基于fluent软件的地下室置换通风及换热数值模拟综述

曹朱款冰

摘 要 为了给地下室工作人员提供一个舒适的工作环境，保证地下工作有效进行，有必要向地下室通入适宜温度和速度的空气。本文主要分析温度、速度对地下室工作环境的影响，采用gambit软件建立六面体结构化网格，以能量方程和标准k-e方程为基础，运用fluent软件对气流在地下室的置换通风换热进行模拟，选取y=2.5，z=0两个等值面观察温度和速度分布情况。结果表明：当送风速度取0.1或0.25m/s时，在两个等值面都没有出现速度急剧增大的现象，说明置换通风送风速度取0.1～0.25m/s可行。而且当送风温度取45摄氏度时，出现了较明显的气流回升现象，即送风温度越大，浮升力影响越大。

关键词 fluent；地下室；置换通风；换热；数值模拟

The numerical simulation of the displacement ventilation and heat transfer in the basement based on fluent software

Abstract In order to provide staff in the basement with a comfortable working condition and ensure the underground work can progress effectively，it is necessary for air with proper temperature and velocity to be transported into the basement. The thesis mainly analyzes the effect brought by temperature and velocity on the working condition in the basement. Structured hexahedral mesh is established by using gambit software. Based on energy equation and standard k-e equation， the simulation of displacement ventilation and heat transfer in the basement is performed by using fluent software. Two ISO-surfaces（y=2.5， z=0） have been chosen to observe the temperature and velocity distribution. The results suggest that when the air supply velocity is 0.1m/s or 0.25m/s， the phenomenon that velocity increases violently doesnt occur on both ISO-surfaces， which indicates that it is feasible/OK that the air supply velocity ranges from 0.1～0.25m/s. Besides， when the air supply temperature is 45 degrees， the airflow rebound phenomenon is more obvious， that is， the bigger the air supply temperature， the greater the influence brought by the buoyancy lift.

Key words Fluent； Basement； Displacement ventilation； Heat transfer； Numerical simulation

前言

隨着各地区人口的不断增加，所占用的土地资源逐渐增多，室外大气环境愈加难以保证，使得部分人不得不选择在地下室工作。对地下室的工作环境要求越来越高[1]。但随着在地下室工作的人数增多，会产生的二氧化碳会逐渐增多，由于二氧化碳是温室气体，积聚得过多会使地下室内温度过高，产生热不舒适感；加上如果通入至人员呼吸区的气流速度过大（送风速度过大），会使人产生强烈的吹风感[2]。这同样会严重影响地下室工作人员的工作进度，所以需要控制好送风速度和送风温度从而保证地下室人员工作的舒适度。良好的通风和换热条件有助于保证适宜的地下工作环境，能使工作人员的生命安全得到保障。为了保证地下室良好工作环境，不仅要确定好送风温度和送风速度，还要考虑选取合理的通风方式。与混合通风相比，采用置换通风方式能够保证地下室较高的热舒适性、空气品质、合理的送风速度，进而可以保证良好的通风效率[3]。当下，在研究地下室内速度分布和温度分布方面，多数学者用稳态数值模拟[4]。

为了全面分析温度、速度对地下室工作环境的影响，且鉴于目前置换通风主要应用于办公室、体育建筑、工业建筑等，而在地下室的应用未见报道[5]。本文通过fluent软件采用稳态数值模拟方法代替实验方法，对地下室速度分布和温度分布进行分析。

1 模型对象概述

本文采用西安某地区的地下室为研究对象，此地下室尺寸为长*宽*高=30m*5m*20m，除了速度入口和自由流出口外，地下室周围都是壁面，壁厚为0.2m。有一个西外墙，入口位于西外墙侧，尺寸为长*高=0.4m*0.4m，有一个东外墙，自由流出口位于东外墙侧，尺寸为宽*高=0.5m*0.5m，顶部壁面与地下室内部空气直接接触，无绝热壁面。通风壁面尺寸为长*宽*高=30m*0.5m*0.5m，通风壁面处有三个尺寸相同的通风口，通风口尺寸与送风口尺寸一样。上述的长是指x方向，宽指y方向，高指z方向。

2 数值模拟分析

2.1 物理模型的简化假设

地下室内空气流场为三维湍流流场，为了准确分析模拟结果，特做出以下假设：

（1）地下室内流动的空气视为理想且不可压缩气体；

（2）流动的空气物性为常数[6]；

（3）地下室内部没有湿传递；

（4）空气的流动状态为稳态、湍流；

（5）送入地下室内的冷风量足够；

（6）送风口处输送的冷空气温度较地下室工作温度低但相差不大；

（7）地下室周围壁面与空气存在对流热交换；

（8）通入地下室内的气流速度不高，湍流程度小；

（9）地下室内辐射换热不计；

（10）地下室内无其他气流组织[7]；

2.2 物理模型及边界条件设定

就上述30m*5m*20m的地下室而言，入口设为速度入口边界条件，并在进口处设置等温条件；由于出口速度和压力未知，出口设为自由流出口；除速度入口和自由流出口外，周围都设为壁面边界条件。其中除了底面和通风壁面设为等温边界条件外，其余壁面都设为对流边界条件。外界自由温度为20摄氏度。

2.3 数学模型

由于涉及气流在地下室内的流动换热问题，所以此处空气流动遵循动量守恒和能量守恒方程。又因为此处假设空气为理想不可压缩流体，故连续性方程也是满足的。由于是完全湍流问题，不存在层流区及层流到湍流的过渡，故采用标准k-e模型、标准壁面函数[8].另需求解输运方程。

（1）连续性方程

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能产生项；Gb是由于浮力引起的湍动能产生项；YM代表可压缩湍流中脉动扩张的贡献；C1ε、C2ε、C3ε是经验常数；ɑk、ɑε分别表示湍动能和耗散率对应的Prandtl数；Sk、Sε是源项。

3 模拟结果分析

首先保持送风速度，送风温度不变，进行速度场和温度场的模拟，即分析在稳态情况下地下室内气流的速度分布和温度分布，取送风温度为30摄氏度，送风速度为0.1m/s。本文采用的求解器为默认设置，即压力基、绝对速度；由于采用压力基求解器，所用的格式只能为隐式格式。本文采用的湍流模型为标准k-e模型，相应的壁面函数为标准壁面函数，算法采用SIMPLE算法。

在采用三维模型进行模拟时，必须要创建内部面才能查看计算结果[9]。此处创建z=0，y=2.5的等值面进行察看，并且建立（0，2.5，0）、（30，2.5，0）的线段，察看此线段的散点图。从tecplot后处理软件画出的等值线和云图混合图如下

由上面的云图、等值线图和散点图可看出，z=0截面截过通风壁面，从z=0截面的温度分布云图可以看出，最左上角送风口处温度最高，从最左上角一直到三个通风口处温度逐步降低，由于采用置换通风方式，进风口处气流的温度较工作区温度低，而且温度较高的气流会向上流动。此处气流经过三个通风口处依次向下流动，故温度降低。气流在经过三个通风口向下流动时将z=0截面分为四个区域，其中从最左侧到第一个通风口所在区域温度最低，约为293K。在气流从三个通风口逐步下降的过程中，温度降低幅度不大，温度梯度较小，故热量交换不够强烈。

从z=0截面的速度分布云图来看，与其温度云图类似，还是最左上方送风口处速度最大，约为0.1m/s，气流从左上方横向经过三个通风口时速度逐渐降低。由于置换通风送风速度较低，动量较小，故湍流强度较低。气流从三个通风口向下流动时，速度降低幅度不超过0.05m/s。虽然速度变化较小、动量交换不强，但是从速度云图可以看出，分成的四个区域中没有气流流动，即气流流动速度为0，产生了动量损失。当气流流到此截面最下端时，都斜向右流动，直至气流流动到最底端也未发生掺混现象。气流每经过一个通风口都会出现分流情况，除了经过每个通风口向下流动之外，在横向，气流从一个通风口流向另一個通风口时，中间行程中速度保持均匀，直到到达另一个通风口时，速度才会减少。

从y=2.5截面速度分布云图来看，由于置换通风的送风速度较低，动量交换弱，所以截面各点速度近乎保持均匀，相差不大，不会使人体产生强烈的吹风感。中间的三个小涡处速度较高，三个小涡处的速度由外到内均匀增大，逐步增加0.005m/s，在涡核处速度最高。第一个涡的涡核处速度为0.035m/s，第二个涡的涡核处速度为0.03m/s， 第三个涡的涡核处速度为0.025m/s，气流从送风口到三个小涡处速度会发生小幅的降低，离出风口越近，产生的涡层数越多，涡核处速度越高，动量交换越强烈；离出风口越远，产生的涡层数越少，动量交换越弱。涡的周围速度较低，第一个涡的周围速度为0.005m/s，第二个涡和第三个涡周围没有流线，速度为0

分析y=2.5截面温度分布云图可知，温度线相对速度线分布比较密集，说明热量交换较动量交换强烈。涡和涡的周围温度相差不大，但是三个涡的周围温度较低，气流在经过第一个涡之前，温度基本保持均匀，热量交换弱。在第一个涡附近温度为294.5K，在先不考虑三个涡处的温度分布，而只考虑涡周围温度分布的情况下，离第一个涡越远，温度越低；从第二个涡开始，每经过一个涡，温度均匀降低，温度下降0.5K，当气流彻底远离第三个涡时，温度更低，降至293.5K。三个涡处的温度较其周围的温度要高，且每个涡由外向内温度均匀升高，上升幅度0.5K，在涡核处温度最高。前两个涡的涡核处温度为296.5K，第三个涡的涡核处温度为296K。三个涡处热量交换强度基本一致，与距送风口的远近无关。

从上面z=0截面处的流线图可看出：由于冷空气较重，有向下流动的趋势，所以此截面底部冷空气密度大，流线相对较密集，不过从各个通风口流到底部的冷空气温度差别不大，热量交换较弱。气流从第二个通风口流向底端时发生了掺混现象，虽然气流有回升，但是回升现象不明显，说明浮升力影响较小。

从线段line15的速度散点图可看出，速度大小呈连续变化，未出现阶跃现象，说明动量和能量一样，不会突然增大或减小。在位置0-5m和11-15m处，速度基本保持不变，大小接近于0，说明此处动量交换很微弱；整体来看，速度出现了三次波动，且位置越远，波动幅度越大，速度变化越大，动量交换越强，湍流强度越高。从位置x=5m处速度开始增长，到大约x=8m位置处，出现了一个速度极大值，约为0.0275m/s，然后到大约x=11m处速度逐步下降。由x=5m到x=8m及x=8m到x=11m处速度变化幅度基本相同，动量交换强度基本一样。从x=15m处速度又开始逐步增加，直到大约x=17m处出现了第二个速度极大值，大约为0.035m/s。这段时间内的速度变化率要比x=5m到x=8m区间要大，速度变化更快，动量交换更强烈，接着速度值又开始下降直到x=18m，从x=8m到x=11m和x=17m到x=18m虽然速度变化幅度基本一致，但是后者位置变化小，说明后者动量交换更强烈；从x=25m处开始不断增长直到约x=26m的位置，这时速度达到了最大值约为0.0425 m/s，在这一段区间内速度变化最快，动量交换最强烈。在特征长度和空气物性参数保持不变的情况下，雷诺数达到最大，湍流强度达到最高。在x=26m位置之后，速度先快速下降然后平缓下降，直到x=30m处速度为零。

观察线段line15的温度分布图，从位置x=0处到约x=2.5m处温度平缓增加，热量交换微弱；x=2.5m到x=5m及x=10m到约x=14m温度基本保持均匀，这两段区间内几乎不发生热量交换。而在约x=6m到x=10m位置处，温度变化较大，热量交换变强，在约x=8m处出现第一个温度极大值，约为23摄氏度。在x=25m到约x=26m处也是如此，此段区间内出现了另一个温度极大值。在x=15m到约x=17.5m位置处出现了温度最大值，约为23.75摄氏度，其余区间段温度变化较平缓。换热强度较低，但是这条线段上的所有点均比送风温度低，而根据置换通风热轻冷重的原理，温度较低的空气都向下流动，也可以说位置越低，空气温度越低，故这条线段低于送风口。

再保持送风温度不变，将送风速度改为0.25m/s，从tecplot后处理软件得到的y=2.5，z=0截面速度等值线和云图混合图如下：

从y=2.5截面速度分布圖可以看出，与送风速度为0.1m/s相似，除了三个小涡处之外，周围速度分布比较均匀，约为0.0125m/s，可以认为没有动量交换，而且周围速度小于三个小涡处的速度。在三个小涡处有较密集的速度线，说明三个小涡处有较强的动量交换。观察三个小涡由外到内速度均匀增加，在涡核处速度最大，这与送风速度为0.1m/s时的规律相似，第一个涡的涡核处的速度为0.1m/s，第二个涡的涡核处的速度为0.075m/s，第三个涡的涡核处的速度为0.0625m/s。经发现，三个涡的最外层速度都为0.0125m/s， 第一个涡的涡核处速度和最外层速度相差最大，且第一个涡的涡层数最多。故涡层数越多，速度差越大，动量交换越强烈。

观察z=0截面可以得出，送风口处速度最大，气流每过一个通风口发生分流，且速度降低，离送风口越远，通风口处速度越低。由于冷空气密度较大，气流会向下流动。气流从每个通风口向下流动时速度均匀减小，三个通风口处下降的气流彼此不发生掺混。由于气流从三个通风口下降的过程中速度发生了变化，即发生了动量交换，最后速度都变为0.0125m/s。从横向来看，从送风口到第一个通风口以及从一个通风口到另一个通风口前速度保持均匀，只是在分流处发生动量交换。从三个通风口可看出，第一个通风口处速度较其他两个通风口处速度大，故第一个通风口处下降的气流动量交换最强烈，第三个通风口处速度最低，说明距送风口越远，动量损失越大。

通过比较可以发现，送风速度为0.1m/s与送风速度为0.25m/s的两截面速度分布规律相似，y=2.5截面速度分布比较均匀；z=0截面通风口处速度变化都比较均匀，由于冷空气比较重，所以会向下流动，向下流动时未出现中途回升现象。当送风速度取0.25m/s时，在y=2.5截面三个涡处的速度变化较大，故送风速度越大，动量交换越强。但即便有较强的动量交换，也没有出现在某一处速度急剧增加的情况，故置换通风送风速度取0.1-0.25m/s内都是可行的。

接着保持送风速度0.1m/s不变，改变送风温度至45摄氏度，用tecplot软件得到的y=2.5和z=0截面温度分布图如下：

从y=2.5截面温度分布图可以看出，在三个小涡处的温度要比其周围的温度要高，且距离送风口较远的涡的周围温度较高，离送风口越近，周围气流的温度越低。故从左向右看，第三个涡周围温度最低，约为294.25K，第二个涡周围温度次之，且离第二个涡越近，周围温度越高，距第二个涡较近的周围温度为296.75K，第一个涡周围温度最高，约298K。观察整个截面图可以看出：自左向右，前两个涡周围温度线分布较密集，第三个涡周围温度线分布较稀疏，故前两个涡周围温度较高，且气流每经过一个涡温度逐步均匀降低。这三个涡呈层状分布，由外向内温度逐步均匀增加，每过一层温度都增加1.25K，在涡核处温度最高，第一个涡的涡核处温度为301.75K，第二个涡的涡核处温度为303K，第三个涡的涡核处温度为299.25K。可以通过涡的涡核处温度和最外侧温度差的大小来判断三个涡处热量交换的强度，这三个涡的涡核处温度和最外侧温度差近乎一致，可以认为这三个涡的热量交换强度是一样的，由于三个涡处温度线分布较密集，所以换热强度高。第三个涡之后的区域各点温度恒定为293K，可以认为无热量交换。

由z=0截面温度分布图可知，送风口处温度最高为318K。从横向看，自送风口到第一个通风口且自一个通风口到另一个通风口之前，温度保持均匀，只有在气流分流处温度才发生变化，离送风口越远，通风口处温度越低。由于冷空气较重，故经过通风口时有向下流动的趋势。气流从通风口下降的过程中，温度逐步均匀降低。当下降到最底端时，温度达到了最低。

从上面的流线图可以看出，经过第一个通风口下降的气流出现了回升现象，上升至第二个通风口处与其气流发生了掺混，从第二个通风口下降后回升的气流与从第三个通风口下降后左侧回升气流发生了接触，从第三个通风口下降后右侧回升的气流回升到了第三个通风口，发生了轻微掺混现象。

通过比较可以发现，送风温度为30摄氏度和送风温度为45摄氏度时温度分布规律相似，在y=2.5截面上三个涡处热量交换较为剧烈，涡的周围温度较低，在三个涡处由外到内温度逐步均匀升高，只是当送风温度为45摄氏度时，三个涡处的温度变化较大，涡核处温度较高。在z=0截面上都存在分流现象，气流从通风口下降的过程中，温度都是均匀降低的。而且横向看气流在每经过一个通风口前温度保持均匀，在分流处温度降低，当送风温度为45摄氏度时出现了较为明显的气流回升现象。说明送风温度越高，浮升力影响越大。

4 结束语

（1）采用置换通风方式选用的送风速度低，紊流度小，不会出现速度过大或紊流度过大而造成的强烈吹风感，采用置换通风时，适当的送风温度可以保证人体的热舒适。

（2）保持送风温度不变，当送风速度取0.1和0.25m/s时，y=2.5和z=0两截面的速度分布规律类似，冷空气从通风口经过时发生分流，从通风口向下流动的气流同时斜向右流动，彼此互不掺混。在y=2.5截面上三个小涡的周围速度分布较均匀。然而当送风速度取0.25m/s时，在y=2.5截面上的三个小涡处速度变化较大，动量交换较剧烈。

（3）虽然y=2.5截面处动量交换较强，但是送风速度取0.1m/s和0.25m/s时都未出现速度急剧增大的情况，故置换通风速度取0.1-0.25m/s都可行。

（4）保持送风速度不变，当送风温度取30摄氏度和45摄氏度时，y=2.5和z=0两截面温度变化规律类似，但是送风温度为45摄氏度时，在y=2.5截面上三个小涡处温度变化较大，可得出： 温度越高，热量交换越剧烈。同时观察z=0截面气流流线图可知，两种送风温度下都出现了掺混现象，当送风温度取45摄氏度时回升现象较明显，所以送风温度越高，浮升力影响越大。送风温度越高，向下流动的冷空气量越少，地下室积聚的热量越不容易带走，人员舒适性越难以保证。故取较低的送风温度30摄氏度较适宜。

（5）从z=0截面气流流線图可看出，当送风温度取30摄氏度和45摄氏度时，虽然在截面底部空气的温差不大，热量交换不强，但是积聚的冷空气量多。

（6）利用tecplot软件可以很直观地看出某截面的温度、速度值，从而容易判断某截面的温度和速度变化规律。

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