基于正交试验的新型空气幕数值模拟研究

曹冬冬，王 镝，韩 悦，初高明

（吉林省建苑设计集团有限公司，吉林 长春 130011）

0 引言

在严寒地区为了保证室内的温度，公共建筑大门经常设有防寒门斗，为了抵抗室外冷风渗透，在防寒门斗内部又会设有上送式空气幕。在生产和生活中，不同种类的空气幕使用范围广泛，设置场景多元，因此对空气幕的创新性研究至关重要。以长春市某实际防寒门斗为物理模型，根据空气幕的射流出口和回风位置的不同，创新的提出了3种空气幕安装形式[1]。利用数值模拟的方法，模拟不同的设计参数对3种空气幕安装形式下的空气幕效率的影响并进行对比分析，以期得到最佳的空气幕运行工况组合。

影响空气幕运行性能的主要设计参数有：空气幕的射程、射流速度、喷口宽度及射流角度等[2]。2017年，孙策等[3]利用Airpak模拟了某设置空气幕的购物中心冬季入口热环境，最终得到空气幕的使用可以显著改善购物中心入口热环境，发现室外风速是影响入口热环境的主要因素。因此为了更加全面的研究公共建筑大门空气幕的运行性能，将室外横向风速也作为影响因素进行研究。对公共建筑大门的研究需要考虑的因素种类较多，各因素的影响水平也各不相同，很难将所有工况进行全面研究。为解决多因素、多水平的研究问题，引入正交试验[4]，将本文研究的空气幕安装形式、射流速度、喷口宽度及室外风速4项因素列入正交分析表，根据正交试验的直观分析法对空气幕运行效果进行数据分析，得到最佳的空气幕安装形式与参数组合。

1 数值模拟

1.1 物理模型

以长春市某公共建筑食堂大门防寒门斗作为研究对象，利用ANSYS软件将该食堂大门门斗、空气幕、室内环境区域和室外环境区域物理模型进行简化，具体模型尺寸为食堂大门的尺寸：宽×高=6 m×2.9 m，食堂大门常开1扇，模拟中门洞尺寸设为：宽×高=1.8 m×2.4 m；食堂门斗尺寸：长×宽×高=8 m×2 m×3.2 m；空气幕尺寸：长×宽×高=1.8 m×喷口尺寸×0.21 m，安装于食堂大门的上部，距离门0.1 m；室内环境计算区域：长×宽×高=10 m×6 m×3.2 m；室外环境计算区域：长×宽×高=6 m×6 m×6 m。具体物理模型如图1所示。

图1 空气幕及环境区域模型

1.2 边界条件

模拟采用四面体网格进行网格划分，步长设为0.2 mm，将上述物理模型导入mesh中，并在空气幕和大门两侧流动复杂处进行了网格加密，自动生成约43万个网格。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736—2012中的室外空气计算参数进行室外风速的选取，以及人体热舒适的要求，将边界条件按表1进行设置。

表1 模拟边界条件的设置

本次研究室外风速w选取1 m/s，2 m/s，3 m/s进行对比分析。喷口宽度选取常用喷口宽度50 mm，100 mm和150 mm进行对比分析，在3种喷口宽度条件下根据弯曲模量理论计算得到空气幕最小射流速度分别为5.9 m/s，4.3 m/s，3.6 m/s，在考虑1.3~2.0的安全因子后空气幕射流速度见表2~表4[5]。

表2 空气幕出口的射流宽度为50 mm时，空气幕射流速度

表3 空气幕出口的射流宽度为100 mm时，空气幕射流速度

表4 空气幕出口的射流宽度为150 mm时，空气幕射流速度

弯曲模量Dm的计算公式为：

式（1）中：Dm为弯曲模量；b为喷口宽度，m；u为射流速度，m/s；H为大门高度，m；Tc为室内气流温度，K；Tw横向气流温度，K；T0为射流温度，K；g为重力加速度，取9.8m/s2；ρw为横向气流密度，kg/m3；ρ0为射流气流密度，kg/m3；ρc为射流密度，kg/m3。

1.3 模拟结果

首先在FLUENT中计算大门的边界条件为壁面条件时，得到内部流场达到稳态条件下大门处每个节点的x方向速度值和节点总数，此时大门处的冷风渗透量为每个节点x方向的速度与包围每个节点的控制体面积的乘积之和。再将大门的边界条件壁面条件变为内部条件，重新计算此时的冷风渗透量。根据公式（2）进行计算空气幕的效率：

式（2）中：E为空气幕效率；I为未开启空气幕的冷风渗透量，m3/s；I′为开启空气幕的冷风渗透量，m3/s。

空气幕的效率值E越接近1，即空气幕开启时的冷风渗透量I′值越接近0，几乎接近无冷风渗透，则说明此时的空气幕对冷风渗透的阻隔效果好；空气幕效率越接近0，即的差值接近0，即空气幕的启闭对冷风渗透量的影响不大，则说明此时的空气幕对冷风渗透的阻隔效果差。

2 结果分析

根据正交试验设计方法，将本文研究的空气幕安装形式、射流速度、喷口宽度及室外风速4项因素列入正交分析表，射流速度选择安全因子为1.6时的理论射流风速，具体水平设置见表5。

表5 因素水平

以空气幕效率E作为评价空气幕阻隔效果的考察指标，以直观分析法和方差分析法对该项指标进行分析，得到影响空气幕效率因素的主次，以及与空气幕安装形式（见表6）匹配的最佳参数设置，并根据此参数设置进行补充模拟。

表6 安装形式

2.1 直观分析法

直观分析法采用L9（34）正交表来设计正交试验，见表7，该表共有5列，A，B，C，D分别代表4项影响因素，第5列空列填入空气幕的效率进行分析。

表7 正交试验结果直观分析

表8中的K1，K2，K3分别表示各个因素在3种水平下的平均空气幕效率，使用平均值来反映各因素不同水平对空气幕阻隔效果的影响，可以得到该因素的最佳水平。R值表示各因素平均水平的极差，极差值的大小可以反映该因素的水平产生波动时对试验结果的影响。根据表中极差值的大小可以判断影响因素的主次顺序为：安装形式〉射流速度〉室外风速〉喷口宽度，表7中工况1空气幕效率最高，即空气幕阻隔效果最好的工况设置为空气幕安装形式为空气幕在室内、射流出口回风口异侧，射流速度为9.4 m/s，喷口宽度为50 mm，室外风速为1 m/s时。

表8 空气幕效率结果分析

2.2 正交分析指标图

正交试验的直观分析法进行模拟结果的分析，简便、直观、计算量小[6]，以影响因素为横坐标，CFD模拟得到的空气幕的效率为纵坐标进行因素指标关系图的绘制，如图2所示，得到因素最佳的参数设置组合为A3+B1+C1+D1。

从图2可以看出：对因素A即空气幕的安装形式而言，空气幕的安装形式二当空气幕在门斗内、射流出口回风口异侧时的空气幕效率极低，此种空气幕安装形式不推荐应用于实践中，空气幕的安装形式一与形式三对冷空气的阻隔效果都可以满足室内热环境需求，并且安装形式三当空气幕在室内、射流出口回风口异侧此种空气幕安装形式对冷空气的阻隔效果更好，更推荐应用于实际中。对因素B即空气幕的射流速度而言，当空气幕安全因子为1.6时，空气幕射流速度越大空气幕的效率越高。对因素C即空气幕的喷口宽度而言，空气幕的效率随空气幕的喷口宽度的升高而减小，当空气幕的喷口宽度由50 mm增大到100 mm时，空气幕的效率曲线有明显大幅度下降，而喷口宽度由100 mm增大到150 mm时，空气幕的效率曲线变化逐渐趋于平稳。对因素D即室外风速而言，空气幕的效率随着室外风速的增大而减小，并且室外风速越大空气幕效率下降的越明显，图2中当室外风速由1 m/s升高到2 m/s时空气幕效率曲线下降程度较小，而当室外风速由2 m/s升高到3 m/s时空气幕的效率曲线下降程度增大。

图2 因素指标关系

3 补充模拟

根据正交试验直观分析法得到的最佳参数设置组合为A3+B1+C1+D1，将Fluent数值模拟中的边界条件设为该种参数组合，即当空气幕的安装形式设置为三（空气幕在室内、射流出口回风口异侧），空气幕射流速度设为9.4 m/s，喷口宽度设为50 mm，室外风速设为1 m/s，根据CFD模拟计算得到在最佳的参数设置下的空气幕效率为0.875。

4 结论

根据正交试验结果分析得到影响空气幕效率的主次因素为：安装形式〉射流速度〉室外风速〉喷口宽度；空气幕效率最优的参数设置组合为A3+B1+C1+D1，即使空气幕安装形式为空气幕在室内、射流出口回风口异侧，射流速度为9.4 m/s，喷口宽度为50 mm，室外风速为1 m/s；根据最佳参数设置组合进行补充模拟得到的最大的空气幕效率可以达到0.875。新型空气幕效率较高，有着较为广阔的应用前景，可以推动我国节能事业的发展。