大空间气流组织的数值模拟及优化

(u ) (v ) (w )
ρ=
+
+
= Γ + Γ + Γ +S
x
y
z
xx y y zz
式中， 为通用变量，代表 u ， v ， w ，T，Cs，等求 解变量，为广义扩散系数；S 为广义源项； u ， v ， w 为速
收稿日期：2 01 1- 0 9- 03 作者简介：陈雷娟（1 98 8- ），女，浙江海洋学院船舶与建筑工程学院建筑环境与设备工程专业本科生。
3
8
1
0
4
6
15
7.5
291
5
30
1
7.5
6
60ຫໍສະໝຸດ 5.52917
9.5
第 11 卷
图 8 不同工况下 z=2m处的速度等值线图
图 9 不同工况下 z =2m处的温度等值线图 表 4 不同工况下人员活动区计算结果
指标 平均速度 速度不均匀 平均温度 温度不均匀 平均 ΔET 值
ADPI
工况 （m/ s）
况下满足热舒适的要求，并降低能源消耗。文中使用 FLUENT 软件，采用经浮力修正的 k ε模型，使用 SI MPLE
算法进行数值离散，利用 C F D 方法对某大空间建筑的分层空调进行了三维数值模拟。分析了上送下回方式在送风
速度变化时，室内的温度速度的变化规律，并研究了室内空气在各种气流组织形式下的速度、温度分布规律。
四、总结 （1 ）利用 F LUE NT 软件进行大空间分层空调空气流动 预测的应 用是可行的，它能有效率地 适应不同计算工况的特
点；可以 将所求解的速度分布、温度 分布等参数的规律以形 象、直观的方式表现出来，这样便于技术人员比较分析。
（2）影响大空间分层空调效果的因素很多，速度、角度、
风口位置等等。通过模拟计算，分析 ADP I 指标， ΔET 值等参 数，对人员所在区域进行分析，得到优选方案，来指导设计施 工的进行。从而实现提高实际空调系统使用中的人员满意率。
系数
（ K）
系数
（℃ ）
值 （%）
1
0.238
0.44 33
298.6
0.006 1
- 0.314
66.7
2
0.200
0.55 33
301.6
0.008 1
4.3 4
6.7
3
0.320
0.44 12
296.0
0.003 9
- 3.12
20
4
0.248
0.41 65
298.2
0.005 4
- 0.145
图 7 z =2m处的速度等值线图 图 6 是 z=2m 处（人员使用区）的温度等值线图，从图中 可以看出，除南外墙、西南外墙的温度达 3 03 K 左右外，其他 区域温度相差不大，在 29 7K 到 29 9K 左右。整个人员活动区 的平均温度为 2 98 .6 K，平均 ΔET 值为-0 .31 4，大于- 1.7 ℃， 人员活动区整体感觉舒适，ADPI 指标为 6 6.7 %，温度不均匀 系数为 0.0 06 1，人员活动区温度较均匀。 图 7 是 z=2 m 处（人员使用区）的速度等值线图，我国 规范规定： 舒适性空调冬季室内风速不应大于 0.2 m / s，夏 季不应大于 0.3 m / s，最高不超过 0.5 m / s，从图中可以看 出，绝大部分 区域的风速低于 0 .3m / s 。靠近墙面部分的速 度较大， 是由于气流撞击墙面，产生 的乱流，以及外墙的热 流密度等因 素共同影响，其速度也不超过 0 .4 m / s 。整个人 员 活 动 区 的 平 均风 速 为 0.2 38 m / s ， 速 度 不 均 匀 系数 为 0 .44 33 ，人员活动区的速度分布比较均匀。 然后以上述 方案的设计工况为基准工况 1，分别模拟计 算送风速 度、送风角度、送风高度等 对气流组织的影响。不 同工况对应的参数如表 3 所示，不同工况下 z =2 m 处的速度 等值线图和温度等值线图如图 8、9 所示，不同工况下人员 活动区计算结果如表 4 所示。 从表 4 中可以看出工况 1 的送风速度是优选方案；在其 它条件不 变的情况下，随着送风角度 向上偏移，人员活动区
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中 国水 运
平均 ΔET 值也在变化；送风高度的高低，对工作面的速度场 和温度场影响 比较大，送风高度降低，能 够改善温度不均匀 系数，但速度场 ΔET 值的影响更显著。
表 3 不同工况对应的参数
工况 送风速度（m/ s） 送风角度（°） 送风高度（m） 送风温度（K）
1
6
2
4
0
7.5
291
采用目 前在数值模 拟方面较为 常用的 K- ε双方 程湍流
模型。以下是对模型所作的简化和假设[3]： （l）传热计算主要考虑流体内部传热，不考虑墙体内部
的耦合传热。 墙壁、屋顶和地面表面传热 均为恒热流，采用 第二类边界条件；
（2 ）壁面之间的温度相差不大，忽略固体壁面间的热辐 射；
（3 ）空气流动为准稳态的湍流流动； （4 ）忽略能量方程中由于粘性作用引起的能量耗散； （5 ）送风口处送风射流参数均匀[4 ，5 ]。
对分层面下方空调区进行空调，分层面上方不空调的目的。 从图 5 中可以看出，出口处向外延伸有明显的低温气流
层，温度为 29 6 K 左右，此气流是风口射流卷吸周围空气形 成的，也称为分层气流。由于设计要求，只将南墙的热流密度 做了处理，北墙默认为 0，所以南墙附近的气流温度要高于北 墙附近的 气流温度。在整体空间的下部是 一个均匀的 2 96 K 左右等温区域，很好地实现了人员使用区域的空调目的。
ui
μ
p / x +S
i
i
能 量方程
T
k /c
ST
组 分方 程
CS
DS ρ
SS
表 1 中 u i 为速度， μ为动力粘度；P 为压力；k 为传热
系数， c 为比热；C s 为组分 S 的体积浓度；Ds 为组分 S 的
扩散系数[8]。
3．边界条件及网格划分
入口给定速度分布，风速为 6 m / s，送风温度为 2 88 K；
流分层面 的重要因素；当送风量一定 时，送风口高度对气流 温度分布、速度分布、 ΔET 值分布和 ADPI 值有重要影响； 送 风高 度提 高时 ，速度 减小 和温 度升 高， 但是 速度减 小对
ΔET 值的影响更显著。舒适的各项指标。 最后， 不同项目的空间结构等影响 因素也不尽相同，空
调系统的设计也不能一概而论。针对本项目的具体情况分析， 优选方案为工况 4。
3．钻孔 分两序钻孔即 先施工完成单序孔，然后 再施工双序孔。 在钻进过程中 ，为防止坍塌应采用泥浆护 壁。终孔待喷时间 较长时，应在 孔口加盖进行保护，以防杂 物落入孔内。钻机 就位后垫平稳牢固，采用水平尺测量机体水平、立轴垂直度， 钻孔孔位与设计孔位偏差不得大于 5 0m m 。倾斜率不应大于 1 %。钻孔深度要求不小于设计底高程，且喷射管喷嘴必须下 放到超过设计孔深至少 0.5 m 。在钻孔过程中每钻进 3m 应 用水平尺测量一次，避免钻孔过程中造成的倾斜偏差。 4．下管喷浆 高喷灌浆时应 分两序进行，相邻孔序高 喷灌浆间隔时间 不宜少于 2 4 h 。当钻孔至设计深度后即可下管，下管时，要 轻、慢，防止 刮塌孔壁，下放至设计深度 后，校正孔深。为 防止喷嘴堵塞 ，可采用低压送水、气、浆 的方法下管，也可 用胶布包扎喷 嘴，下管完成后靠高压水、 气鼓开胶布后喷射 提升。 5．喷浆提升 检查喷管下入 至设计深度后，应依次低 压送水、送浆、 送风，而后再提高压力至设计值，在孔底喷射 1 ~3 m in 后， 待孔口反浆正 常后（即比重达到进浆比重 ），再按要求进行 摆（ 旋）喷提升。提升过程中应随时检查浆液的流量与性能、 介质的喷射压 力、提升速度等参数，并做 好记录。当冒浆量 超过注浆量 2 0%或完全不冒浆时，应按照 YS J 2 10 - 92 、 YBJ 43 - 92 的规定进行处理。 6．回填灌浆 为解决凝结体顶部因浆液析水而出现的凹穴，喷射结束， 后，及时在喷 射孔内进行静压回填灌浆， 直至孔口浆面不再 下沉止，所用浆液应稠些，一般水灰比为 0 .5∶1 ～0.7 ∶1 。 对于孔壁不稳 地层，应考虑下导浆管，下 置深度视易塌孔部 位而定，以防止塌落物堵塞孔口，造成漏灌。 四、质量控制措施 （1 ）下管时准确确定喷射方向与摆动角度，喷射前要校 核，以确保凝结体的有效连接。 （2 ）严把“冒浆”关，冒浆不正常或不冒浆时不能提升。
第 11 卷 第 11 期 2011 年 11 月
中国水运 Chi na Wat er Tr a ns por t
Vol . 11 Novembe r
No. 11 2011
大空间气流组织的数值模拟及优化
陈雷娟，刘春花
（浙江海洋学院船舶与建筑工程学院，浙江 舟山 31 6000）
摘 要：近年来，随着我国人民生活水平的不断 提高，人们越来越关注室内空调系统能否在保证良好的空气质量情
参考文献
[1] 江海斌，宋新南，张国芳等. 分层空调气流组织的 CFD 模 拟研究[J]. 郑州轻工业学院学报（自然科学版）. 2008（2）. （下转第 1 78 页）
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第 11 卷
据施工图纸进 行孔位放样和编号。放样定 位时，孔位中心允 许偏差不得大于 5 c m ，然后对先施工Ⅰ序孔拟定为单编号， 后施工Ⅱ序孔拟定为双编号。
本文所研究的中庭结构如图 1 所示。
图 1 中庭结构图
图 2 中庭的物理模型 中庭物理模型如图 2 所示，模型区域的内部尺寸是根据 C AD 的点坐标而定的，高度取 12 m 。送风口为球形可调喷 口，喷口尺寸为 4 0 3m m ，中心离地 7 .5m 高，共 11 个， 可调节送风方向；回风口为格栅式回风口，尺寸为 1 00 0m m ×8 00 m m ，中心离地 0 .6 m ，共 7 个。中庭只有南墙和西南 墙有热流传递，其余墙面假设为绝热。 2．数学模型 通风空 调系统的气流流动为不可压 缩流体的定常流动， 满足质量 守恒定律、动量守恒定律、 能量守恒定律和组分守 恒定律[6，7]。可以用控制方程来描述：
图 6 z =2m处的温度等值线图
图 3 计算区域网格划分图 三、模拟计算与结果分析 对上述模型进行计算，具体结果如下：
图 4 喷口所在截面速度矢量图
图 5 喷口所在截面温度云图 从图 4 中可以看出，送风气流从 7.5m 处喷口送出，分层 气流卷吸气流后膨胀迅速，速度也减少，到射流末端时，射流 受墙壁阻挡及回风口作用向下产生回流，因此可以看成射流将 整个空调区域在垂直方向上分成上下两个区域。在分层面上方 也存在一些涡旋，但气流流速较小，下方涡旋较多，流速较大， 气流带走热量多，气流分层较好。实现了在整个建筑物空间中
出口给定压力出口，相对 压力值为 0 ；壁面边界：墙壁、天
花板、地面均 设定为固体壁面；人员散热 以及照明负荷均布
于地面。各围护结构的热流密度，如表 2 所示。 表 2 边界的热流密度（W/ m2）
边界
东墙 西南墙
西北墙
北墙 南墙
地面
热流 密度
0
129
0
0
87
35.5
计算区域的网格划分如图 3 所示。
80
5
0.285
0.31 47
299.0
0.006 2
0.4
60
6
0.262
0.75 78
298.3
0.006 1
0.319
46.7
7
0.339
0.60 11
298.9
0.004 7
0.167
53.3
通过以 上分析，可以很直观的在图 表中看出不同空调系 统形式下 的不同气流组织分布。送风 速度是形成分层空调气
刘春花（1 9 8 0 - ），女，浙江海洋学院院船舶与建筑工程学院，讲师，硕士。
第 11 期
陈雷娟等：大空间气流组织的数值模拟及优化
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度 u i 在 x，y，Z 方向的投影。对于特定的方程， ， Γ和 S
具有特定的形式。 表 1 通用控制方程中各符号的具体形式
方程
符号
Γ
S
连 续方程
1
0
0
动 量方 程
关键词：气流组织；紊流模型；数值模拟；C FD
中图分类号：TU248. 1；TU831. 7
文献标识码：A
文章编号：1006- 7973（2011）11- 0104- 04
一、引言 大空间建筑高 度较高，空调气流具有明 显的分层现象。 在垂直高度上 梯度较大，同时还具有体积 大、空调负荷大、 能源消耗大等特点。分层空调是大空间建筑典型的空调方式， 它是指仅对下 部区域进行空调，而对上部 区域不空调的空调 方式，与全室空调相比，分层空调夏季可节省冷量 30 %左右 [1]。通风空 调的目的主 要是满足人员 的舒适性要求 和节能要 求，因此本文 主要研究大空间建筑的温度 分布、速度分布、 热舒适性指数等方面的内容。 长期以来，大 空间气流组织的设计都凭 经验或部分厂家 的样品参数进 行，在设计规范中尚未提出 具体量化的要求。 随着计算机技术的大规模应用和 C F D 软件的发展，在空调系 统的设计阶段 就对设计结果进行计算机数 值模拟，进行性能 预测， 然后通过参数 调整，对设计 进行优化[2]成为 了可能。 而利用软件， 对设计的空调区域进行气流 组织、温度分布、 速度分布等进 行模拟，通过模拟为设计者 提供最优化的设计 方案，能够保证整个空调系统具有良好的效果。 本文通过对某 酒店中庭大空间气流组织 的数值模拟，对 比不同参数下的空调系统性能，通过温度、速度不均匀系数、 ADP I 值、△ET 值等参数作为评价气流组织的标准，通过本 文的分析可为今后的设计提供一定的参考。 二、数值模拟 1．物理模型