吸顶式空调送风形式对室内流场影响的数值模拟

贾学斌

【摘 要】采用计算流体力学方法模拟分析比较吸顶式空调不同送风方式条件下不同时刻的温度场和流场流线。发现原方案下，气流与周围的热空气进行热交换的范围有限；设置合适的导流罩结构能够延长气流到达地面的时间，加大高速气流两侧的漩涡范围，使得更多冷气流停留在空间，与室内高温气体进行热交换，加速室内气体降温；建议导流罩角度选取15°。研究结果可为室内吸顶式空调房间的送风方式提供参考依据。

【关键词】吸顶式空调；数值模拟；气流组织；送风形式；导流

0 引言

在经济飞速发展的现代，室内区域已经成为绝大多数人长时间停留的场所，空调作为其必不可少的设施，发挥着重要作用。随着人民生活水平的提高，人们对室内温度的舒适性和空气品质的要求也越来越高。人们更希望时刻处在一个健康、舒适的空间。目前，为提高室内空气气流品质，进行了一些研究。文献[1]应用CFD模拟软件对夏季中央空调房间中常用的上送上回送风形式进行模拟研究，分析空调送风角度对室内气流温度场和速度场的影响，进而讨论房间的舒适性。文献[2]采用数值计算软件FLUENT模拟冬季室内气流组织的分布状况，经过对比分析不同的送风速度对室内活动区温度和速度的影响。文献[3]利用fluent软件通过置换通风和侧送风两种送风方式下办室内的速度场、温度场、CO2浓度场所进行的数值模拟分析。文献[4]介绍了一种下送风空调系统的设计方法，利用Airpark软件对该设计方法下的空调房间进行数值模拟分析。文献[5]针对相同室内条件、不同气流组织形式下的各种模型，运用暖通空调专用数值模拟软件Airpark，对室内速度场、温度场进行了数值模拟计算。然而随着室内吸顶式空调的大范围使用，对于其送风方式很少考虑，这势必有可能未将空调利用效率最大化，从而影响室内气流组织和舒适性。因此本文将以吸顶式空调为例，采用计算流体力学方法模拟研究空调不同的送风形式对室内气流组织的影响，进而得到一种较为合理的送风方式，为提高空调送风效率，节约能源消耗提供参考。

1 数学模型

室内空调的送、回风是一个复杂的湍流过程[6]，需要采用合适的湍流模型进行模拟。本文主要考虑空调送风的瞬态过程，因此选用基于Realizable k-epsilon的分离涡湍流模型（Detached Eddy Simulation，DES）[7]。该方法结合了大涡模拟（LES）方法和雷诺时均模拟（RANS）方法两者的优点，在近壁区采用RANS模型，而远离壁面区采用LES模型，很好的解决了RANS模型求解精度不高，LES模型求解计算量大的问题。而近壁区选用可实现的k-epsilon方程，能更准确地计算含有旋流、逆压梯度边界层及分离流的流场。

同时为了简化计算，对模拟房间进行如下假设：（1）室内空气为不可压缩气体；（2）忽略墙壁及室内物体的辐射热；（3）房间内的门窗等密闭性好。

2 几何模型

采用的房间尺寸为7m×5m×2.9m，忽略屋内家具、装饰等物品，只保留房间的空间结构。空调置于房间顶部中心。整个系统采用上送上回方式，即空调送风口位于正中央，风口为正四边形，尺寸为0.5m×0.5m，四侧分别布置一个回风口，具体的结构见图1。为改变空调的送风方式，采用在送风口外设置一段导流罩结构，垂直高度为0.1m。导流罩与垂直面的夹角a分别取15°和30°。同时在导流罩内部沿长度、宽度方向上设置两块隔板，隔板的夹角与导流罩的相同；在送风口的中心位置处，则增设一个十字形的隔板，隔板垂直于水平面，示意图见图2。

3 边界条件与计算网格

采用CFD商业软件进行数值模拟，假设室内的温度为305.16K（32℃）计算所需的边界条件定义如下：（1）入口边界：送风口设定为速度入口（Velocity-inlet），给定垂直顶部向下1m/s的风速，气流的温度设定为297.16K，即24℃。（2）出口边界：为保证室内外压力平衡，在出口（回风口）设定为压力出口。（3）固体壁面：房间四周壁面、地面边界采用无滑移速度边界，各壁面均设为零热流条件，即绝热边界。

整个计算区域采用非结构化网格进行离散。在送风口、回风口等温度梯度大的地方进行网格加密。整个体网格数达到202万。

在本文中，由于采用非定常计算方法，因此选取计算时间步长为0.005s，每一个步长内迭代30次。总计步长数为6000步，计算时间为30s。4 计算结果分析

4.1 温度场

为了能够清楚地比对原方案与优化方案对室内流场气流的影响，选取中心平面（宽度方向的中心处）的不同时刻的温度进行分析，见图3。从图中可以发现：沿着气流流动地方温度较低；随着温度传递，气流温度逐渐与室内温度接近。原方案下，当送风时间达到10s时，气流到达地面，并向两侧流动，冷空气主要位于靠近地面10cm左右高度的区域。而设置一个15°的导流罩以后，其促进气流向两侧的流动，而不是像原方案一样，只集中向下送风；15°导流罩方案虽然延长了气流到达地面的时间，但使得更多冷气流停留在空间，与室内高温气体进行热交换，从而能够加速室内降温。当设置一个30°的导流罩时，送风口气流分成3部分，两侧冷气流往两侧流动，中间部分向下流动，气流大部分位于室内空间；但由于空调回风口与两侧的冷气流很接近，使得气流未向下流动就被排到室外，这将大大降低空调的使用效率。因此从不同时刻的温度场来看，设置合适导流罩能够更好地冷却室内空气，加速降低室内温度，但如果导流罩角度设置不合理时，将大大增加空调能耗，造成资源的浪费。

4.2 流线

图4为原方案和不同送风方式在中心平面（宽度方向的中心处）的不同时刻的流线图，采用速度进行渲染。

从流线图可知：不同时刻瞬态流场基本具有对称性；气流从送风口流出，经过整个室内流动，最终从回风口流出；在高速冷气流的两侧均形成一个漩涡，带动周围气流发生热交换；原方案下的气流未到达地面时，漩涡较小，发生热交换有限；到达地面时，漩涡主要贴近地面，使得其与地面的热交换增强，但空间气流的热交换效果一般；在15°的导流罩方案下，其空间漩涡较大，能较好地带动周围的气流进行热交换；在30°的导流罩方案下，气流分为3部分，两侧的部分在顶部接近回风口处进行热交换，使得效率下降，向下的部分，量少，热交换有限。

5 结论

本文通过对吸顶式空调上送上回气流组织进行瞬态模拟，分析比较不同送风方式下不同时刻的温度场和流场流线，得到以下结论：

（1）不同时刻的室内瞬态流场基本具有对称性；在高速冷气流的两侧均形成一个漩涡，促进带动了周围气流发生热交换。

（2）原方案下，气流垂直向下流动，与周围的热空气进行热交换的范围有限；同时当气流到达地面时，主要贴近地面，直接降低室内空气的热交换效率。

（3）设置合适的导流罩能够延长气流到达地面的时间，使得更多的冷气流能够停留在空间，与室内高温气体进行热交换，从而能够加速室内气体降温；导流罩角度设置不合理将造成冷空气直接从回流口流出，从而大大增加空调能耗，造成资源的浪费；建议导流罩角度选取15°。

【参考文献】

[1]王敬欢，黄虎，张进贤，陈泽民.空调房间不同送风角度的数值模拟[J].南京师范大学学报：工程技术版，2011，11（2）：53-57.

[2]周静，李异.送风速度对冬季空调房间环境影响的数值分析[J].水利与建筑工程学报，2014，12（1）：157-159.

[3]杨苏，楚广明，逯广林.空调房间气流组织的数值模拟研究[J].节能，2014（1）：22-26.

[4]刘行安，张国强，何雪强.下送风空调房间的数值模拟[J].建筑热能通风空调，2012，31（2）：56-59.

[5]袁东升，田慧玲，高建成.气流组织对空调房间空气环境影响的数值模拟[J].建筑节能，2008，36（9）：9-13.

[6]罗挺，许雅娟，刘益.空调房间湍流流场的数值模拟[J].四川环境，2005，24（2）：87-89.

[7]Fluent Inc. FLUENT Users Guide[Z]. 2006.

[责任编辑：汤静]

【摘 要】采用计算流体力学方法模拟分析比较吸顶式空调不同送风方式条件下不同时刻的温度场和流场流线。发现原方案下，气流与周围的热空气进行热交换的范围有限；设置合适的导流罩结构能够延长气流到达地面的时间，加大高速气流两侧的漩涡范围，使得更多冷气流停留在空间，与室内高温气体进行热交换，加速室内气体降温；建议导流罩角度选取15°。研究结果可为室内吸顶式空调房间的送风方式提供参考依据。

【关键词】吸顶式空调；数值模拟；气流组织；送风形式；导流

0 引言

在经济飞速发展的现代，室内区域已经成为绝大多数人长时间停留的场所，空调作为其必不可少的设施，发挥着重要作用。随着人民生活水平的提高，人们对室内温度的舒适性和空气品质的要求也越来越高。人们更希望时刻处在一个健康、舒适的空间。目前，为提高室内空气气流品质，进行了一些研究。文献[1]应用CFD模拟软件对夏季中央空调房间中常用的上送上回送风形式进行模拟研究，分析空调送风角度对室内气流温度场和速度场的影响，进而讨论房间的舒适性。文献[2]采用数值计算软件FLUENT模拟冬季室内气流组织的分布状况，经过对比分析不同的送风速度对室内活动区温度和速度的影响。文献[3]利用fluent软件通过置换通风和侧送风两种送风方式下办室内的速度场、温度场、CO2浓度场所进行的数值模拟分析。文献[4]介绍了一种下送风空调系统的设计方法，利用Airpark软件对该设计方法下的空调房间进行数值模拟分析。文献[5]针对相同室内条件、不同气流组织形式下的各种模型，运用暖通空调专用数值模拟软件Airpark，对室内速度场、温度场进行了数值模拟计算。然而随着室内吸顶式空调的大范围使用，对于其送风方式很少考虑，这势必有可能未将空调利用效率最大化，从而影响室内气流组织和舒适性。因此本文将以吸顶式空调为例，采用计算流体力学方法模拟研究空调不同的送风形式对室内气流组织的影响，进而得到一种较为合理的送风方式，为提高空调送风效率，节约能源消耗提供参考。

1 数学模型

室内空调的送、回风是一个复杂的湍流过程[6]，需要采用合适的湍流模型进行模拟。本文主要考虑空调送风的瞬态过程，因此选用基于Realizable k-epsilon的分离涡湍流模型（Detached Eddy Simulation，DES）[7]。该方法结合了大涡模拟（LES）方法和雷诺时均模拟（RANS）方法两者的优点，在近壁区采用RANS模型，而远离壁面区采用LES模型，很好的解决了RANS模型求解精度不高，LES模型求解计算量大的问题。而近壁区选用可实现的k-epsilon方程，能更准确地计算含有旋流、逆压梯度边界层及分离流的流场。

同时为了简化计算，对模拟房间进行如下假设：（1）室内空气为不可压缩气体；（2）忽略墙壁及室内物体的辐射热；（3）房间内的门窗等密闭性好。

2 几何模型

采用的房间尺寸为7m×5m×2.9m，忽略屋内家具、装饰等物品，只保留房间的空间结构。空调置于房间顶部中心。整个系统采用上送上回方式，即空调送风口位于正中央，风口为正四边形，尺寸为0.5m×0.5m，四侧分别布置一个回风口，具体的结构见图1。为改变空调的送风方式，采用在送风口外设置一段导流罩结构，垂直高度为0.1m。导流罩与垂直面的夹角a分别取15°和30°。同时在导流罩内部沿长度、宽度方向上设置两块隔板，隔板的夹角与导流罩的相同；在送风口的中心位置处，则增设一个十字形的隔板，隔板垂直于水平面，示意图见图2。

3 边界条件与计算网格

采用CFD商业软件进行数值模拟，假设室内的温度为305.16K（32℃）计算所需的边界条件定义如下：（1）入口边界：送风口设定为速度入口（Velocity-inlet），给定垂直顶部向下1m/s的风速，气流的温度设定为297.16K，即24℃。（2）出口边界：为保证室内外压力平衡，在出口（回风口）设定为压力出口。（3）固体壁面：房间四周壁面、地面边界采用无滑移速度边界，各壁面均设为零热流条件，即绝热边界。

整个计算区域采用非结构化网格进行离散。在送风口、回风口等温度梯度大的地方进行网格加密。整个体网格数达到202万。

在本文中，由于采用非定常计算方法，因此选取计算时间步长为0.005s，每一个步长内迭代30次。总计步长数为6000步，计算时间为30s。4 计算结果分析

4.1 温度场

为了能够清楚地比对原方案与优化方案对室内流场气流的影响，选取中心平面（宽度方向的中心处）的不同时刻的温度进行分析，见图3。从图中可以发现：沿着气流流动地方温度较低；随着温度传递，气流温度逐渐与室内温度接近。原方案下，当送风时间达到10s时，气流到达地面，并向两侧流动，冷空气主要位于靠近地面10cm左右高度的区域。而设置一个15°的导流罩以后，其促进气流向两侧的流动，而不是像原方案一样，只集中向下送风；15°导流罩方案虽然延长了气流到达地面的时间，但使得更多冷气流停留在空间，与室内高温气体进行热交换，从而能够加速室内降温。当设置一个30°的导流罩时，送风口气流分成3部分，两侧冷气流往两侧流动，中间部分向下流动，气流大部分位于室内空间；但由于空调回风口与两侧的冷气流很接近，使得气流未向下流动就被排到室外，这将大大降低空调的使用效率。因此从不同时刻的温度场来看，设置合适导流罩能够更好地冷却室内空气，加速降低室内温度，但如果导流罩角度设置不合理时，将大大增加空调能耗，造成资源的浪费。

4.2 流线

图4为原方案和不同送风方式在中心平面（宽度方向的中心处）的不同时刻的流线图，采用速度进行渲染。

从流线图可知：不同时刻瞬态流场基本具有对称性；气流从送风口流出，经过整个室内流动，最终从回风口流出；在高速冷气流的两侧均形成一个漩涡，带动周围气流发生热交换；原方案下的气流未到达地面时，漩涡较小，发生热交换有限；到达地面时，漩涡主要贴近地面，使得其与地面的热交换增强，但空间气流的热交换效果一般；在15°的导流罩方案下，其空间漩涡较大，能较好地带动周围的气流进行热交换；在30°的导流罩方案下，气流分为3部分，两侧的部分在顶部接近回风口处进行热交换，使得效率下降，向下的部分，量少，热交换有限。

5 结论

本文通过对吸顶式空调上送上回气流组织进行瞬态模拟，分析比较不同送风方式下不同时刻的温度场和流场流线，得到以下结论：

（1）不同时刻的室内瞬态流场基本具有对称性；在高速冷气流的两侧均形成一个漩涡，促进带动了周围气流发生热交换。

（2）原方案下，气流垂直向下流动，与周围的热空气进行热交换的范围有限；同时当气流到达地面时，主要贴近地面，直接降低室内空气的热交换效率。

（3）设置合适的导流罩能够延长气流到达地面的时间，使得更多的冷气流能够停留在空间，与室内高温气体进行热交换，从而能够加速室内气体降温；导流罩角度设置不合理将造成冷空气直接从回流口流出，从而大大增加空调能耗，造成资源的浪费；建议导流罩角度选取15°。

【参考文献】

[1]王敬欢，黄虎，张进贤，陈泽民.空调房间不同送风角度的数值模拟[J].南京师范大学学报：工程技术版，2011，11（2）：53-57.

[2]周静，李异.送风速度对冬季空调房间环境影响的数值分析[J].水利与建筑工程学报，2014，12（1）：157-159.

[3]杨苏，楚广明，逯广林.空调房间气流组织的数值模拟研究[J].节能，2014（1）：22-26.

[4]刘行安，张国强，何雪强.下送风空调房间的数值模拟[J].建筑热能通风空调，2012，31（2）：56-59.

[5]袁东升，田慧玲，高建成.气流组织对空调房间空气环境影响的数值模拟[J].建筑节能，2008，36（9）：9-13.

[6]罗挺，许雅娟，刘益.空调房间湍流流场的数值模拟[J].四川环境，2005，24（2）：87-89.

[7]Fluent Inc. FLUENT Users Guide[Z]. 2006.

[责任编辑：汤静]

【摘 要】采用计算流体力学方法模拟分析比较吸顶式空调不同送风方式条件下不同时刻的温度场和流场流线。发现原方案下，气流与周围的热空气进行热交换的范围有限；设置合适的导流罩结构能够延长气流到达地面的时间，加大高速气流两侧的漩涡范围，使得更多冷气流停留在空间，与室内高温气体进行热交换，加速室内气体降温；建议导流罩角度选取15°。研究结果可为室内吸顶式空调房间的送风方式提供参考依据。

【关键词】吸顶式空调；数值模拟；气流组织；送风形式；导流

0 引言

在经济飞速发展的现代，室内区域已经成为绝大多数人长时间停留的场所，空调作为其必不可少的设施，发挥着重要作用。随着人民生活水平的提高，人们对室内温度的舒适性和空气品质的要求也越来越高。人们更希望时刻处在一个健康、舒适的空间。目前，为提高室内空气气流品质，进行了一些研究。文献[1]应用CFD模拟软件对夏季中央空调房间中常用的上送上回送风形式进行模拟研究，分析空调送风角度对室内气流温度场和速度场的影响，进而讨论房间的舒适性。文献[2]采用数值计算软件FLUENT模拟冬季室内气流组织的分布状况，经过对比分析不同的送风速度对室内活动区温度和速度的影响。文献[3]利用fluent软件通过置换通风和侧送风两种送风方式下办室内的速度场、温度场、CO2浓度场所进行的数值模拟分析。文献[4]介绍了一种下送风空调系统的设计方法，利用Airpark软件对该设计方法下的空调房间进行数值模拟分析。文献[5]针对相同室内条件、不同气流组织形式下的各种模型，运用暖通空调专用数值模拟软件Airpark，对室内速度场、温度场进行了数值模拟计算。然而随着室内吸顶式空调的大范围使用，对于其送风方式很少考虑，这势必有可能未将空调利用效率最大化，从而影响室内气流组织和舒适性。因此本文将以吸顶式空调为例，采用计算流体力学方法模拟研究空调不同的送风形式对室内气流组织的影响，进而得到一种较为合理的送风方式，为提高空调送风效率，节约能源消耗提供参考。

1 数学模型

室内空调的送、回风是一个复杂的湍流过程[6]，需要采用合适的湍流模型进行模拟。本文主要考虑空调送风的瞬态过程，因此选用基于Realizable k-epsilon的分离涡湍流模型（Detached Eddy Simulation，DES）[7]。该方法结合了大涡模拟（LES）方法和雷诺时均模拟（RANS）方法两者的优点，在近壁区采用RANS模型，而远离壁面区采用LES模型，很好的解决了RANS模型求解精度不高，LES模型求解计算量大的问题。而近壁区选用可实现的k-epsilon方程，能更准确地计算含有旋流、逆压梯度边界层及分离流的流场。

同时为了简化计算，对模拟房间进行如下假设：（1）室内空气为不可压缩气体；（2）忽略墙壁及室内物体的辐射热；（3）房间内的门窗等密闭性好。

2 几何模型

采用的房间尺寸为7m×5m×2.9m，忽略屋内家具、装饰等物品，只保留房间的空间结构。空调置于房间顶部中心。整个系统采用上送上回方式，即空调送风口位于正中央，风口为正四边形，尺寸为0.5m×0.5m，四侧分别布置一个回风口，具体的结构见图1。为改变空调的送风方式，采用在送风口外设置一段导流罩结构，垂直高度为0.1m。导流罩与垂直面的夹角a分别取15°和30°。同时在导流罩内部沿长度、宽度方向上设置两块隔板，隔板的夹角与导流罩的相同；在送风口的中心位置处，则增设一个十字形的隔板，隔板垂直于水平面，示意图见图2。

3 边界条件与计算网格

采用CFD商业软件进行数值模拟，假设室内的温度为305.16K（32℃）计算所需的边界条件定义如下：（1）入口边界：送风口设定为速度入口（Velocity-inlet），给定垂直顶部向下1m/s的风速，气流的温度设定为297.16K，即24℃。（2）出口边界：为保证室内外压力平衡，在出口（回风口）设定为压力出口。（3）固体壁面：房间四周壁面、地面边界采用无滑移速度边界，各壁面均设为零热流条件，即绝热边界。

整个计算区域采用非结构化网格进行离散。在送风口、回风口等温度梯度大的地方进行网格加密。整个体网格数达到202万。

在本文中，由于采用非定常计算方法，因此选取计算时间步长为0.005s，每一个步长内迭代30次。总计步长数为6000步，计算时间为30s。4 计算结果分析

4.1 温度场

为了能够清楚地比对原方案与优化方案对室内流场气流的影响，选取中心平面（宽度方向的中心处）的不同时刻的温度进行分析，见图3。从图中可以发现：沿着气流流动地方温度较低；随着温度传递，气流温度逐渐与室内温度接近。原方案下，当送风时间达到10s时，气流到达地面，并向两侧流动，冷空气主要位于靠近地面10cm左右高度的区域。而设置一个15°的导流罩以后，其促进气流向两侧的流动，而不是像原方案一样，只集中向下送风；15°导流罩方案虽然延长了气流到达地面的时间，但使得更多冷气流停留在空间，与室内高温气体进行热交换，从而能够加速室内降温。当设置一个30°的导流罩时，送风口气流分成3部分，两侧冷气流往两侧流动，中间部分向下流动，气流大部分位于室内空间；但由于空调回风口与两侧的冷气流很接近，使得气流未向下流动就被排到室外，这将大大降低空调的使用效率。因此从不同时刻的温度场来看，设置合适导流罩能够更好地冷却室内空气，加速降低室内温度，但如果导流罩角度设置不合理时，将大大增加空调能耗，造成资源的浪费。

4.2 流线

图4为原方案和不同送风方式在中心平面（宽度方向的中心处）的不同时刻的流线图，采用速度进行渲染。

从流线图可知：不同时刻瞬态流场基本具有对称性；气流从送风口流出，经过整个室内流动，最终从回风口流出；在高速冷气流的两侧均形成一个漩涡，带动周围气流发生热交换；原方案下的气流未到达地面时，漩涡较小，发生热交换有限；到达地面时，漩涡主要贴近地面，使得其与地面的热交换增强，但空间气流的热交换效果一般；在15°的导流罩方案下，其空间漩涡较大，能较好地带动周围的气流进行热交换；在30°的导流罩方案下，气流分为3部分，两侧的部分在顶部接近回风口处进行热交换，使得效率下降，向下的部分，量少，热交换有限。

5 结论

本文通过对吸顶式空调上送上回气流组织进行瞬态模拟，分析比较不同送风方式下不同时刻的温度场和流场流线，得到以下结论：

（1）不同时刻的室内瞬态流场基本具有对称性；在高速冷气流的两侧均形成一个漩涡，促进带动了周围气流发生热交换。

（2）原方案下，气流垂直向下流动，与周围的热空气进行热交换的范围有限；同时当气流到达地面时，主要贴近地面，直接降低室内空气的热交换效率。

（3）设置合适的导流罩能够延长气流到达地面的时间，使得更多的冷气流能够停留在空间，与室内高温气体进行热交换，从而能够加速室内气体降温；导流罩角度设置不合理将造成冷空气直接从回流口流出，从而大大增加空调能耗，造成资源的浪费；建议导流罩角度选取15°。

【参考文献】

[1]王敬欢，黄虎，张进贤，陈泽民.空调房间不同送风角度的数值模拟[J].南京师范大学学报：工程技术版，2011，11（2）：53-57.

[2]周静，李异.送风速度对冬季空调房间环境影响的数值分析[J].水利与建筑工程学报，2014，12（1）：157-159.

[3]杨苏，楚广明，逯广林.空调房间气流组织的数值模拟研究[J].节能，2014（1）：22-26.

[4]刘行安，张国强，何雪强.下送风空调房间的数值模拟[J].建筑热能通风空调，2012，31（2）：56-59.

[5]袁东升，田慧玲，高建成.气流组织对空调房间空气环境影响的数值模拟[J].建筑节能，2008，36（9）：9-13.

[6]罗挺，许雅娟，刘益.空调房间湍流流场的数值模拟[J].四川环境，2005，24（2）：87-89.

[7]Fluent Inc. FLUENT Users Guide[Z]. 2006.

[责任编辑：汤静]