某空调房间上送下回气流组织的数值模拟

　　摘要采用数值模拟方法，利用FLUENT软件模拟了不同情形下两种气流组织形式下空调区的二维温度场、速度场的变化情况及差异性，通过模拟结果分析了回风口的位置对整个空调房间的流场和温度场的影响，结果表明采用上送异侧下回的方式时，室内的气流组织分布较好。当室内送风方式选择上送下回时，送、回风口最好对角布置，以提高送风作用的有效性。

　　关键词空调房间;温度场;速度场;数值模拟

　　0引言

　　随着经济的发展和生活水平的日益提高，室内空气品质受到人们越来越多的重视[1]。不同的气流组织形式，其在室内形成的温度场、速度场均不相同，并且不同的气流组织形式的能源消耗量也不相同。室内空气品质的高低将直接影响人们的工作效率甚至身体健康。因此，关注室内气流组织形式，追求健康、节能的空调方式对提高室内热舒适性和建筑节能具有重要的意义。

　　目前，随着计算机和模拟仿真技术的逐渐成熟，人们对建筑室内环境及气流组织进行模拟，预测各种工况下室内温度场、速度场的分布规律，对不合理的通风方式加以改进，以达到设计优化的目的[2]。利用FLUENT软件模拟不同送风速度下2种气流组织形式(上送同侧下回、上送异侧下回)空调区的二维温度场、速度场的变化情况及其差异性，以期为实际空调工程中气流组织的设置提供参考。

　　1模型的建立

　　1.1物理模型

　　以济南市某空调房间为例，气流组织形式为上部送风，下部回风。送风口和回风口尺寸均为0.4m×0.3m。为简化计算，将空调房间视为空腔，不考虑室内热源和设备的影响。由于建筑结构较简单，因此模拟时采用了二维模型，只研究房间宽度与高度截面的温度与速度分布规律。风口顶部距房顶20cm，回风口的底部距地面20cm。送风速度(v)分别为2.0m/s，2.5m/s和4.0m/s，对房间气流分布进行数值模拟。

　　1.2数学模型

　　在解决实际问题时，需要对室内气流流动作假设或简化[3]：1)稳态湍流传热问题。2)流体按连续介质处理[4-5]。3)室内空气为低速不可压缩流体。4)密度采用Boussinesq假设，其他物性取常数。5)忽略流体中的黏性耗散。6)不考虑漏风影响，认为房间内气密性较好。7)忽略室内物体间或与墙壁之间的辐射作用。

　　1.3控制方程

　　该问题可以看作二维强迫对流和扩散问题，其直角坐标系中的通用控制方程为：Syxxyyvxu()()()()t()(1)其中：为流体密度(kg/m3);t为时间(s);U为流体速度矢量(m/s);为通用变量，比如动量方程中的x，y，z方向上的速度分量u，v，w(m/s)，能量方程中的温度T(K)，浓度方程中的浓度c(mol)等;为广义扩散系数;S为源项，本文模型简化为无内热源稳态传热问题，因此S为0。

　　1.4边界条件

　　忽略太阳辐射及地板传热的影响，假设房间的上下侧是绝热的，右侧墙为北外墙定壁温条件，温度为308K;左侧墙为南外墙，考虑到南外墙为热墙并受空调工作时散发热量的影响，将南外墙设为定热流密度条件，其值为50W/m2;送风温度为293K;回风口温度为303K，且出口边界满足总体质量守恒修正[6]。

　　2求解方法

　　2.1数值方法

　　采用SIMPLE算法对压力速度耦合问题进行求解。采用标准k双方程湍流模型，方程采用有限体积法进行离散，动量方程与能量方程的离散选用一阶迎风格式，并在动量方程离散形式的求解过程中加入松弛因子处理。设置收敛标准：能量方程为1×10-6，流动方程为1×10-3。由于是传热问题，故开启能量方程。

　　2.2模拟方法

　　使用GAMBIT建立几何模型，区域内网格划分采用结构化网格，网格单元为均匀四边形网格，对流动剧烈区域的网格进行加密处理，以使计算结果更加准确[7]。采用FLUENT软件模拟计算。

　　3模拟结果及分析

　　3.1房间数值模拟速度矢量

　　可以看出两种气流组织形式下，气流由送风口送入，形成贴附有限空间射流，气流在重力的作用下向下流动，之后气流在回风口流出，在房间内部形成了一个大的涡旋区域。当气流组织为上送同侧下回时，约在房间的正中间位置形成了涡旋区，房间中间部位及四个墙角处速度较小，房间上部及下部速度较大。而上送异侧下回的气流组织形成的涡旋区在靠近右墙出风口处，速度较大的部位在进风口、出风口、出风口上侧及左侧区域，房间其他各处区域速度都较小。在旋涡气流的诱导作用下，大部分污染物可随气流由回风口流出，但在涡旋中心和墙角处，由于速度过小，气流扰动不强，可能出现污染物因排出不及时而发生污染物存留的现象。

　　3.2速度场数值模拟分析

　　室内气流的速度大小是影响人体热舒适度的因素之一，过大的速度能使人产生吹风感，引起人体的不舒适感觉。空调设计规范中规定舒适性空调夏季室内风速不大于0.3m/s。当送风速度为2m/s时。同侧送回风方式下，房间内气流速度的梯度较大，速度分层明显，容易使人产生吹风感，除房间中部外其他区域速度都不能满足人体舒适性要求。异侧送回风方式下，室内气流速度梯度较小，人员工作区风速基本都可满足要求，仅送、回风口及回风口附近的地板处气流速度稍大。

　　通过人头顶处的速度分布可看出，异侧送回风下，Y=1m处速度均随着送风速度的增大而增大，气流分布具有规律性，而同侧送回风方式则没有该规律。而且与同侧送回风相比，异侧送回风于不同的送风速度下在房间水平方向上速度分布更加均匀。同时发现最小的气流速度出现在约为房间高度的1/2处，两种气流组织下(X=5m处)速度沿高度方向出现最小值的情况。

　　同侧送回风下，X=5m处出现最小速度的高度随送风速度的增大而升高，相反，异侧送回风下，X=5m处出现最小速度的高度随送风速度的增大而降低。由于两种送风形式下室内气流都形成了旋涡，越远离旋涡中心处的速度越大，所以最小速度在高度方向上出现的高度越低，人员头顶处的速度就越低，因此认为异侧送回风下人员舒适性较高。

　　3.3温度场数值模拟分析

　　国际标准中规定：在工作区地面以上0.1m到1.1m之间的温度大小不应高于3℃，室内温度分布应符合“脚暖头凉”的要求。研究中发现两种送风形式房间内温度均随送风速度的增大而有所减小。考虑出现这种现象的原因是速度增大使得房间内气流的扰动增强，加速了室内气流的对流传热。同侧送回风方式下，房间整体温度稍高，射流方向的两侧远角有明显的高温区。异侧送回风方式下，房间整体温度分布较均匀，无明显的高温区。从V=2m/s时两种气流组织下人脚踝和头顶的温度分布中可以看出相比于上送同侧下回方式上送异侧下回能更好地符合“脚暖头凉”的要求。

　　4小结

　　通过运用FLUENT软件对不同送风速度和送风形式下空调房间内温度场和速度场的模拟分析，得出以下结论：同侧送回风方式下房间内气流速度梯度较大，速度分层明显，地面工作或休息区的速度较大，容易使人产生吹风感。房间整体温度稍高，射流方向的两侧远角有明显的高温区，很容易形成死角，通风效率低。异侧送回风方式下房间内气流速度梯度小，人员工作区速度小，在房间水平方向上速度分布较均匀，室内气流速度分布具有规律性。相比同侧送回风方式房间整体温度稍低且无明显高温区，工作人员舒适度较高。

　　本文研究发现采用上送异侧回风时，办公室房间气流组织分布更好，人员舒适度更高。所以在选择室内空气的通风方式时，要重视排风口的位置在空间气流分布中的作用，忽略该作用，将导致降低送风作用的有效性。如果室内送风方式选择上送下回时，送风口和回风口尽量不要布置在同一侧，最好对角布置。本文仅对两种送风方式下房间内的舒适度情况进行了分析，关于上送异侧回风下房间内的最佳送风速度及在该速度下室内温度、速度的分布规律还需进一步研究。

　　参考文献

　　[1]刘行安,张国强,何雪强.下送风空调房间的数值模拟[J].建筑热能通风空调,2012,31(02)

　　[2]陶文铨.计算传热学的近代进展[M].北京:科学出版社,2000

　　[3]马国彬,魏学孟.重力循环空调房间气流组织的数值模拟[J].建筑热能通风空调,2002,(02)

　　[4]钟武.夏季办公室空调房间气流组织的数值模拟[J].制冷与空调,2011,25(3)

　　[5]赖学江,王晓墨.空调房间气流组织的模拟研究[J].华中科技大学学报,2002,(2)

　　[6]陶文铨.数值传热学[M].第二版.西安:西安交通大学出版社,2001

　　[7]周俊波,刘洋.Fluent6.3流场分析[M].北京:机械工业出版社,2012\

　　相关论文投稿刊物：《制冷与空调》杂志创办于1990年，2001年正式发行，是中国制冷空调工业协会会刊，由科学技术部主管，中国制冷空调工业协会、中国科学技术交流中心联合主办的专业性期刊，国内外公开发行，国内统一刊号为CN11-4519/TB，国际标准刊号为ISSN1009-8402。国内邮发代号：2-857，国外发行代号：8402BM。