自然通风状态下室内数值模拟研究

(沈阳建筑大学 辽宁 沈阳 110168)

随着建筑事业的大力发展，人类活动逐步向室内转移，良好的室内通风有助于人的身体健康。校园建筑的大力发展，作为同窗这位提供良好的学习坏境；在空调设备相对缺少的课室，借助天然力气把室内新鲜空气增添室外，用以保持室外的热湿均衡，坚持室外相对平稳的舒服状态。湖南大学的潘尤贵，借助对于长沙地区寓居建筑设计冬冬季室内外热环境的实测考查，给出来改善室外热环境的办法。重庆大学陈启高、李百战等等采纳热舒服评估指标PMV—PPD模型和建筑设计动态热模型及流体力学(CFD)模仿紧密结合的办法别离对于宠幸地域通风卧室及埋管空气流通卧室展开了室内气候及热舒服模仿剖析，树立了室外热环境模拟和评估模型，给出了重庆地区房屋热舒适指标[1]。本文利用流体模拟软件FLUEN对沈阳某高校自习室的热环境进。

一、地理气象条件与气流组织

(一)沈阳地区的地理气象条件

沈阳市位于中国东北地区的南部、辽宁省的中部，属于温带半湿润大陆性气候，四季分明，温差较大，冬季寒冷且持续时间长，夏季时间较短且多雨，春秋两季气温变化迅速：春季多风，秋季晴朗。全年气温变化范围在-29～35℃，平均气温8℃。全年平均风速为3.1m/s，最大风速为29.7m/s。

(二)气流组织

在房间内气体的流动模式以及通风口所在的位置、通风口的模式和通风口的大小以及数目相关。不同的气流组织会形成不同的速度场、温度场、相对湿度以及其他相关空气参数的分布，对人体舒适度产生不同程度的影响。进风口的入流前提对于房间内速度场的影响一定，而是房间内速度场的散布也直接决定着房间内温度场。在气流组织的挤压与稀拉两大准则中其，稀拉准则易于逐步形成液体流动的漩涡，在漩涡流区中其的热湿替换比照显着，形成了均匀的室内气流场和热湿度场，更有利于人体与环境的热湿交换。因此可见合理的气流组织设计可把高品质的空气送到最需要的地方，同时使室内温度和气流速度达到均匀，避免冷吹风和温差过大，在保证空气品质的同时满足人体热舒适[2]。

(三)人体热舒适

热舒适是指人体对热环境的主观热反应；而热舒适度是指人们对客观热环境从生理到心理方面所感受到的满意程度而进行的综合评价。美国供暖、制冷与空调工程师协会标准(ASHRAE Standard55—1992)[3]中明确定义：热舒适是指对热环境表示满意的状态。热舒适度的影响因素分为个人因素和环境因素，环境因素：空气温度、湿度、气流速度以及辐射温度；个人因素：人体着装的热阻以及人体新陈代谢率。不同的气流组织会在室内形成不同的速度场和温度场，不同的温度场和速度场对热舒适有着不同的影响。

二、模型的建立与边界条件的设立

(一)自然通风模型的建立

选取沈阳建筑大学某自习室为几何模型，其几何尺寸X×Y×Z=7.798m×11.740m×3.724m，外墙包含3个推拉式铝合金窗户，尺寸Y×Z=0.765m×1.569m；内墙有两扇门，尺寸Y×Z=0.828m×2.193m，两扇门之间的距离为9.784m；室内课桌81张，尺寸为X×Y×Z=0.415m×0.640m×0.838m；室内有灯18个，尺寸为X×Y×Z=1.25m×0.1m×0.05m。在室内选取8个测量点，分别是在外侧靠近窗户处分布3个(由东至西编号分别为1～3)，中间位置分布3个(由西至东编号分别为4～6)，在内测分布2个(由东至西编号分别为7～8)。

图1 室内分布图

图2 室内测点分布图

(二)边界条件的建立

1.网格的划分

现阶段常见的网格章节包罗:Hex(六面体章节)，Hex/Wedge(主要应由六面体造成，极个别位置容许有楔形体)。常见的网格类别包罗:Map(规定的构造网格)，Submap(颗构造网格)，Cooper(非构造网格)，TGrid(混合网格)等等。本文采用的是非结构混合网格，网格大小为0.08，增长率为1.2，最大网格为0.2，共划分出2716085个网格。

2.边界条件

结合沈阳市自身的气候特点，教室内进行自然通风时，室内气流是三维稳态湍流，模拟过程中气流为低速流动的不可压气体，选用κ-ε湍流模型进行模拟求解。测试当日的气象条件：晴，空气温度29℃，南风4级，相对湿度47%。则设置教室窗户为气流的速度进口，教室的门为气流的自然流出口。进风参数值：环境温度27.3℃，气温作为0.93m/s，相对湿度作为57.4%，室外平均辐射环境温度作为27℃，室内灯作为恒定输出功率35W。对室内的温度场和速度场进行模拟分析。

(三)参考平面的划分

选区三个水平和三个竖直参考平面作为研究平面，参考平面ⅠⅡⅢ为水平参考平面，参考平面ⅣⅤⅥ为竖直参考平面。参考平面Ⅰ为人以脚踝所处的平面，即(x,y,z)=(0,0,0.1)(0，10,0.1)(7,10,0.1)；参考平面Ⅱ为人在坐着学习情况下腹部所在高度，即(x,y,z)=(0,0,0.6)(0,10,0.6)(7,10,0.6)；参考平面Ⅲ为人在坐着学习情况下头部所在高度，即(x,y,z)=(0,0,1.1)(0,10,1.1)(7,10,1.1)。参考平面Ⅳ(x，y，z)=(0,2.8,0)(0,2.8,3)(5,2.8,3)；参考平面Ⅴ(x，y，z)=(0,5.9,0)(0,5.9,3)(5,5.9,3)；参考平面Ⅵ(x，y，z)=(0，8.9，0)(0,8.9,3)(5,8.9,3)。

三、CFD数值模拟

为了更为直观的对气流进行分析，采用了数值与模拟相结合的方法，运用了ANSYS中的FLUENT功能模块的湍流模型。对于当今应用最广泛流体力学模拟软件的FLUENT，包含的湍流模型有单方程(Spalart-Allmaras)模型、k-ω(包含Standard κ-ω和SSTκ-ω)模型、双方程模型(包含标准κ-ε模型、重整化群(RNG)κ-ε模型、可实现(Realizable)κ-ε模型)、雷诺应力模型(RSM)、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。由于κ—ε模型的经济型和稳定性，因此，在实际操作中采取模型为κ—ε模型。另外激活模拟软件的传热计算功能，用于体现在模拟计算过程中热量的传播。

四、模拟分析

随着室内的分布、朝向、人员活动情况、门窗开启情况以及室外风速大小和风向的不同，对室内通风会产生不同的影响。根据所建立的物理模型，文中针对测试当天的实际情况进行数值模拟，从而得到了室内气流组织的温度、速度云图以及速度矢量图。

图3ⅠⅡⅢ平面的速度矢量图

每个测点的风压不同，其测点周围的气体流动的方向不同，根据空气流动基本原理中的风压平衡定律可知：测点风压为正时，测点周围的空气流动为顺时针方向；测点风压为负时，测点周围空气流动方向为逆时针方向。在Ⅰ和Ⅱ平面内的气流在进气气流的末端开始向四周发散，在遇到墙壁的阻挡情况下气流改变流动方向；由于Ⅱ平面位于教室课桌的下部平面一下，受到可做的阻挡和反射作用，在个别地方的气流稍显混乱；由于Ⅲ平面的位置处在进风口底部所处平面的上方，受近期气流的影响较大，进气气流的速度较大，两侧的气流速度较小，因此在近期气流的两侧形成漩涡，涡流流动的方向为捡起气流的左侧为逆时针方向，右侧为顺时针方向。涡流的形成加大室内的热湿交换效率，明显增强室内的热舒适性。

表1 室内各测点风压

图4ⅠⅡⅢ平面的速度分布云图

表2 室内各测点风速表

室内各个测点的风速不同，整体呈现出外侧速度小，内测速度大。由于平面Ⅰ和Ⅱ位于进风口底部所在平面的下方，平面Ⅰ和Ⅱ内的风速大小受到进气风速的影响和室内布置的影响。两个平面内均出现风速不均的现象，且最大风速小于0.2m/s，未使人感到有吹风感，其中Ⅱ平面受课桌的影响较大，平面内呈现的风速不均现象更加明显；在平面Ⅲ位于进风口底部所在平面的上侧，气流在室内形成“穿堂风”，在气流末端的速度为0.5m/s，大于0.3m/s，因此在气流入口处至气流末端会使人产生强烈的吹风感，使人感到不适。

图5 ⅠⅡⅢ平面内的温度分布云图

表3 室内各测点温度分布表

图6ⅣⅤⅥ平面内的温度分布图

由平面Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ可以看出，室内不同高度的温度分布不同，由底部往上温度升高，最大温差为0.8℃。由平面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ可以看出，在每个平面上，四周的温度高于中间的温度。可见，室内总体温度分布呈现环形分布，环形外部的玩电脑不眼低于环形内部的温度，同时，有浮生力的作用，热气流上升，使得近地面温度偏低，在垂直于地面的方向上会形成温度梯度，当温度梯度过大时，会使人产生不舒适感。

五、结论

通过模拟可以得出，在自然送风情况下，室内在Ⅰ平面温度分布基本一致(除四周靠近墙壁处温度较低外)，风度分布相对合理，无使人产生吹风感的区域；在Ⅱ平面内温度分布在四周大部分区域温度偏低于中间位置小部分区域温度，风速分布相对合理，无使人感到吹风感的区域；在Ⅲ平面内除了在进风口区域的风速较大，给人以吹风感，其他地方的气流速度分布比较合理，由于进气温度高于室内温度，所以室内大部分区域温度与外界相近。

此次模拟仅对于初夏室内自然通风，其他情况下的通风还需要进一步的研究。