基于Fluent的室內(nèi)空調(diào)布置方式的研究及仿真

張冰潔

廣東開放大學(xué)廣東理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510091

1 室內(nèi)空氣氣流組織方式調(diào)研

1.1 室內(nèi)空氣氣流組織方式

隨著社會發(fā)展，人們對環(huán)境的舒適度要求越來越高。日常生活中會出現(xiàn)這樣的情況，相同條件下，送、回風(fēng)方式不同，會對空調(diào)效果產(chǎn)生不同的影響。因此，在空調(diào)房內(nèi)合理布置送、回風(fēng)口，進而使得工作區(qū)形成比較均勻而穩(wěn)定的溫濕度、氣流速度、潔凈度等，以滿足人們對房間舒適度的需求[1]。

一般來說，室內(nèi)氣流按照送、回風(fēng)方式的變化分為四種形式：混合流、短流、置換流、活塞流，其中，活塞流在實際生活中很少應(yīng)用。通過對三種通風(fēng)方式的調(diào)研可知，置換通風(fēng)具有較高的通風(fēng)效率，同時保證室內(nèi)工作區(qū)實現(xiàn)較高的空氣品質(zhì)和熱舒適性。

1.2 國內(nèi)室內(nèi)氣流組織研究

基于空調(diào)的實際應(yīng)用情況，很多國內(nèi)外學(xué)者都曾針對氣流組織與舒適性之間的關(guān)系開展了大量的研究。其中，國內(nèi)學(xué)者主要通過調(diào)研、實驗或模擬的方法，對不同通風(fēng)方式進行模擬分析，為工程實際提供參考。比如，賈慶賢采用調(diào)查分析的方式，對自然風(fēng)和機械風(fēng)兩種吹風(fēng)模式進行了對比分析；袁東升通過數(shù)值模擬，提出同側(cè)上送下回的送風(fēng)方式更有利于產(chǎn)生理想的室內(nèi)氣流；趙云超考慮送風(fēng)的角度和風(fēng)速對氣流的影響，并通過模擬的方式得到了合理數(shù)據(jù)；李萌穎模擬了家用分體式空調(diào)器工作時有無新風(fēng)對室內(nèi)氣流的影響。

2 數(shù)值模擬方式調(diào)研

2.1 國外數(shù)值模擬研究進展

國外學(xué)者基于理論研究，早在1970年就有丹麥的學(xué)者Nielse PV首次運用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）技術(shù)計算出了室內(nèi)氣流的射流速度，其結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相差不大。1976年Chen基于三維計算，使用原始變量法模擬出了三維室內(nèi)氣流的運動。1983年Martin考慮采用CFD技術(shù)來優(yōu)化大空間空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，并計算出某大空間（電視播送室）內(nèi)的室內(nèi)氣流分布情況。 1984年Ishihu和Kaneki利用CFD技術(shù)，通過分析室內(nèi)污染物濃度的分布，研究如何提高室內(nèi)通風(fēng)效率問題。Chen Qingyan則在1988年分析并研究了建筑物能耗、室內(nèi)空氣流動、室內(nèi)空氣品質(zhì)等問題。

對此，美國供暖、冷藏與空氣調(diào)節(jié)工程師協(xié)會(ASHARE) 于1989年成立了相應(yīng)的研究機構(gòu)，專門利用CFD方法預(yù)測室內(nèi)空氣流動，同時開展了“室內(nèi)空氣流動的數(shù)值計算”的研究課題，該課題較為系統(tǒng)、完整的研究了如何運用CFD方法來模擬室內(nèi)空氣流動的諸多問題，研究結(jié)果發(fā)表在了1994年的ASHARE雜志上。至此，CFD技術(shù)在空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)被推廣開來，目前美國已開發(fā)出許多大型通用的CFD軟件。

2.2 國內(nèi)數(shù)值模擬研究進展

國內(nèi)關(guān)于CFD方面的數(shù)值模擬工作直到20世紀80年代才逐漸展開。一直以來，關(guān)于室內(nèi)氣流流動規(guī)律的研究主要集中在送風(fēng)口射流問題上。但實際生活中，房間的內(nèi)熱源分布、強度大小、圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與空氣之間的對流、換熱等，都會影響氣流組織情況。因此，近年來，國內(nèi)學(xué)者主要通過理論、實驗、模擬等研究手段，致力于研究上述環(huán)境因素對氣流組織的影響。

如顧瑞英和武文斐，針對內(nèi)含集中內(nèi)熱源的房間，在給定的熱源表面溫度下，利用數(shù)值方法和k-ε方程湍流模型，求解出氣流的速度分布和溫度分布，同時研究了送風(fēng)方式、送風(fēng)量、熱源表面溫度、熱源表面和壁體表面的黑度、室外環(huán)境通過壁體的傳熱等諸因素對室內(nèi)氣流組織的影響。張智等對掛壁式空調(diào)器在制冷/制熱工況運行時的室內(nèi)氣流及溫度分布進行了數(shù)值模擬分析，通過k-ε湍流模型和非穩(wěn)態(tài)求解方法得到了較為可靠的結(jié)論。此外，北京航空航天大學(xué)的莊達民和孟憲海則利用大渦模擬(LES)法求解出某空間的室內(nèi)氣流分布。

總體來看，針對某些場合的室內(nèi)空調(diào)氣流組織的模擬研究仍依托于Fluent軟件，如劉芳的某數(shù)據(jù)中心室內(nèi)空調(diào)氣流組織的模擬研究，李鵬魁的機房列間空調(diào)氣流組織數(shù)值模擬分析等，通過建立模型、網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置、模擬計算、結(jié)果分析，為相應(yīng)的室內(nèi)氣流組織提供參考。

3 Airpak軟件建立模型

3.1 物理模型

以單人辦公室為例，建立簡化物理模型[2]。采用置換通風(fēng)方式，設(shè)置2個送風(fēng)口（opening1、opening1.2）、2個出風(fēng)口（vent1、vent1.1）、1張桌子（block2）、1臺電腦（pc）、2個照明燈（lamp1、lamp1.2）、1名工作人員（person3），如圖1所示。

圖1 辦公室空調(diào)布置物理模型

3.2 網(wǎng)格劃分

采用Hexa-unstructured網(wǎng)格類型，對模型進行網(wǎng)格劃分，并對熱源設(shè)置優(yōu)先權(quán)，使得局部網(wǎng)格加密，具體內(nèi)容如圖2所示。最后，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，F(xiàn)ace alignment及Quality均接近1，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

圖2 局部加密網(wǎng)格劃分

3.3 參數(shù)選取

模型設(shè)置時，視室內(nèi)空氣為透明介質(zhì)，忽略輻射模型；湍流模型選擇了RNG模型；采用有限體積法離散控制方程，離散格式為一階迎風(fēng)格式。

4 Fluent計算結(jié)果分析

4.1 室內(nèi)氣流溫度及速度

由室內(nèi)氣流溫度場及速度場的模擬仿真結(jié)果可知[3]，采用置換通風(fēng)方式可產(chǎn)生較為均勻的室內(nèi)氣流。此外，受室內(nèi)照明燈的影響，其附近氣流溫度及速度較高，如圖3和圖4所示。

圖3 室內(nèi)氣流溫度場

圖4 室內(nèi)氣流速度場

4.2 送風(fēng)口的氣流溫度及速度

截取送風(fēng)口所在高度平面，觀察送風(fēng)口氣流，靠近出口處由于氣流溫度低、速度快；在向空間擴散的過程中，速度降低，溫度升高，整體氣流分布規(guī)律如圖5和圖6所示。

圖5 送風(fēng)口氣流溫度場

圖6 送風(fēng)口氣流速度場

5 結(jié)語

此研究成果得到了廣泛的應(yīng)用。采用專業(yè)軟件Airpak建立模型，結(jié)合Fluent進行迭代計算，可得到誤差較小的數(shù)據(jù)，為室內(nèi)氣流組織提供依據(jù)。通過對某辦公室的建模和計算，驗證了Airpak和Fluent可以較好地實現(xiàn)數(shù)值模擬，但是模型參數(shù)和計算參數(shù)的選取對計算結(jié)果會造成一定偏差，需要進一步探索。