利用CFD软件优化设计时边界条件的选择分析

严乐 郭爱宾 邓全亮 高维嘉

北京可视化智能科技股份有限公司

0 引言

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件可有效地模拟计算流体的特性。由于其含有丰富的计算模型，能适应较多场合，被越来越多地应用到室外风场模拟、暖通空调系统的深化设计中，是建筑设计阶段的有力工具[1-5]。然而在利用CFD软件进行深化设计时，边界条件的确定至关重要，它直接影响了计算结果的合理性和准确性。

本文以北京某公司总部大楼的多个相连通的大厅为算例，首先，根据建筑的物理参数、夏季基础空调设计参数、夏季空调系统设计方案等，选取所要研究的物理模型及数学计算模型，借助CFD-FLUENT软件对空调系统设计方案温度分布、速度分布及热舒适性进行三维数值模拟研究。研究探讨了不同边界条件对气流组织设计方案的结果影响，分析优选出较为完善方案并将其应用到实际工程中，然后，对所研究的高大空间会议厅进行现场实际测试，并将完善后的气流组织模拟所得结果与实际测试结果作对比验证，以期为实际暖通空调的深化设计提供边界条件的选择参考方法。

1 物理及数值模型

1.1 物理模型

本文以北京某公司总部大楼的多个相连通的大厅为算例（图1），该连通大厅由3部分组成，即南厅、东北厅和西北厅，南厅由1层起，东北厅地下1层起，西北厅2层起，南厅和东北厅在1层相通，东北厅和西北厅在2层通过2组连廊相通。计算对象为此三部分大厅连通形成的内部空调空间，该空调空间南北向最大尺寸为即90 m，东西向最大尺寸为58 m，高度方向最大尺寸为25 m。三个大厅顶部分别设有1组天窗。

图1 多连通大厅物理模型图

表1 多连通大厅6组送风口参数

从空调设计角度，根据前期冷负荷计算，该空间共设置6个回风口、6组送风口，这6组送风口的参数见表1：第一组设置在南厅南半部分（hall-downward），其顶部在每隔2m布置有55个20cm口径的圆形射流风口；第二组设置在南厅的北侧墙面，为侧送风口（2F-sidewall1），共15个；第三组设置在南厅和东北厅连通的1楼顶部（1F-downward），每隔2m布置有22个20cm口径的圆形射流风口；第四组设置在东北厅和西北厅的2组连廊底部（CB-downward），共14个；第五组设置在2组连廊侧面（CB-sidewall），共28个；第六组设置在西北厅的西侧墙面（2F-sidewall2），共21个。

1.2 计算模型

本算例中的数学模型模拟计算采用k-ε两方程紊流模型。在夏季，通过该大厅顶部的三组天窗的辐射传热和导热形成的冷负荷为主要组成部分，CFD-Fluent软件提供了四种不同的热辐射模型（表2），本算例选取DO模型，以得到更准确的计算结果。

表2 四种热辐射模型特点

表3 物理参数

表4 天窗热物性参数

本算例计算夏至日室内的空气情况，在采用DO模型进行计算时，需要算例所处地点时间的太阳辐射照度、角度、经纬度及时区等，本算例位于北京，夏至日时外界参数如表3所示。

2 不同边界条件的分析

2.1 边界条件1

送风18℃，连廊向下风口45°角对吹，回风自由出流，该厅四周房间为空调区域，故模拟计算时为绝热条件，南厅南墙和北厅北墙选择建筑设计节能规范中的墙壁厚度和传热系数，计算结果如图2～6所示，可以看出，南厅距地面1.5 m高度速度场较为合理，但东北厅相距地面1.5 m高处的速度分布不均匀，并且局部过大，会有不适感。从温度场来看，东北厅连廊处温度较高。

图2 南厅1.5 m高处速度场

图3 东北厅B1层-4.5 m高处速度场

图4 东北厅连廊处剖面速度矢量图

图5 1.5 m高处温度场

图6 东北厅连廊处剖面温度场

2.2 边界条件2

与边界条件1相比，边界条件2中，所有结构参数参考节能规范，南、北墙为玻璃幕墙，加载人员发热量，使得边界条件的选取更接近实际，并且为了解决case1中温度速度不均的问题，调整连桥处送风方向为45°相背向外，图7～11为计算结果。

图7 南侧玻璃幕墙加载前后南厅地面温度对比

图8 连廊送风角度调整前后大厅剖面度度场对比

图9 西北厅剖面速度场

图10 大厅剖面温度场

图11 三个厅相对高度1.5m温度场

从图7中可以看出，当南墙改为玻璃幕墙后，南厅近玻璃幕墙且为太阳投射地面处温度明显有所升高，厅内人员活动区域温度分布较为均匀但稍高；图8对比了连廊送风角度调整前后大厅剖面度度场，可看出，调整送风角度向外后人员活动空间速度分布更为均匀合理，并且从图9可看出西北厅剖面速度场也较为合理；图10为东北厅、西北厅两厅东西向大厅剖面温度场，人员活动空间温度在26～29℃，整体剖面温度分层现象明显；图11位三个厅相对高度1.5 m处的温度场，为20～29℃，平均温度26℃，在可接受的范围之内。

3 实测验证

2016年7月，也是算例中总部大楼运行第一年，本文笔者组织测试人员对该大连通大厅进行了温度的实测（边界条件与case2相同，对应图11，约每隔10 m见方，共选择50个温度实测点，实测与计算结果对比如图12），结果表明，温度的实测结果和计算结果吻合度较高，说明了边界条件选择准确时，模拟计算结果的准确性更高。

图12 实测与计算的温度对比图

4 结论

1）CFD中热辐射模型的DO模型对小尺度到大尺度辐射计算都适用，且可计算非－灰度辐射和散射效应，现今的计算机能力可以适应稍微大的计算量。在计算时，需要的参数较多，但参数选择准确时，计算结果也更为准确；

2）通过对本工程夏季空调工况下实测值和数值模拟数值的对比分析，可以验证CFD数值模拟技术的可靠性，并证明CFD Fluent软件能够为高大空间类建筑空调系统优化方案设计、预测气流组织分布、评价热舒适指标等。

3）一个良好的气流组织和送风的角度密不可分，本文通过对不同送风角度的气流组织型式进行数值模拟并定性分析，选定比较合理的气流组织方案，为实际工程设计提供有利参考；

4）通过两种边界条件的计算对比，可看出在利用CFD Fluent软件进行深化设计时，边界条件的选择一定要越接近实际越好，越可以准确辅助设计人员进行空调的优化设计。本算例提供的一系列参数可以为实际暖通空调的深化设计提供边界条件的选择参考。可以预测，在实际运行中，基于CFD Fluent软件和准确的边界条件的加载，能够更好地预测空调运行状态对空间舒适度的改变，以指导系统更合理、更节能运行。