空调房间气流组织的数值模拟研究

空调房间气流组织的数值模拟研究

杨仪威 李世影 高健

中建安装集团有限公司华西公司 陕西西安 710065

摘要：随着社会的进步和经济的发展，人们的生活水平不断提高，对居住和工作的建筑环境有了更高的要求，因而对通风空调技术也提出了更高的要求，空调效果成了人们关心的重点。空调室内的气流组织直接影响着空调系统的使用效果，是关系着房间工作区的温湿度基数、精度及区域温差、工作区的气流速度及清洁程度和人们舒适感觉的重要因素，是空气调节的一个重要的环节。本文采用CFD方法，对办公室空调房间内的气流组织进行三维数值模拟计算，并对模拟的结果进行分析讨论。

关键词：气流组织；数值模拟；速度场；温度场

1物理模型

本文所研究的空调办公室房间尺寸为6.8m×6.0m×4.0m，柜式空调机送风口的尺寸500mm×300mm，送风口中心距地1.55m，回风口的尺寸为500mm×500mm，回风口贴地。立式空调机斜侧放置在墙角，与墙壁成45°夹角。空调房间有11台计算机、11个人员、4盏荧光灯等热源。为了简化计算，计算机为400mm×400mm×400mm的正方体模型，其中心距地1m；人员为坐姿，为一个400mm×400mm×1200mm的长方体模型；荧光灯为50mm×50mm×1200mm的长方体模型，距地2.6m，白天不考虑灯光照明。坐标原点为房间的几何中心。简化的物理模型如图1。

图1房间的物理模型

2数学模型

为了简化问题，作如下的假设：

（1）室内气流为不可压缩常物性牛顿流体，稳态湍流流动，且符合Boussinesq假设；

（2）不考虑太阳辐射以及房间内部各表面的辐射换热影响，固体壁面上满足无滑移条件，在计算模型中不考虑；

（3）门、窗、墙壁密闭性好，不考虑漏风的影响。

根据实际情况采用的计算方法是由Launder和Spalding等提出的k双方程模型。模型的控制方程为：

①连续性方程

（1）

式中，u_i为x_i方向上的时均速度，m/s。

②动量方程

（2）

式中，ρ为空气的密度，kg/m³；P为空气静压，Pa；ρg_i为i方向上的体积力，N/m³；F_i为由热源引起的源项；µ为运动粘度，Pa·s。（3）③能量守恒方程

式中，μ_t为湍动粘度，Pa·s； ；P_r为湍流普朗特数；S_h为体积热源。

④湍流动能k方程

⑤湍流动能耗散率ε方程

式（1）～式（5）中，C_1ε=1.44，C_2ε=1.92，C_μ=0.09，σ_k=1.0，σ_ε=1.3。

3边界条件

采用GAMBIT建立计算模型，并进行计算网格的划分。采用Fluent流体分析软件求解离散控制方程，模型各边界条件可描述如下：

（1）入口边界：送风口定义为速度入口，送风速度为1.4m/s，送风温度为22℃；湍流动能取k=0.04，湍流动能耗散率取ε=0.008。

（2）出口边界：回风口定义为出流。

（3）壁面边界：空调房内壁面边界设为恒温边界，其温度为26℃；电脑为热源体，热流量为150W；人员也设为热源体，热流量为75W。

4模拟结果与分析

本文主要截取了送风口Z=-0.45m平面，人的脚踝处Z=-1.9m平面，人的头顶处Z=-0.9m平面，以及X方向上人员在不同位置即X=-2.4m、X=-0.4m、X=0.4m、X=2.4m的四处平面来分析，以下是模拟计算的出来的空间气流流线图、速度矢量图、温度等值线图（如图2~图5）。

由速度矢量图，从送风口出来的气流以较低的温度射入房间，由于其温度较低，相对的密度大，容易向下流动。冷风流在向下运动的过程中不断吸收热量，温度慢慢地上升，并同时受到室内高温气流上升运动的影响及周围空气的阻碍，使得射流区沿程面积增大且速度减慢。在一定时间内速度衰减幅度大，速度较快地减小。当射流到达地面附近时，开始贴着地面流动，受到障碍物的影响射流的方向发生了一定的偏转；接着由于受到墙面的阻碍和热空气上升运动的影响，气流沿着壁面向上爬升，最后沿着天花板周壁，流向出风口。

图2 Z=-0.45m截面速度矢量图 图3 Z=-0.45m截面温度等值线图

从图2、图3，可以看出，在送风口平面由于射流速度的减小以及壁面的影响，在射流方向的两侧有大面积的回流区，在远角处有两处明显的涡流。热流密度大处的涡流区的温度明显大于其余的区域，且温度的分布梯度也较大，但大部分区域的温度分布均匀。

图4 Z=-0.9m截面速度矢量图 图5 Z=-1.9截面温度等值线图

从图6～图9可以得出，人的头部与人的脚踝周围温度差小，基本上在1℃～2℃的范围内，不会引起人的不舒服。

结合速度矢量图和温度等值线图分析得出，在距离送风口近的人员和气流射流下落较快处的人员有稍微的吹冷风感。但大部分人员所处的位置的风速都小于0.3m/s，不产生吹风感。在送风口的远角的人员周围和头部的温度高，热舒适感较差，是由于低速气流遇到壁面，流动减缓，产生了回流和涡流，致使该处的余热不能及时的排除而造成的。但整个空调房间的温度分布较均匀。

5结论

本文基于CFD方法，应用Fluent模拟软件对办公室空调房间在送风温度为22℃，风速为1.4m/s时室内气流组织的情况进行了数值模拟，并得到了房间内的速度场和温度场，分析后得到以下结论：

（1）冷气流在运动过程中受到障碍物和热气流的影响，速度衰减较快，射流的方向也会发生一定的偏转，在房间内会形成一定面积的回流区和涡流区，人在空调房间的舒适性受到影响。在斜侧上送下回方式中，射流方向的两侧的远角有明显的涡流区。在涡流区气流速度太小，则扰动较小，容易形成死角。

（2）人员在不同的位置的速度场、温度场分布不一样，热舒适感明显不一样。在风口附近的人员有吹冷风感，在远角处的人员有明显的过热感。

参考文献

[1]杨苏, 楚广明, 逯广林. 空调房间气流组织的数值模拟研究[J]. 节能, 2014(1):22-26.

[2]吕品, 束永保, 许登科. 空调房间室内气流组织的数值模拟研究及应用[J]. 安徽理工大学学报（自然科学版）, 2005, 25(4).