中央空調房間室內流場數值模擬分析

賈學斌

(中鐵建設集團有限公司，中國 北京100040)

0 引言

小型中央空調融合傳統中央空調和家用空調的優點，其在空間利用、安裝方便和節能等方面的優勢，目前成為未來空調發展的主流。隨著我國國民經濟的增長，建筑和房地產業的迅猛發展，人們生活水平和支付能力的提高，及對居室裝潢、品位的要求的提高，人們對室內空調系統的舒適性要求越來越高。空調風口為與室內氣流有直接關系的裝置，不同送風位置、速度和送風角度都會影響室內氣流組織，而不同氣流組織形成不同溫度場、速度[1-5]，直接影響空調效果與室內舒適性。本文運用流體動力學數值模擬計算軟件，采用k-ε湍流模型對夏季中央空調房間中常用的側送下回風送風形式進行數值模擬研究，分析了不同送風角度對室內氣流組織的影響，進而對室內舒適性進行了探討，為該送風形式下送氣角度的調節設計提供參考。

1 數值方法

1.1 物理模型及網格

如圖1，計算模型房間空間大小為6m×4m×2.9m，中央空調進風口和出風口以側送下回風方式安裝在房間吊頂處，進風口尺寸為0.6m×0.15m,出風口尺寸為0.6m×0.26m。本文主要研究不同送風角度下的室內氣流，為簡化模型，省略室內人員或座椅等模型。流場空間采用四面體網格離散，網格數量180多萬。

數值計算中，入口給定風速恒定的速度入口邊界，合速度大小為2m/s，送風溫度為 17℃， 送風角度分別為 45°、70°、90°，如圖1(b)所示；出口設為自由出流邊界；墻壁、地面及天花板壁面為無滑移墻面，采取零熱流條件，即絕熱邊界；房間初始溫度為310.16k（即37℃）。

圖1 數值模擬計算模型及邊界條件示意圖

1.2 數學模型

為簡化問題，作如下假設：（1）房間內空氣低速流動，視為不可壓縮流體；（2）空氣在室內為穩態流動；（3）忽略四周墻壁的輻射量；（4）不考慮四周墻壁的漏風影響，認為房間氣密性良好。

數值計算采用k-ε湍流模型，k-ε湍流模型是工程上常用的一種渦粘性模型，它和代數模型的主要差別是k-ε湍流模型的渦粘性系數μt包含了部分歷史效應，將渦粘性系數和湍流動能與湍流動能的耗散率聯系在一起，具體的方程見參考文獻[6]。

2 結果與分析

為了清楚描述吊頂處空調不同送風角度下，室內氣流分布的情況，取剖面y=0分析各送風角度下室內的速度場和溫度場分布。如圖2（a）和（b）所示，在送風角度為 90°時，入流空氣送至左側，在左側墻上受到阻礙，并向下流動與出風口形成對流，與左側熱空氣混合降溫；氣流在房間右下方回旋成較大的低速漩渦。而70°送風角度情況下，由于角度偏下，部分入射氣流碰右墻后向上流動，而向下流動與出風口對流的流速相對較低，導致冷風送風強度不足，該工況下室內左下及下部區域冷空氣未能與熱空氣充分混合降溫，左側大部分區域溫度302K以上，未達到較好的降溫效果。在送風角度45°時，入流氣流向房間中部送，在入流兩側分別形成漩渦，其中右側漩渦回旋速度較高，使氣流向右送并與右側熱空氣混合降溫，整體降溫情況比其他兩種情況好。但該情況下低溫區集中在房間中下部人活動頻繁區域，且氣流流速較高，會影響室內舒適度。

圖2 各吹風角度下y=0剖面速度場和溫度場

為了進一步分析不同送風角度對室內舒適度的影響，取z=0.8m截面進行速度場和溫度場分析。從圖3中可以看出，送風角度為90°和70°情況下，右墻附近溫度均最低，這是由于右墻周圍流速較高，熱空氣可得到充分的降溫。送風角90°情況下，0.8m高度截面溫度分布較均勻，溫度范圍在27℃至30℃范圍內，大部分區域風速小于0.1m/s。送風角70°時，截面整體風速較90°情況下小，但由于風速較小，送風能力較小，左側大部分區域溫度范圍在302.5K以上。送風角度45°時，參考平面中部出現局部低溫，且風速高于0.5，不滿足舒適度要求。

對各送風角度工況下，對z=0.8截面對溫度和速度取平均后得到：送風角度分別為90°、70°和45°下，參考平面平均溫度分別為301.56K、302.15K和301.58K,平均速度分別為0.13m/s、0.11m/s和0.10m/s?？芍卮咕€送風角度越小，水平切面平均風速越小。三種情況下，參考平面均達到了降溫要求，但送風角度越小，送風氣流向地面方向送風，會在房間中部人活動區出現局部低溫和較大風速區，不滿足舒適度要求。

3 結論

本文通過對夏季中央空調房間吊頂安裝側送下回氣流組織進行數值模擬，分析、比較計算結果，得出該方式不同送風角度對室內溫度場和速度場的影響，結論如下：

（1）送風角度為45°或更小時，入流氣流向地面送風，會使冷風集中在室內中部，出現局部低溫和較大風速區，且使熱空氣在對流過程中產生較多漩渦，影響室內舒適度。

圖3 各吹風角度下z=0.8剖面速度場和溫度場

（2）送風角度在90°或70°時，入流氣流通過端墻的阻擋，沿端墻與出口形成對流，使房間溫度和速度分布更均勻。

（3）送風角度在90°時，降溫效率較 70°情況高。

總之，在實際工程應用中，綜合考慮房間布局與空調進出口安裝位置，選擇合理的送風角度，對提高空調效率，空調房間內舒適度有重要意義。

［1］王敬歡,黃虎,張進賢,等.空調房間不同送風角度的數值模擬[J].南京師范大學學報：工程技術版,2011(02)：53-57.

［2］鐘武.夏季辦公室空調房間氣流組織的數值模擬[J].制冷與空調,2011(03)：304-308.

［3］江海斌,宋新南,張國芳,等.分層空調氣流組織的CFD模擬研究[J].鄭州輕工業學院學報：自然科學版,2008(02)：91-94+116.

［4］仉洪云,陳次昌,魏存祥,等.空調送風角對辦公室氣流組織影響的數值研究[J].建筑熱能通風空調,2008(04)：52-55.

［5］王健敏,陳鳳娟,栗艷.辦公室低溫送風空調系統的氣流組織研究[J].暖通空調,2008(04)：90-92+124.

［6］Fluent Inc.FLUENT User’s Guide[Z],2006.