變截面風(fēng)管空調(diào)房間氣流組織的數(shù)值模擬

金莎，沈愜，孫大明?，張學(xué)軍

（1-浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江杭州 310027；2-長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

空調(diào)房間的氣流組織，是指確定合適的送（回）風(fēng)口形式、位置、規(guī)格、數(shù)量和送（回）風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)速、溫度等參數(shù)[1]。這些參數(shù)是影響室內(nèi)的空調(diào)效果，關(guān)系著房間工作區(qū)的溫濕度基數(shù)、精度及區(qū)域溫差、工作區(qū)的氣流速度和清潔程度以及人們舒適感覺的重要因素，成為空氣調(diào)節(jié)和工程設(shè)計的重要環(huán)節(jié)[2]。氣流組織分布規(guī)律的傳統(tǒng)研究采用模型實(shí)驗(yàn)方法，但隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）進(jìn)行數(shù)值模擬求解的方法有了很大的發(fā)展，它具有成本低、速度快且可模擬各種不同工況等優(yōu)點(diǎn)[3-6]。

室內(nèi)孔板送風(fēng)方式多用于對室內(nèi)溫度、濕度、潔凈度和氣流分布均勻性有精度要求的空調(diào)系統(tǒng)中[7]。國內(nèi)對孔板送風(fēng)的研究傾向于孔板送風(fēng)口研究，趙彬等[8-9]在2002年將N點(diǎn)風(fēng)口模型用于數(shù)值模擬室內(nèi)空氣流動的孔板類風(fēng)口入流邊界條件，其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)能滿足工程上的使用要求，在2003年將N點(diǎn)風(fēng)口模型應(yīng)用于采用孔板風(fēng)口送風(fēng)的潔凈室氣流組織模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了該模型使用的正確性；徐旭等[10]、丁國良等[11]和肖德玲等[12]對圓柱面孔板的阻力特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并擬合出其阻力特性隨開孔率變化的曲線，得出了圓柱面孔板與平面孔板送風(fēng)末端兼有的管路流量分配和阻力特性；國外SAMADIANI等[13]和ARGHODE等[14-15]研究了增壓管和孔隙率對采用孔板送風(fēng)的計算機(jī)房氣流組織影響，并對不同模型的優(yōu)劣進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)MBF模型能在保證預(yù)測準(zhǔn)確前提下減小計算工作量。

為了解孔板對流場的作用及不同送風(fēng)量下孔板送風(fēng)流場特征，本文采用CFD方法，對10 m×10 m×4 m的房間氣流組織進(jìn)行有無孔板的對比，以及1倍設(shè)計風(fēng)速和2倍設(shè)計風(fēng)速比較，總結(jié)各自不同的氣流組織特點(diǎn)，為空調(diào)設(shè)計提供依據(jù)。

1 模型建立

1.1 物理模型

采用fluent前處理軟件，對房間尺寸為10 m×10 m×4 m進(jìn)行建模，模型一為有孔板的空調(diào)房間物理模型，孔板在高度為3 m處，如圖1所示。模型二為無孔板的空調(diào)房間物理模型。其中風(fēng)管各截面面積分別為0.45 m×0.45 m、0.4 m×0.4 m、0.32 m×0.32 m和0.22 m×0.22 m，風(fēng)管布置于房間的中間，將風(fēng)口布置于風(fēng)管的兩側(cè)，風(fēng)口面積分別為0.45 m×0.3 m、0.4 m×0.3 m、0.32 m×0.3 m和0.22 m×0.3 m，且3個回風(fēng)口分布在回風(fēng)墻上，面積為0.6 m×1.0 m。

1.2 邊界條件設(shè)置

對模型的邊界條件設(shè)置進(jìn)行如下假設(shè)：

1）傳熱計算主要考慮流體的內(nèi)部傳熱，外表面?zhèn)鳠峋O(shè)定為恒熱流；

2）房間內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)的湍流流動，相應(yīng)選用κ-ε湍流模型進(jìn)行模擬；

3）房間內(nèi)空氣為不可壓縮氣體，且認(rèn)為密度是恒定值；

4）送風(fēng)口為射流參數(shù)均勻的速度入口，回風(fēng)口為自由出流；

5）假設(shè)空氣的濕度對室內(nèi)氣流組織無影響；

6）孔板層采用porous-jump邊界條件。

圖1 物理模型示意圖

2 模擬結(jié)果分析

房間送風(fēng)量按換氣次數(shù)計算，一般采用的換氣次數(shù)為(8～12)次/h，本文選擇10次/h為設(shè)計工況，因此設(shè)計送風(fēng)量為4,000 m3/h，實(shí)際中通過末端調(diào)節(jié)閥來控制每個風(fēng)口的出風(fēng)量，以保證每個送風(fēng)口風(fēng)量一致，各風(fēng)口的速度入口條件根據(jù)各送風(fēng)口的面積計算得出。分析時，以離孔板0.5 m的兩個平面z=2.5 m和z=3.0 m進(jìn)行風(fēng)速均勻性比較，并統(tǒng)計了高度方向2.5 m～3.5 m間隔0.1 m的每個平面的面平均風(fēng)速，以了解孔板前后速度變化情況。

模擬中采用的送風(fēng)孔板厚度為dx為0.01 m，孔隙率Φ為25%，其壓力跳躍系數(shù)C2為3,902，采用如下公式(1)[16]計算：

式中：

dx——送風(fēng)孔板厚度，m；

C2——壓力跳躍系數(shù)，m-1；

φ——孔隙率。

本文對氣流組織的評價采用均勻性系數(shù)δ[17]，它是在概率統(tǒng)計中反應(yīng)組內(nèi)個體間離散程度的速度標(biāo)準(zhǔn)差與面平均速度的比值，值越小，說明流場速度之間的差別越小，流場均勻性越好，計算公式如式(2)：

式中：

δ——均勻性系數(shù)；

vi——速度，m/s；

——面平均速度，m/s。

2.1 模型一在設(shè)計風(fēng)量下的模擬結(jié)果分析

模型一在設(shè)計風(fēng)量條件下平面z=2.5 m和平面z=3.5 m處的速度矢量圖，如圖2所示。從圖中可以看出，平面z=3.5 m的速度場受到送風(fēng)口影響，其速度存在一些局部速度較大的區(qū)域，造成該平面的均勻性差，而平面z=2.5 m的速度場因經(jīng)過孔板層，相比于平面z=3.5 m的均勻性有一定程度的提高。利用均勻性系數(shù)對該平面的均勻性進(jìn)行分析，可以得到平面z=2.5 m處的δ值為0.233，平面z=3.5 m處的δ值為0.395，由此可見，經(jīng)過孔板之后，風(fēng)速均勻性提高了0.162。

圖2 平面z=2.5 m和平面z=3.5 m的速度矢量圖

2.2 模型一在2倍設(shè)計風(fēng)量條件下的模擬結(jié)果分析

模型一在2倍設(shè)計風(fēng)量條件下平面z=2.5 m和平面z=3.5 m處的速度矢量圖，如圖3所示。從平面z=3.5 m的矢量圖可以看出，該平面存在明顯的回流，而平面z=2.5 m的速度場因經(jīng)過孔板層，相比于平面z=3.5 m的均勻性有一定程度的提高，但相比較于設(shè)計風(fēng)量都有一定程度下降。利用均勻性系數(shù)對該平面的均勻性進(jìn)行分析，可以得到平面z=2.5 m處的δ值為0.259，平面z=3.5 m處的δ值為0.534，由此可見，經(jīng)過孔板之后，風(fēng)速均勻性提高了0.275，且提高程度較設(shè)計風(fēng)量的0.162大。

圖3 平面z=2.5 m和平面z=3.5 m的速度矢量圖

2.3 模型二在設(shè)計風(fēng)量下的模擬結(jié)果分析

模型二在設(shè)計風(fēng)量條件下平面z=2.5 m和平面z=3.5 m處的速度矢量圖，如圖4所示。從平面z=3.5 m的矢量圖可以看出，該平面在墻壁附近存在明顯的回流，平面z=2.5 m也在靠近墻壁處有明顯的回流，但其流場均勻性較平面z=3.5 m處好。利用均勻性系數(shù)對該平面的均勻性進(jìn)行分析，可以得到平面z=2.5 m處的δ值為0.414，平面z=3.5 m處的δ值為0.454，因沒有孔板，平面z=2.5 m處的流場均勻性比有孔板存在的情況要差，而與平面z=3.5 m相比，其均勻性比差別較小，僅差0.04，這是因?yàn)槠矫鎧=2.5 m處的速度密集程度比平面z=3.5 m處要好，但面平均速度較平面z=3.5 m處小。

圖4 平面z=2.5 m和平面z=3.5 m的速度矢量圖

2.4 模擬結(jié)果對比分析

各模擬條件下孔板附近的面平均速度變化情況，如圖5所示。圖中可以看出無孔板的變化曲線比較平緩，而有孔板存在時會在孔板層位置的速度斜率存在較大的變化，使得孔板上部區(qū)域的面平均速度較大、下部區(qū)域的面平均速度較小，有利于消除下部工作區(qū)域由于風(fēng)速太大帶來的“吹風(fēng)感”等不利因素。孔板的這種作用是因?yàn)樗軐饬鳟a(chǎn)生一定的阻力，存在壓降，使得速度衰減較快，從圖中還可以看出，送風(fēng)速度越大，阻擋作用越明顯。

圖5 各模擬條件下孔板附近平面的面平均速度

3 結(jié)論

孔板通過其阻擋作用，增加上部區(qū)域氣體速度，降低下部氣體速度來改善流場均勻性。本文通過對空調(diào)房間是否采用孔板及采用不同送風(fēng)量情況進(jìn)行模擬，可以知道孔板確實(shí)可以提高空調(diào)房間流場的均勻性，且隨著送風(fēng)量的增大，孔板層的作用越明顯。由此可知，在設(shè)計中，對于流場均勻性要求較高且送風(fēng)量較大的場合宜采用孔板送風(fēng)的送風(fēng)方式。

[1]袁東升, 田會玲, 高建成. 氣流組織對空調(diào)房間空氣環(huán)境影響的數(shù)值模擬[J]. 建筑節(jié)能, 2008(9): 9-13.

[2]梅啟元. 空調(diào)房間氣流組織的數(shù)值計算與模擬[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2002.

[3]杜立春. 空調(diào)房間氣流組織的優(yōu)化研究[D]. 淮南: 安徽理工大學(xué), 2004.

[4]胡平放, 蔡芬. 氣流組織形式對室內(nèi)空氣環(huán)境影響的數(shù)值模擬[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報, 2006, 23(2): 28-31.

[5]張歡, 宋國軍, 王志剛, 等. 空調(diào)房間開機(jī)狀態(tài)溫度場動態(tài)特性CFD模擬及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報, 2005,26(3): 16-21.

[6]周艷蕊, 俞炳豐, 趙蕊. 空調(diào)器送風(fēng)參數(shù)對房間速度場和溫度影響的計算模擬和試驗(yàn)研究[J]. 制冷與空調(diào),2004, 4(3): 36-41.

[7]王來. 孔板送風(fēng)靜壓箱靜壓分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報, 1991, 12(3): 10-16.

[8]趙彬, 李先庭, 彥啟森. 空調(diào)孔板風(fēng)口送風(fēng)射流的數(shù)值模擬[J]. 力學(xué)與實(shí)踐, 2002, 24(1): 18-21.

[9]趙彬, 曹莉, 李先庭. 潔凈室孔板型風(fēng)口入流邊界條件的處理方法[J]. 清華大學(xué)學(xué)報, 2003, 43(5): 690-692,697.

[10]徐旭, 張旭. 多孔板送風(fēng)末端流量與管路阻力特性的數(shù)值模擬[J]. 制冷技術(shù), 2009, 29(2): 34-37.

[11]丁國良, 張春路. 基于模型的制冷空調(diào)裝置智能仿真[J]. 制冷技術(shù), 2001, 21(4):18-21

[12]肖德玲, 袁琪, 岳銳. 多維送風(fēng)對空調(diào)的舒適性及能耗影響實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷技術(shù), 2011, 31(4): 21-22.

[13]SAMADIANI E, RAMBO J, JOSHI Y. Numerical modeling of perforated tile flow distribution in a raised-floor data center[J]. Journal of Electronic Packaging, 2010, 132(2): 1-8.

[14]ARGHODE V, JOSHI Y. Modeling strategies for air flow through perforated tiles in a data center[J]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2013, 3(5): 800-810.

[15]ARGHODE V, JOSHI Y. Rapid modeling of air flow through perforated tiles in a raised floor data center[C]//14th IEEE ITHERM Conference, 2014: 1354-1366.

[16]王柳. 地鐵客車空調(diào)送風(fēng)風(fēng)道及客室內(nèi)氣流組織優(yōu)化研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2008.

[17]陳瑤, 張學(xué)軍, 陸軍亮, 等. 徑向流吸附器流體流動特性及其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J]. 化工學(xué)報, 2014, 65(9):3395-3402.