利用CFD模拟通风小室壁面结露分布的规律

王 威 姜建中 王 戎 吕 芳

利用CFD模拟通风小室壁面结露分布的规律

王 威 姜建中 王 戎 吕 芳

（军事科学院国防工程研究院 北京 100850）

提出了一种在含有湿热源的情况下，通风对室内温湿度分布和壁面结露分布影响的三维非稳态数学模型。利用CFD对该模型进行数值计算，分析了通风强度对空间及墙体壁面湿度和温度分布的影响；模拟了不同通风方式下，室内壁面结露面积的动态发展过程。模拟结果表明，通风方式对室内空间及壁面的温度、湿度分布和结露形成的影响显著。

CFD模拟；通风；壁面结露；温湿度分布

0 研究背景

湿度是评价室内空气品质的重要参数，不仅影响人体的热舒适性，而且严重制约建筑物的功能发挥[1,2]。就人居环境的舒适性而言，高湿度环境会促使霉菌繁殖、病原体滋生，继而诱发人体出现哮喘和过敏等症状，严重威胁居住者的健康；低湿度环境则引发人体皮肤干燥、眼睛干涩和呼吸道不适，甚至导致静电的产生，造成安全隐患[3,4]。对一些特殊的建筑而言，例如手术室、重病房、游泳馆和植物大棚等，温度和湿度标准的控制至关重要。此外，墙体、地面及屋顶结露也是建筑所面临的一个严重的问题，当墙体附近空气的含湿量超出墙体温度相应的饱和含湿量时，引起墙体壁面结露，继而导致墙体表面剥落、发霉、造成围护结构腐蚀，降低建筑物寿命[5]。因此，研究室内温湿度环境以及墙体结露分布规律具有现实意义。本文着重研究在室内潮湿的环境中，通风方式对温湿度分布和墙壁结露的影响。

1 模型建立

1.1 几何模型

模型空间围护结构为中空双层钢化玻璃幕墙，可忽略壁面的吸湿能力，方便实验过程中观测壁面结露的情况，地板和顶棚均设有保温材料，顶棚开设风口，与进风口相接的风管上装有变频轴流风机，通过调节风机频率来模拟不同的通风强度；模型置于恒温为20℃的实验室内，可通过模型地板中央的蒸发式加湿器来调节和模拟加湿工况；中心截面处布置12个温湿度探测元件对空间和壁面进行温度和湿度分布的测定。

实验工况见表1，实验模型测点及概要见图1。

表1 实验工况

图1 模型概要与测点布置

表2 模型的边界条件设定结果

1.2 模型假设

建立数学模型前，需对模型作五点简化假设[6]。

（1）忽略重力场对空气和水蒸气的影响；

（2）空气和水蒸气均视为不可压缩流体，密度为恒定值；

（3）水蒸气从水面蒸发时，只进行潜热交换，不考虑显热交换；

（4）水蒸气在壁面凝结时，忽略相变过程的放热量；

（5）壁面结露过程中，不考虑壁面的吸湿能力。

1.3 数学模型

采用FLUENT 14.0湍流模块（Standard-）分析流场特性，组分输运模块（Species Transport）和多相流模块（Multiphase）模拟水蒸气在空气中的传质相变过程。其控制方程如下[7]：

1.4 壁面结露的判据

壁面结露的条件：壁面周围的空气节点绝对湿度D大于壁面温度对应的饱和绝对湿度D时，即认为壁面开始结露；

壁面不结露的条件：任意时刻，壁面周围的空气节点绝对湿度D均小于壁面温度对应的饱和绝对湿度D时，认为壁面不结露[8]，即：

2 仿真与实验结果

2.1 温度和湿度分布的仿真结果

（a）室内温度分布

（b）室内湿度分布

图2 不同工况下室内温度和湿度分布曲线

Fig.2 Temperature and humidity distribution of space interior in different cases

图2（a）所示，通风强度的改变对空间温度的分布规律影响显著，风速在2.5m/s的工况下，温度随高度的增加呈现出先平缓降低，后迅速上升的趋势；风速在3.5m/s的工况下，温度变化相对缓和，整体呈现出小范围波动的规律；风速在4.5m/s的工况下，温度分布与工况1成截然相反的规律，即温度随高度的增加先升高后降低。

图2（b）所示，相比壁面湿度变化规律而言，通风强度的变化则会改变空间内部的湿度分布规律，即三种通风工况下，距离地板到空间中央位置附近的区域范围内，湿度均呈现逐渐增加的趋势；距离中央位置附近到顶棚的区域范围内，湿度则开始呈现出不同的变化趋势，其表现为：风速为2.5m/s时，湿度随高度的增加而增大；风速为3.5m/s时，湿度变化趋于平稳；风速为4.5m/s时，湿度随高度的增加而降低。

2.2 壁面结露的仿真结果与实验对比

图3所示为工况2时，试验测量与模拟计算的壁面湿度动态变化比较，实验时间与模拟时间均为20分钟。图示，实验数据与模拟结果的变化规律是基本一致的，随着时间的推移，壁面、顶棚（测点P1-6、P2-6）和地板（测点P1-1、P2-1）各测点的湿度逐渐趋于平稳，当测点的湿度等于饱和绝对湿度值时，表明开始结露；当测点湿度超出饱和绝对湿度值，表明结露量增加。例如，测点P1-6、P2-6、P2-5、P2-4的湿度随着时间的推移不断增大，当其湿度值分别大于各自的绝对饱和湿度（图中«表示）时，该点区域开始结露；当湿度值超过绝对饱和湿度持续增大时，则表明该点区域的结露量持续增加。测点P1-1、P2-1、P2-2、P2-3的湿度值虽然随时间推移最后趋于平稳，但小于各自点的绝对饱和湿度值，因此不发生结露。

2.3 两种通风方式模拟结果的对比分析

不改变送风参数的条件下，利用Fluent软件模拟两种不同通风方式下室内壁面结露形成与发展的变化情形，分析研究气流组织形式对于缓减、改善室内结露情形的作用。

（a）10min

（b）15min

（c）20min

（d）25min

图4 不同通风方式下壁面结露的动态分布（工况2）

Fig.4 Dynamic variations of condensation distribution on walls in different way of ventilation

图4所示为有内湿热源的空间，工况2时两种不同通风方式下壁面结露分布的动态变化模拟图。对比图中4个时刻的壁面结露面积可知，上送上回通风方式对应的结露面积大于上送下回的通风方式；从壁面结露的分布区域分析，上送上回的送风方式下，结露位置开始于四周壁面的交接部位和墙角处，随着水蒸气的不断产生，结露面积沿各个壁面开始扩大，最终布有风口的天花板结露面积最大，四周墙壁的结露面积由高到低依次减小，地板结露面积最小；上送下回的通风方式下，结露位置开始于布有回风口壁面与左右墙体的交线处，且墙脚地方结露情况严重，随着水蒸气的不断产生，结露面积逐渐向两侧墙壁蔓延，回风口四周和送风口一侧的天花板顶部开始出现结露现象，靠近回风口的墙角结露加重，从整体结露分布来看，布有送风口一侧的墙面基本没有发生结露，地板结露面积很小。从减小结露风险的角度而言，对于有内湿热源的房间采用上送下回的通风方式优于上送上回的通风方式。

（a）上送上回通风方式

（b）上送下回通风方式

图5 各壁面结露面积所占比值

Fig.5 The percent of condensation area on each wall

表2 壁面坐标位置

（a）上送上回通风方式

（b）上送下回通风方式

图6 通风方式示意图

Fig.6 The percent of condensation area on each wall

图5（a）为上送上回通风方式中，不同通风强度时各个壁面及屋顶、地板结露面积百分比柱形图。从图中可知，在相同的通风强度下，各壁面的结露情形并不完全相同，随着通风强度的逐渐增加，各壁面的结露面积都发生明显降低的趋势，例如通风速度为2.5m/s、3.5m/s、4.5m/s时，地板的结露面积分别为60%、30%和5%，证实了通过改变通风强度可以有效地降低壁面结露的风险。图5（b）为上送下回通风方式中，不同通风强度时各个壁面及屋顶、地板结露面积百分比柱形图。从图中可知，通风强度对各个壁面结露面积的大小起决定性作用，同时各壁面的结露分布区域又有所不同，例如风速为3.5m/s时，布有送风口壁面的结露面积最大，而布有回风口的壁面结露面积最小。随着通风强度的逐渐增加，各壁面的结露面积都明显降低，例如通风强度为2.5m/s、3.5m/s、4.5m/s时，送风口一侧壁面的结露面积分别为96%、65%和10%，甚至在回风口一侧壁面的结露现象消失，同样验证了改变通风强度可以有效地降低壁面结露的风险。

比较图（a）和图（b）可知，以通风强度3.5m/s为例，上送上回通风方式下，顶棚结露面积为90%，壁面1、4的结露面积约为70%，壁面2、3结露面积约为98%，地板结露面积为30%；上送下回通风方式下，顶棚结露面积为30%，壁面1、2的结露面积为40%，壁面3结露面积约为3%，壁面4的结露面积为65%，地板结露面积为5%。由此可以看出，相同的通风强度下，改变通风方式（风口的布置位置）可引起壁面结露面积发生变化，进而可以寻求最佳的通风方式来降低室内发生结露的风险。

3 结论

本文建立数学模型，并利用FLUENT软件进行数值模拟，研究了通风方式对室内温湿度和壁面结露分布的影响，通过实验模型的验证和数值模拟计算，得出以下结论：

（1）提出的数学模型经FLUENT软件计算室内空气温湿度分布后，与实验模型测量的数据具有一致的变化趋势，且精度较为理想，误差在可接受范围之内；

（2）在通风方式不变的条件下，改变通风强度可以有效改善室内除湿和结露问题，通风强度增加，室内整体湿度水平降低，壁面的结露面积会相应减小；

（3）在通风强度不变的条件下，改变通风方式对于室内壁面结露的情形影响显著，对于湿气较重的场所，通过优化通风方式可以有效降低壁面的结露风险；

（4）从通风角度而言，通风强度决定壁面结露面积的大小，通风方式则决定壁面结露的分布区域。

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Using the CFD simulation of the ventilation chamber wall condensation distribution rule

Wang Wei Jiang Jianzhong Wang Rong Lv Fang

( Research Institute for National Defense Engineering of Academy of Military Science PLA China, Beijing, 100850 )

Under the condition of containing damp and hot source, presents a three-dimensional unsteady mathematical model described with effects of ventilation on distribution of indoor temperature and humidity and surface condensation on walls. Using the CFD software to numerical calculation, this paper researches on effects of the intensity of ventilation on distribution of temperature and humidity in space and on the surface of walls, and simulates the dynamic development process of condensation area of surface on walls under different ways of ventilation. The simulation indicates that the way of ventilation has a big influence on distribution of temperature and humidity in space and on walls surface, as well as the development process of condensation.

CFD simulation; Ventilation; Surface condensation; Temperature and humidity distribution

TU834.2

A

1671-6612（2019）05-556-06

王 威（1988.12-），男，硕士研究生，工程师，E-mail：327354496@qq.com

2018-02-13