室內氣流組織計算方法的概述與展望

馬文娟

（安徽理工大學理學院數學系 安徽 淮南 232001）

室內氣流組織計算方法的概述與展望

馬文娟

（安徽理工大學理學院數學系 安徽 淮南 232001）

分別介紹了四種不同的預測室內房間的空氣分布方法：射流理論分析、模型試驗、區域模擬以及基于計算流體力學方法的數值模擬。并對這四種方法加以分析和比較從而得出數值模擬法是計算室內氣流組織的最好方法，最后對其領域未來所研究的一些內容進行了展望。

射流理論分析；模型試驗；區域模擬；CFD

0 引言

近年來隨著生活水平的提高，人們待在室內的時間越來越長，因此室內空氣質量的好壞與一個人的健康狀況更加密切，而為了保持良好的室內空氣質量設計好的室內氣流組織是最為關鍵。因此如何預測室內氣流分布與我們的健康狀況有著重大關系，室內氣流組織計算已經成為室內環境研究方面的熱門話題，國內外開展了非常多這方面的研究。目前主要有四種預測室內空氣分布的方法：射流理論分析、模型試驗、區域模擬以及基于計算流體力學（Computaional Fluid Dynamics: CFD）方法的數值模擬。這些方法都是一些研究人員最近提出的，分別適用于不同的建筑、不同的通風形勢并且根據不同的要求而視情況而采用。本文將分別對這四種方法進行介紹和對比另對該領域的未來的研究內容進行一些展望。

1 室內氣流組織的計算方法

我們知道在很多情況下，實測室內氣流組織由于投資高，周期長、實現比較復雜或者難以模擬實際情況而不方便使用，所以很多學者提出了其他方法來預測室內氣流分布，下面分別一一進行闡述。

1.1 射流理論分析法

射流理論分析方法始于上個世紀80年代，并于90年代建立了一系列射流公式用于室內空氣分布的預測，具體做法是采用射流公式對空調送風口射流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進行預測，該方法的優點是預測成本低，預測周期短，是所有方法中最簡單和經濟的。但是由于這些射流公式是基于某些標準或理想條件理論分析或實驗得到的。由于建筑空間越來越復雜化、多樣化和大型化發展，實際空調通風房間的氣流組織形式變化多樣，采用射流公式計算勢必會帶來較大的誤差。并且，射流分析方法只能給出室內的一些集總參數的信息，不能給出設計人員所需的詳細資料，無法滿足設計者詳細了解室內空氣分布情況的要求。

1.2 模型實驗法

模型實驗法的理論依據是流體力學里面的相似性原理，我們知道如果兩個房間在幾何上相似的話，那么在氣流速度和氣流組織上面也有一定的相似規律，所以該方法就是通過建立一個實驗模型來模擬室內氣流組織，從而從模型的氣流組織情況得到室內氣流組織的分布。因此模型試驗是最精確的一種獲得數據的方法。但是它需要較長的試驗周期和昂貴的試驗費用，搭建試驗模型耗資很大，通常情況下單個試驗耗資在3000-20000美元，近年來隨著人力費用的上漲，試驗所花費的經費可能會更大。而且對于不同條件，可能還需要多個試驗，耗資還會增加，周期也長達數月以上，難于在工程設計中廣泛采用，而且為了滿足所有模型試驗要求的相似準則，其要求的試驗條件可能難以實現。

1.3 區域模型法

區域模型是將房間劃分為一些有限的宏觀區域，認為區域內的相關參數如溫度、濃度相等，區域間存在熱值交換，通過建立質量和能量守恒方程并充分考慮區域間壓差和流動的關系來研究房間內的溫度分布以及流動情況，該方法成本較低實驗周期也較短，但是計算結果的準確性不高，只是一種相對“精確”的集總結果，試驗涉及到的參數越多誤差越大。另外該方法不能再機械通風中使用。

1.4 計算流體力學（CFD）法

計算流體力學法（CFD,下同）就是利用計算機求解室內空氣流動控制方程組的數值模擬預測方法。1985年丹麥學者尼爾森首次利用計算流體力學方法對室內空氣流動進行了數值模擬，隨著計算機技術和湍流模擬技術的發展，CFD方法有了很大的發展。CFD法具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨特優點，故其逐漸受到人們的青睞，CFD方法也越來越多的應用于暖通空調領域。該方法的具體做法就是在計算機上虛擬的做實驗：依據室內空氣流動的數學物理模型，將房間劃分為許多小的控制體，把控制空氣流動的連續的微分方程組離散為非連續的代數方程組。結合實際的邊界條件在計算機上數值求解離散所得的代數方程組。只要劃分的控制體足夠小，就可以認為離散區域上的離散值代表整個房間內的空氣分布情況。在目前的預測室內空氣分布的方法中，CFD方法具有不可比擬的優勢，并且由于當前計算機技術的發展，CFD方法的計算周期和成本也完全可以為工程應用所接受。

2 結論與展望

以上分別介紹了四種不同的室內氣流組織的計算方法，對于它們的特點我們進行一系列小結和對比，詳見表1。

表1 四種不同預測方法的對比

從上表可以看出，數值模擬法具有其他方法不可比擬的優越性，因此，CFD方法可應用于室內空氣分布情況的模擬和預測，從而得到房間內空氣的各種物理量的詳細分布情況，這對于保證良好的房間氣流組織、提高室內空氣品質以及減少建筑物能耗都用重要意義。所以目前對室內氣流分布的研究越來越多的集中在CFD方面，由于數值模擬法需要知道室內空氣流動的狀態和室內房間的邊界條件，但是目前這方面資料不全，因此室內送風口入流邊界條件確定、壁面邊界條件確定以及室內熱源分布等都會成為將來研究的熱門領域。

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［責任編輯：王靜］

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安徽理工大學博士、碩士基金；安徽省教育廳自然科學研究項目（NO.KJ2011Z109)。