某空调办公室不同气流组织形式的模拟分析

鲜沐希 牛彦旭 王 倩 田亚男 李双燕

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

某空调办公室不同气流组织形式的模拟分析

鲜沐希 牛彦旭 王 倩 田亚男 李双燕

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

以数值传热学和计算流体力学为基础，利用GAMBIT软件建立了三种典型气流组织形式(A同侧上送下回、B异侧上送下回、C顶送侧回、)的物理模型.运用FLUENT软件对室内气流组织进行了三维数值模拟并分析比较了三种气流组织下室内温度场，速度场的数值模拟结果.结果显示：A模型的热舒适感优于B、C模型.

气流组织；计算流体力学；室内空气环境

0 引 言

CFD(Computational Fluent Dynamics)是建立在经典流体力学和数值计算方法上的一门新型独立学科，它兼有理论性和实践性的双重特点，为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的解决办法.由于同侧上送下回、异侧上送下回、顶送侧回为比较典型的气流组织形式，本文利用CFD方法针对办公室内的这三种气流组织进行数值模拟，并对模拟结果进行分析比较.

1 气流组织的介绍

1.1 气流组织概念

狭义的气流组织指的是上(下、侧、中)送上(下、侧、中)回或置换送风、个性化送风等具体的送回风形式，即气流组织形式；广义的室内气流组织，是指一定的送风口形式和送风参数所带来的室内气流分布.气流组织设计的目的就是合理的组织室内空气的流动和分布，使室内工作区空气的温度、湿度、风速和洁净度能更好地满足室内人员的舒适感要求.只有合理的气流组织才能充分发挥送风的冷却和加热作用，均匀地消除室内的冷(热)、湿负荷，并有效的排除有害物和悬浮在空气中的灰尘,以满足室内人员对新鲜空气的需求.

1.2 典型气流组织形式

气流分布的流动模式取决于送风口和回风口位置、送风口形式等因素.其中送风口(它的位置、形式、规格、出口风速等)是气流分布的主要因素.在实际工程中，常用的气流组织形式有：侧送侧回、上送下回、上送上回、下送上回等.本文讨论的气流组织形式为同侧上送下回、异侧上送下回、顶送侧回.

2 物理模型及数学模型的建立及简化

2.1 物理模型的建立

本文以河北建筑工程学院能环楼某办公室为研究对象，办公室长×宽×高=7.2 m×7.8 m×3 m.窗户朝南，窗户尺寸1.5 m×1 m,距离地面0.9 m.总冷负荷4.79 KW，送风温度18，室内设计温度26.模型A、B送风口尺寸500 mm×250 mm，风速3.98 m/s.回风口尺寸630 mm×200 mm.模型C送风口尺寸400 mm×400 mm，送风速度3.88 m/s(见图1).

表1 三种气流组织形式的风口尺寸和位置

图1 物理模型

2.2 数学模型的建立

为简化模型减少计算量，对实际室内气流做如下假设：

(1)连续性的介质；(2)房间的流场为定常流(无外部气流干扰)；(3)空气为不可压缩流体；(4)不考虑通过窗户的太阳辐射；(5)门、窗密闭性良好，不考虑漏风的影响.

根据实际情况采用的计算方法是Launder和Spalding等提出的k-ε双方程模型.模型的控制方程为：

(1)连续性方程.

(1)

式中：ui为xi方向的时均速度，m/s.

(2)动量方程.

(2)

式中：ρ为空气密度，kg/m3；P为静压,pa；τij为应力张量；ρgi为i方向的体积力,N/m3；Fi为由热源等引起的源项.

式中：μ为运动粘度，Pa/s.

(3)能量守恒方程.

(3)

式中：keff=k+kfr为有效导热系数；Jf是组分j的扩散流量，方程右边的前三项分别为导热项、组分扩散项和粘性耗散项；Sh是化学反应热和其他体积热源.

(4)湍流动能K方程

(4)

(5)湍流动能耗散率ε方程

(5)

式中：C1ε=1.44，C2ε=1.92.

2.3 边界条件

表2 边界条件的设定

3 数值模拟结果分析

3.1 FLUENT数值模拟结果

图2至图7为Y=0 m截面上三种气流组织的温度分布与速度分布图.

图2 Y=0时的温度分布图(A)图3 Y=0时的速度分布图(A)

图4 Y=0时的温度分布图(B)图5 Y=0时的速度分布图(B)

图6 Y=0时的温度分布图(C)图7 Y=0时的速度分布图(C)

3.2 数值模拟结果分析

对于模型B同样采用双层百叶风口异侧上送下回方式.B与A相比，由于回风口的位置布置在异侧墙下方，工作区在回流和涡流区中.相较于A模型，射流方向的两侧的远角有明显的涡流区，且在涡流区气流速度太小，扰动小，很容易形成死角，通风效率低.温度混合较A模型差，在风口附近有吹冷风感，在死角处有过热感.人的热舒适度有所影响.

对于模型C采用方形散流器顶送两侧回的方式，风速3.88 m/s.气流由方形散流器垂直射入室内，受浮升力及射流不断卷吸周围空气的影响，射流速度不断减小，受到地面阻碍后转向两侧流动.由于办公室南墙室外温度比北墙高，从模拟图可以看出射流的北部比南部温度低，温度混合不均，并且在屋顶中央的送风口下方的气流速度比周围的大得多，使室内人员有明显的吹风感.

表3 不同气流组织形式下的温度效率

4 结 语

本文运用Gambit和Fluent对河北建筑工程学院能环楼某研究生办公室进行了常见的三种夏季空调气流组织模拟，通过数值模拟可以直观的看出房间内各处的温度和速度分布，进而选出最优的送风方式.不同的气流组织形式，温度效率和热舒适感存在差异，因此选择合适的气流组织形式具有十分重要的意义.结果显示：模型A气流组织形式对室内空气品质的影响优于其他两组.

[1]朱红钧.FLUENT15.0流场分析实战指南[M].人民邮电大学出版社,2015.1

[2]余华兵，等.FLUENT14.5流场分析从入门到精通[M].机械工业出版社.2014.8

[3]陆耀庆.实用供热空调设计手册第二版[M].中国建筑工业出版社

[4]钟武.夏季办公室空调房间气流组织的数值模拟[J].制冷与空调,2011,6,25(3):304～308

[5]胡平放，蔡芬.气流组织形式对室内空气环境影响的数值模拟[J].华中科技大学学报,2006，6，23(2):28～31

TheSimulationAnalysisoftheDifferentAirflowDistributioninAir-conditioningOffice

XIANMu-xi,NIUYan-xu,WANGQian,TIANYa-nan,LIShuang-yan

(Hebei Institute of Actecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000)

Based on the numerical heat transfer theory and computational fluid dynamics,using GAMBIT software,three typies physical models of airflow organization forms were set up(A up send and down return on the same side,B up send and down return on the opposite side,C top send and side return).Using FLUENT software,the three-dimensional numerical simulation was carried out to analyze and compare the indoor air distribution,and the indoor temperature field.The numerical simulation results showed that the thermal comfort of A model is better than that of B and C.

airflow distribution;computational fluid dynamics;indoor air environment

2017-04-06

鲜沐希(1993-)，女，在读硕士研究生，研究方向：空气流场.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.03.011

TU85

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