率逐漸稀疏，全部網(wǎng)格都采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，見圖10。

圖10 渦流送風(fēng)室內(nèi)流場網(wǎng)格

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)《民用建筑采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》舒適性空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)風(fēng)速夏季位0.3 m/s，冬季則小于0.2 m/s[5]。取室內(nèi)人員長期停留及活動區(qū)域內(nèi)風(fēng)速小于0.3 m/s 的區(qū)域為風(fēng)速舒適區(qū)。本文采取控制變量法進(jìn)行研究，據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱舒適評價標(biāo)準(zhǔn)》人坐姿時吹風(fēng)感測點位置為距地1.1 m，站姿時距地1.7 m。

導(dǎo)流片弦長Z 方向速度等值線云圖如圖11 所示。從圖中我們可以看出，靠近墻壁區(qū)域風(fēng)速較大，位于房間中間部位的風(fēng)速較小。Z=1.1 m 的平面平均風(fēng)速為0.365 m/s，在右側(cè)墻壁附近由于貼壁流出現(xiàn)高速區(qū)，最大速度為0.939 m/s，舒適區(qū)占整個區(qū)域面積的45%。Z=1.7 m 的平面平均風(fēng)速為0.397 m/s，墻壁附近最大速度為0.844 m/s，舒適區(qū)占比為38%。

圖11 Z 方向不同高度的速度等值線云圖

圖12 為不同速度大小的速度等值面圖，從圖中可以看出當(dāng)速度大于0.8 m/s 的分布區(qū)域很小且規(guī)整，僅在距送風(fēng)口一段距離、靠近墻面和回風(fēng)口附近很小的范圍。當(dāng)速度小于0.5 m/s 時，由于室內(nèi)流場受到四周墻壁以及回流的影響，使得速度等值面呈現(xiàn)不規(guī)則的分布，但所占區(qū)域較大。室內(nèi)平均風(fēng)速為0.473 m/s，最大風(fēng)速5.6 m/s，最大風(fēng)速僅在機(jī)翼導(dǎo)流板上下壁面附近。

圖12 室內(nèi)速度等值面云圖

Y 方向速度流線圖如圖13 所示，從圖中可以看出Y 方向上沒有風(fēng)口的范圍內(nèi)只有一個大回流區(qū)，有風(fēng)口的范圍內(nèi)有兩個回流區(qū)，回流中心右側(cè)壁面的位置，送風(fēng)口附近和靠近壁面的風(fēng)速較高。

圖13 Y 方向速度流線圖

圖14 為X 方向的速度流線圖，從圖中可以看出渦街的大致發(fā)展?fàn)顩r，整個渦街受到房間頂部的影響并沒有發(fā)展完全。沿X 方向渦從小逐漸增大，影響范圍也越來越來大，但能量在衰減。大約在X=1.5 m 的位置，由于Y 方向回流及四周墻壁的影響使得渦向四周擴(kuò)散，直到消失。

圖14 X 方向速度流線圖

4 結(jié)論

1）導(dǎo)流板兩側(cè)出現(xiàn)兩個對稱誘導(dǎo)渦街且向遠(yuǎn)離送風(fēng)口方向發(fā)展，受四周墻壁及回流影響渦街沿該方向逐漸衰弱直至消失。

2）室內(nèi)平均風(fēng)速為0.473 m/s；當(dāng)Z=1.1 m 時，平面平均風(fēng)速為0.365 m/s，舒適區(qū)占比45%；當(dāng)Z=1.7 m時，平面平均風(fēng)速為0.397 m/s，舒適區(qū)占比38%。

3）靠近墻壁位置的風(fēng)速較大，出于熱舒適性考慮，工作區(qū)域應(yīng)距墻壁有一定距離。