基于平衡环境型房间量热计的房间工况数值模拟与验证

李晨韵 范越 徐擎 黄莉 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

随着我国经济的发展，空调已经成为人们生活中必不可少的一部分，制冷量是评估一台房间空调器是否达到出厂要求的重要指标之一，如何准确测量空调的制冷量是空调计量的核心问题。

平衡环境型房间量热计的工况控制系统由空气处理机组中的电加湿器、电加热、冷却盘管等设备组成，是检测制冷量大小的关键设备。为了使每次测量的结果有可靠的理论参考值，因此，通过对平衡环境型房间量热计的工况控制系统进行数学建模，测量结果与仿真计算结果偏差在允许范围之内则认为测量结果真实可靠。

平衡环境型房间量热计室内侧的试验房间内，空气流动状态是一个复杂且不规则的流动传热过程，基于三大物理守恒定律，附加湍流模型，同时设置壁面函数求解流场变化大的近壁面，通常使用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD 技术）获得试验房间的空气流场分布[1-5]。

本文将基于平衡环境型房间量热计的试验房间作为研究对象，采用CFD方法，对房间的工况控制进行仿真模拟分析，为实际测量结果提供理论参考。

1 模型建立

1.1 气流状态

平衡环境型房间量热计试验房间中的空气经过空气处理机组和房间空调器的处理后进入试验房间，和试验房间内的空气进行湿热交换，空气流动路径如图1所示。由此可见，试验房间的温度场、速度场的均匀性和稳定性与试验房间内的空气流动状态有关。

图1 试验房间空气流动路径

平衡环境型房间量热计作为一台高准确度制冷量检测设备，对试验房间的气流组织要求很高，包括测量数据采集点附近的气流只能有很小的横向运动，试验房间内要求气流分布均匀，有较好的换气效果。所以，试验房间的气流组织采用挤压原则，即送风机将房间内的湿热空气从回风口压回空气处理机组和房间空调器中。

平衡环境型房间量热计采用双侧送风方法，这种送风方式的优点在于测量区域的速度场和温度场状态都趋于稳定和均匀。

1.2 房间三维物理模型

以某空调制造厂家提供的平衡环境型房间量热计室内侧的房间尺寸、房间内空气处理机组的尺寸和房间空调器的尺寸为参考，保留空气处理机组的送、回风口和房间空调器的送风口的几何尺寸，以及影响壁面温度分布的壁面材料。在保证计算精度的前提下，尽可能减少网格数量，提高计算速度，构建简化的试验房间三维物理模型。为了简化模型，省略试验房间中的电加湿器部分，在数值模拟中，对试验房间的湿度分布不做研究。平衡环境型房间量热计在工作状态下处于密闭状态，室内侧空气和外界无热交换，所以计算域为试验房间内部区域。试验房间的三维物理模型如图2所示，具体参数如表1所示。

图2 平衡环境型房间量热计物理模型

表1 平衡环境型房间量热计试验房间内各设备尺寸

1.3 流场数值计算模拟过程

采用CFD 数值计算方法解决平衡环境型房间量热计室内侧的试验房间空气流场数值计算问题，需要建立合理的三维物理模型、几何网格划分、设置合理的初始条件和边界条件[6-7]。用 CFD 法求解研究对象的过程中，可以借助相关软件对流场数值计算进行模拟，流程如图3所示。

图3 流体数值计算模拟流程

平衡环境型量热计室内侧的流体区域应满足三维流动控制方程。根据质量守恒定律，三维湍流模型满足式（1）[8]：

式中：ρ—— 空气密度；

u，v，w—— 速度矢量分别在x，y，z轴上的速度分量；

t—— 时间

同时流体运动在x，y，z轴上的速度分量满足动量守恒定律，得到：

式中 ：ui,i∈x,y,z——速度矢量在x，y，z轴上的速度分量；

p—— 流体微元体上受到的压力；

xi,i∈x,y,z，xj,j∈x,y,z—— 单位时间内通过x，y，z轴的流体微元体的质量；

Fi,i∈x,y,z—— 流体微元体上受到的各种力；

τij,i,j∈x,y,z—— 在j方向上作用于与i所垂直的平面的力

平衡环境型量热计中存在热交换，因此，模型满足能量守恒定律：

式中 ：cp—— 比热容 ；

T—— 温度 ；

K—— 流体的传热系数；

ST—— 耗散项

平衡环境型量热计室内侧的空气流动属于大空间的空气湍流问题，因此，采用standardk-ε模型，其湍流脉动动能k[9]：

式中：ul—— 湍流黏性系数；

cu—— 经验常数

数值模拟时采用SIMPLEC方法对速度和压力进行耦合，数值差分精度选取二阶精度进行计算。

在对平衡环境型房间量热计室内侧试验房间空气状态开展研究时，首先利用Gambit软件处理绘制试验房间的物理模型，并划分计算域的网格，再通过FLUENT实现数值计算，最后用Origin对模型求解结果进行后处理。

1.4 网格划分

CFD 数值计算方法求解流动和传热问题，所得解的结果好坏和网格划分的质量有密切的关系。高质量的网格节点可以大大提高其计算精度和计算效率。

根据平衡环境型房间量热计的物理模型可知，无法利用结构化网格对其进行划分，因此，将计算域分成房间空调器部分、空气处理机组部分，采用Tet/Hybrid型进行非结构化网格划分。最后生成了2 815 929个体网格，其中96.7%的网格质量在0.8以上，网格质量符合要求。网格模型如图4所示。

图4 平衡环境型房间量热计模型网格

1.5 边界条件设置

流场分析问题复杂多变，但其大部分的质量方程、动量方程、能量方程是已知的。在进行流体问题解析中，关键在于不同流场具有不同初始条件和边界条件，所设置的初始条件和边界条件的合理性，直接影响模型计算结果的精度和收敛性。对平衡环境型房间量热计室内侧的试验房间空气流场边界条件，主要有进出口边界条件、壁面边界条件进行设置，边界类型及参数设置如表2所示。

表2 边界条件设置

2 仿真与试验结果分析

2.1 仿真分析

平衡环境型房间量热计室内侧的试验房间处于密闭状态，房间内空气流动速度较低，所以可将其视为不可压缩气体的湍流流动[10-12]。利用FLUENT软件进行模拟仿真时，设置有限体积法作为数值求解方法，选择standardk-ε作为湍流模型，能量、动量方程采用二阶迎风格式进行离散，设置能量收敛标准1e-06。仿真结果如图5、图6所示。

图5 横截面温度云图

图6 横截面速度场云图

图5给出了试验房间X轴、Y轴、Z轴方向上各截面的温度分布云图。仿真结果表明，房间空调器的送风温度低，送出冷空气的密度比试验房间内空气密度大，所以冷空气下沉。在房间空调器的出风速度叠加重力的作用下，试验房间的底部温度较低。试验房间的空气温度越高，房间空调器送风气流对温度影响越小，但是试验房间的下部分温度则受送风影响较大，尤其是房间空调器出风射流范围内的空气受其影响更大。

图6给出了试验房间X轴、Y轴、Z轴方向上各截面的速度分布云图。结合图5，观察x=1.55 m截面的温度场云图可知，房间空调器吹出的冷风使房间空调器周围温度低于试验房间温度，由X轴和Y轴方向上的各截面速度场云图可以看出试验房间空气气流的流动方向。房间空调器和空气处理机组的风向相对，导致气流到中间位置产生碰撞，形成湍流，中间位置的风速比周围风速低，在0.4～1 m/s。然而气流的对撞导致气流和试验房间原有空气的对流换热降低，使中间位置的温度相对较低，在298 K左右。

从Z轴方向上的各截面可以看出试验房间左右壁面区域的温度较高。由于这两块区域处于气流回流位置，和各方向上的气流充分接触，导致两部分的空气温度偏高，和试验房间的其余部分产生温差，最高温度达到300 K，最大温差约2 K。对比Z轴方向上各截面的温度云图和速度云图的分布情况可知，风速越大的区域，温度越高。Z轴方向上的温度云图表明，越靠近房间空调器位置的截面，温度越低，温差越大，越靠近空气处理机组位置的截面，温度越高，温差越大，Z轴方向上的速度云图表明了越靠近房间空调器和空气处理机组的截面，风速越大。由此可知，在Z轴方向上存在截面温度温差最小，速度最小的位置。

通过仿真分析的结果可知，房间内的传感器分布情况和空调器本身都可能影响试验房间内的工况控制，下面分别针对上述三种情况进行试验验证分析。

2.2 平衡环境型房间量热计室内侧试验房间仿真结果验证

由于受试验条件的限制，无法对试验房间的各个截面进行温度监测。为了对模型进行验证，选取试验房间壁面上的点和模型壁面上的点进行对比。为了体现立体温度场的温度分布情况，选取不同壁面的多个温度点进行对比，温度点分布如图7所示。

图7 温度监测点分布

将稳态仿真的各温度点监测值和试验房间实测温度点监测值进行对比，结果如表3所示。

由表3可知，模型仿真得出的监测点温度和实际温度点监测量存在一定的误差，误差大小如图8所示。

表3 模型的稳态温度场监测点数值与试验房间实测温度数值对比

根据图8可知，温度监测点的实际测量值和模拟值大致相吻合，各监测点的温度分布和变化趋势基本一致，误差大小约±0.2 K，小于要求的±0.3 K。从不同壁面温度监测点的数值可以发现tc2-2、tc4-2、tc3-1、tc3-2、tc3-3、tc3-4 这些点的温度变化较大，这是因为右侧壁面安装供实验人员进出的门，并且房间空调器的摆放位置也会对壁面温度造成影响。

图8 温度监测点实际测量值与模拟值及其误差

3 结语

本文建立了平衡环境型房间量热计室内侧试验房间的三维物理模型，并且对模型的计算区域进行了非结构化网格划分。确定了数学模型的假设条件、控制方程、初始条件和边界条件，选择了标准k-ε湍流模型算法，利用CFD数值模拟技术对平衡环境型房间量热计试验房间的空气状态稳定过程进行分析研究，解算房间内部各个测量点的温度值，并测量实际环境中的温度值。结果表明，仿真结果与试验结果基本一致，且试验房间的温度场、速度场的均匀性和稳定性与试验房间内的空气流动状态有关，试验房间内传感器分布情况和空调器本身的位置也会影响试验房间内的工况控制。