某体育馆比赛大厅气流组织数值模拟研究

2010-09-13王高升

制冷 2010年3期

王高升,林豹

(沈阳建筑大学,沈阳110168)

0 引言

一幢现代化的体育建筑,除了完善齐全的体育设施外,必需有良好的空调,特别是比赛大厅的空调是体育建筑空调设计的重点。而室内气流组织又是体育建筑比赛大厅空调设计成败的关键之一,也是体育建筑空调设计方案研究和讨论最多的问题。因为它不仅直接影响到建筑物内能否达到预期的空调效果,而且还涉及到空调设计方案的经济性。对于诸如体育馆类高大空间,比赛大厅的温度、湿度、风速等参数是至关重要的,合理的室内参数不仅使运动员和观众感到舒服,更重要的是使各类比赛能顺利进行。例如乒乓球和羽毛球比赛时,风速不宜过大,国际羽联规定羽毛球比赛场地上方9.0m以内风速不能超过0.2m/s,而当进行篮球、排球比赛时,比赛场地风速不超过0.5m/s。因此,体育馆比赛大厅内的空调温度、湿度、风速参数,尤其是风速的大小对体育馆空调设计是比较重要的,空调设计中预测气流组织效果就显得很必要了。目前预测空调气流分布的方法主要有:射流公式法、区域模型法、CFD和模型实验。鉴于CFD方法自身的优点,本文将采用CFD模拟软件对某市一体育馆的气流组织形式进行模拟比较。

1 模型介绍

模型坐标如图1所示,坐标原点设在比赛大厅中心位置。比赛大厅为一椭圆形,长轴直径84m,短轴直径78m,建筑高度29.7m,模型尺寸基本上按照实际建筑结构尺寸选取,在不影响计算结果的前提下,本文对物理模型进行了适当的简化,固定观众席单排高度平均为0.45m,宽度0.8m。相对于比赛大厅空间大尺寸,座位席尺寸对气流组织影响较小,故可以把座席区域处理为8个矩形平面、2个椭圆形平面和4个环形平面。由于屋顶不规则,模型屋顶取为网架高度。另外,由于比赛大厅建筑结构对称,故选取其一半进行模拟计算。为方便观测不同形式的气流组织形式的空调效果,本文建立了三个观测面:比赛场地上方1.7m处、9.0m处,XY平面尺寸12.0m×22.0m,观众席上方0.7m处一平面。

2 方案数值模拟

2.1 边界条件

该体育馆是一个多功能比赛场馆,能进行诸如篮球、排球等大球类比赛和乒乓球、羽毛球等小球类比赛;室内设计参数夏季26℃～28℃,相对湿度55%～65%,风速要求大球比赛时风速不超过0.5m/s,小球比赛时风速不超过0.2m/s。座席上方四周外墙设为定温,温度为301K;内墙不考虑得热,设为绝热墙壁;考虑人员散热及灯光辐射得热,设比赛场地为定热流量壁面,30W/m2;观众座位席及屋顶均设为定热流量壁面,分别为170W/m2、5.16W/m2;本文以沈阳当地气象资料为基准,计算出总冷负荷,确定总送风量为178000m3/h。送风口设为速度进口,设定速度和温度,速度为4.85m/s,温度为290K;回风口设为自由出流;三个观测面设为内部联接界面;对称中心面设为symmetry对称面;流体域边界条件设为流体。

图1 比赛大厅模型

2.2 模型假设

为了简化问题,作如下假设:

(1)比赛大厅里的空气流速远远低于风速 (什么风速),流场中压力和温度与自由湍流相比,数值变化很小,所以相应的密度变化就可以忽略了,可以认为空气是不可压缩的,其密度不变,故本文将室内气流设为不可压缩理想气体。(2)空气流动为稳态流动。(3)室内空气为辐射透明介质。

2.3 控制方程及计算方法

根据以上假设其控制方程为:

本文的模拟软件为FLUENT软件,该软件可以很精确地模拟所研究对象的空气流动、传热、污染物扩散等物理现象。在工程应用的模拟中,可能用到的模型主要标准k-ε模型、低雷诺数k-ε模型、整合后的k-ε模型 (RNG)、零方程模型等。本文选择标准k-ε两方程模型,利用有限体积法来解决三维稳态不可压缩粘性流体的湍流流动。采用SIMPLE算法联立求解各离散方程,动量、紊流脉动动能和紊流脉动动能耗散率均采用一阶迎风格式进行离散。

3 计算结果及讨论

3.1 侧送下回方式气流分布模拟与分析

(1)风口布置:

喷口安装高度为18m,直径为0.5m,送风口风速为4.85m/s,送风下倾角为0度,风口之间距离2m左右。回风口布置在比赛场四周,风口距地高度1.0m,Y方向平均布置4个,X方向平均布置2个,均为对称布置,场地四角各布置一个。

(2)温度分布:

由图2和图3可以看出,观众席上方温度为26～28℃,后排两侧稍高于前排;比赛场地上方1.7m处温度分布基本处在27℃,满足设计要求。(3)速度分布:

图4 观众席上方0.7m处速度分布

由图4、5、6可以看出观众席上方0.7m处气流速度基本在0.3m/s以下,满足《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-2003)舒适性空调夏季设计风速要求。比赛场地上方1.7m处气流速度小于0.2m/s,靠近回风口区域的速度为0.3m/s～0.5m/s,比赛场地上方9.0m处风速远小于0.2m/s,满足乒乓球、羽毛球比赛要求。

3.2 上送下回方式气流分布模拟与分析

(1)风口布置:

送风方式为上送风比赛场地四周回风,其他风口尺寸参数均与侧送风相同。风口安装高度为屋顶下网架高度,比赛场地上方风口间距9.0m×16m,观众席上空风口间距分别为8.0m×9.0m,8.0×7.0m。

(2)温度分布:

由图7、8可以看出,上送风方式的温度分布比较平均,基本在28℃;比赛场地上方1.7m处温度分布基本处在27℃,满足设计要求。

图7 观众席上方0.7m处温度分布

图8 比赛场地上方1.7m处温度分布

(3)速度分布:

从图 9、10、11可以看出,比赛场地上方1.7m处速度为0.1m/s,低于0.2m/s;比赛场地上方9.0m处速度远小于 0.2m/s,满足小球比赛要求。观众席上方速度小于0.3m/s,满足《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-2003)舒适性空调夏季设计风速要求。

图11 比赛场地上方1.7m处气流速度分布

3.3 两种送风方式气流分布模拟结果的分析比较

从温度分布云图可知:两种送风方式基本都能满足设计要求,上送风方式的工作区温度分布比较平均,温差小,但相对于侧送风方式工作区温度偏高;侧送风工作区的温度变化相对较大。两种送风方式工作区风速都满足要求,侧送风工作区风速变化要比上送风工作区风速变化剧烈,温度分布的变化趋势恰好与速度变化趋势一致。两种送风方式都满足设计要求,但从空调效果来看,侧送风方式较佳。