某體育館比賽大廳氣流組織數值模擬研究

王高升,林 豹

(沈陽建筑大學,沈陽110168)

0 引 言

一幢現代化的體育建筑,除了完善齊全的體育設施外,必需有良好的空調,特別是比賽大廳的空調是體育建筑空調設計的重點。而室內氣流組織又是體育建筑比賽大廳空調設計成敗的關鍵之一,也是體育建筑空調設計方案研究和討論最多的問題。因為它不僅直接影響到建筑物內能否達到預期的空調效果,而且還涉及到空調設計方案的經濟性。對于諸如體育館類高大空間,比賽大廳的溫度、濕度、風速等參數是至關重要的,合理的室內參數不僅使運動員和觀眾感到舒服,更重要的是使各類比賽能順利進行。例如乒乓球和羽毛球比賽時,風速不宜過大,國際羽聯規定羽毛球比賽場地上方9.0m以內風速不能超過0.2m/s,而當進行籃球、排球比賽時,比賽場地風速不超過0.5m/s。因此,體育館比賽大廳內的空調溫度、濕度、風速參數,尤其是風速的大小對體育館空調設計是比較重要的,空調設計中預測氣流組織效果就顯得很必要了。目前預測空調氣流分布的方法主要有:射流公式法、區域模型法、CFD和模型實驗。鑒于CFD方法自身的優點,本文將采用CFD模擬軟件對某市一體育館的氣流組織形式進行模擬比較。

1 模型介紹

模型坐標如圖1所示,坐標原點設在比賽大廳中心位置。比賽大廳為一橢圓形,長軸直徑84m,短軸直徑78m,建筑高度29.7m,模型尺寸基本上按照實際建筑結構尺寸選取,在不影響計算結果的前提下,本文對物理模型進行了適當的簡化,固定觀眾席單排高度平均為0.45m,寬度0.8m。相對于比賽大廳空間大尺寸,座位席尺寸對氣流組織影響較小,故可以把座席區域處理為8個矩形平面、2個橢圓形平面和4個環形平面。由于屋頂不規則,模型屋頂取為網架高度。另外,由于比賽大廳建筑結構對稱,故選取其一半進行模擬計算。為方便觀測不同形式的氣流組織形式的空調效果,本文建立了三個觀測面:比賽場地上方1.7m處、9.0m處,XY平面尺寸12.0m×22.0m,觀眾席上方0.7m處一平面。

2 方案數值模擬

2.1 邊界條件

該體育館是一個多功能比賽場館,能進行諸如籃球、排球等大球類比賽和乒乓球、羽毛球等小球類比賽;室內設計參數夏季26℃～28℃,相對濕度55%～65%,風速要求大球比賽時風速不超過0.5m/s,小球比賽時風速不超過0.2m/s。座席上方四周外墻設為定溫,溫度為301K;內墻不考慮得熱,設為絕熱墻壁;考慮人員散熱及燈光輻射得熱,設比賽場地為定熱流量壁面,30W/m2;觀眾座位席及屋頂均設為定熱流量壁面,分別為170W/m2、5.16W/m2;本文以沈陽當地氣象資料為基準,計算出總冷負荷,確定總送風量為178000m3/h。送風口設為速度進口,設定速度和溫度,速度為4.85m/s,溫度為290K;回風口設為自由出流;三個觀測面設為內部聯接界面;對稱中心面設為symmetry對稱面;流體域邊界條件設為流體。

圖1 比賽大廳模型

2.2 模型假設

為了簡化問題,作如下假設:

(1)比賽大廳里的空氣流速遠遠低于風速 (什么風速),流場中壓力和溫度與自由湍流相比,數值變化很小,所以相應的密度變化就可以忽略了,可以認為空氣是不可壓縮的,其密度不變,故本文將室內氣流設為不可壓縮理想氣體。(2)空氣流動為穩態流動。(3)室內空氣為輻射透明介質。

2.3 控制方程及計算方法

根據以上假設其控制方程為:

本文的模擬軟件為FLUENT軟件,該軟件可以很精確地模擬所研究對象的空氣流動、傳熱、污染物擴散等物理現象。在工程應用的模擬中,可能用到的模型主要標準k-ε模型、低雷諾數k-ε模型、整合后的k-ε模型 (RNG)、零方程模型等。本文選擇標準k-ε兩方程模型,利用有限體積法來解決三維穩態不可壓縮粘性流體的湍流流動。采用SIMPLE算法聯立求解各離散方程,動量、紊流脈動動能和紊流脈動動能耗散率均采用一階迎風格式進行離散。

3 計算結果及討論

3.1 側送下回方式氣流分布模擬與分析

(1)風口布置:

噴口安裝高度為18m,直徑為0.5m,送風口風速為4.85m/s,送風下傾角為0度,風口之間距離2m左右。回風口布置在比賽場四周,風口距地高度1.0m,Y方向平均布置4個,X方向平均布置2個,均為對稱布置,場地四角各布置一個。

(2)溫度分布:

由圖2和圖3可以看出,觀眾席上方溫度為26～28℃,后排兩側稍高于前排;比賽場地上方1.7m處溫度分布基本處在27℃,滿足設計要求。(3)速度分布:

圖4 觀眾席上方0.7m處速度分布

由圖4、5、6可以看出觀眾席上方0.7m處氣流速度基本在0.3m/s以下,滿足 《采暖通風與空氣調節設計規范》(GB50019-2003)舒適性空調夏季設計風速要求。比賽場地上方1.7m處氣流速度小于0.2m/s,靠近回風口區域的速度為0.3m/s～0.5m/s,比賽場地上方9.0m處風速遠小于0.2m/s,滿足乒乓球、羽毛球比賽要求。

3.2 上送下回方式氣流分布模擬與分析

(1)風口布置:

送風方式為上送風比賽場地四周回風,其他風口尺寸參數均與側送風相同。風口安裝高度為屋頂下網架高度,比賽場地上方風口間距9.0m×16m,觀眾席上空風口間距分別為8.0m×9.0m,8.0×7.0m。

(2)溫度分布:

由圖7、8可以看出,上送風方式的溫度分布比較平均,基本在28℃;比賽場地上方1.7m處溫度分布基本處在27℃,滿足設計要求。

圖7 觀眾席上方0.7m處溫度分布

圖8 比賽場地上方1.7m處溫度分布

(3)速度分布:

從圖 9、10、11可以看出,比賽場地上方1.7m處速度為0.1m/s,低于0.2m/s;比賽場地上方9.0m處速度遠小于 0.2m/s,滿足小球比賽要求。觀眾席上方速度小于0.3m/s,滿足 《采暖通風與空氣調節設計規范》(GB50019-2003)舒適性空調夏季設計風速要求。

圖11 比賽場地上方1.7m處氣流速度分布

3.3 兩種送風方式氣流分布模擬結果的分析比較

從溫度分布云圖可知:兩種送風方式基本都能滿足設計要求,上送風方式的工作區溫度分布比較平均,溫差小,但相對于側送風方式工作區溫度偏高;側送風工作區的溫度變化相對較大。兩種送風方式工作區風速都滿足要求,側送風工作區風速變化要比上送風工作區風速變化劇烈,溫度分布的變化趨勢恰好與速度變化趨勢一致。兩種送風方式都滿足設計要求,但從空調效果來看,側送風方式較佳。

4 結語

(1)本文用數值模擬計算的方法獲得了比較直觀的氣流流場分布圖及數據,結果表明本文選用標準k-兩方程模型及SIMPLE算法在體育館類高大空間數值模擬中具有合理性,為體育館類大空間復雜氣流組織的研究提供研究參考;

(2)模擬比較了側送風和上送風兩種氣流組織下體育館比賽大廳夏季的氣流流場分布,上送風比較容易獲得理想的速度場分布,但是溫度場沒有側送風好;

(3)兩種送風方式都滿足設計要求,但從空調效果來看側送風方式較佳,在設計溫度要求相同的情況下,側送風的溫度較低,因此可以適當提高送風溫度并且同時滿足設計要求,那么側送風方式的能耗就相對較低,比較經濟,故在設計方案都滿足要求時,采用側送風方式為好。

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