低温送风空调系统的房间内气流组织数值模拟

低温送风空调系统的房间内

气流组织数值模拟

Ξ

　刘　朝

1)2)(重庆大学)　(河南科技大学)　

ε模型,应用Fluent6.1计算室内空调的气固传热问题,并对室内空调的气流组摘　要　采用三维紊流k2织形式,主要是对流速场、温度场进行数值模拟计算,为空调室内的气流组织形式的优化设计及舒适性提供研究依据。

关键词　空调　数值模拟　流速场　温度场　紊流模型

郭永辉

1),2)1)

Numericalsimulationoftheairflowinaroomwithlow2temperatureairdistributionGuoYonghui1,2　LiuChao1

1)2)(ChongqingUniversity)　(HenanUiversityofScienceandTechnology)　)

)

)

εturbulencemodel,thethreedimensionindoorairflowandsolidheatABSTRACT　Byk2

transferareresolvedwithFluent6.1.Andtheairdistributionofvelocityandtemperaturefieldsinthechamberarenumericallysimulatedwhichwillhelptheoptimumdesignoftheairdistributionandcomfortablystudyinthecompartmentwithairconditioner.

εKEYWORDS　airconditioner;numericalsimulation;velocityfield;temperaturefield;k2turbulencemodel

　　随着社会的发展和人们生活水平的提高,通风空调系统在现代建筑中的应用也越来越普及,相应

的通风空调系统的能耗也迅速增加,且已成为建筑能耗的重要组成部分。因此,在尽量降低能耗和环境污染的条件下,提供健康、舒适的居住和工作环境已成为现代建筑设计的主要目标,而空调房间中气流组织的分析、优化工作在空调装置的设计、制造、安装过程中占据越来越重要的地位[123]。笔者着重介绍利用Fluent6.1对基于冰蓄冷技术的低温送风系统的温度场以及流场的数值模拟。1　低温送风系统在常规全空气空调系统中,送风温差一般控制在8～10℃,送风温度在15～18℃范围,如果系统有再热,则盘管出口空气温度可低到12℃左右。而在冰蓄冷系统中,利用低温冷水,可将盘管出口

Ξ收稿日期:2005210231

空气温度降到4～6℃,送风温差可达20℃左右,形成所谓“低温送风系统”。低温送风系统因其送风温差较大而减少了送风量,从而减小装机容量、风管尺寸等;降低空调系统的初投资,减小风机的电能消耗,降低系统的运行费用[4]。这些优势与冰蓄冷缓减城市电网压力相结合,成为一种相当有吸引力的空调方案,已被越来越多的建筑所采用。

由于气流组织设计的不合理,导致人体感觉不舒适的原因主要表现在以下4个方面:a)工作区风速过大(形成吹风感);b)房间区域温差明显(水平、垂直,或者两方面同时存在);c)未能根据不同位置的空调负荷的大小进行送风;d)房间温度波动过大。低温送风系统的送风温度低,因此气流下落的趋势更大,小风量送风时,必须保持贴附射流,冷空气才能不下沉,保持室内气流组织良好。由于低温送风

　　　通讯作者:郭永辉,Email:gyh763@163.com

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　制　冷　与　空　调　　　　　　　　　　　　　　　　　第6卷　・36・系统的建筑实例在我国鲜有报道,所以对其气流组织的数值模拟具有很大的现实意义及指导意义。2　物理模型(图1)　　该房间的尺寸为5m×4m×3m,送回风口尺寸均为0.3m×0.2m,风口为常见的扁平型孔板散流器。除所标定的内墙外,其余皆为外墙。外墙

)。室外计算外的对流换热系数为23W/(m2・℃

温度为311K,内墙绝热。因为房间的负荷稳定,不受室外气流的渗透影响,故室内空调系统采用低温送风口的空调形式。

本模型房间的热源见表1。　　为方便计算,假设热源均集中于0.5m×0.5m

×0.5m且位于房间的几何中心,则该物体的内热

源强度为12kW/m3。

图1　模拟房间的物理模型表1　模型房间的热源名称

个数散热量/W总散热量/W

人员

2115×2

计算机

2150×2打印机1100复印机11501500

传真机150

照明灯

460×4

其他

430

3　数学模型

空调房间的送、回风过程是湍流流动过程。因

此,在数值分析中采用合适的湍流模型十分重要。ε湍流模型是比较成熟,而且适合大多数场合流k2

ε湍流场数值分析的湍流模型[5]。故笔者采用k2

模型描述房间中的气体流动过程。

为了简化问题,作如下假设:①空调室内空气为不可压缩;②流动为稳态湍流;③忽略四周墙壁及室内物体的辐射热,室内空气为辐射透明介质;④忽略由流体粘性力做功引起的耗散热;⑤不考虑漏风的影响,认为室内空气除出口外都密封完好;⑥室内热源集中于房间中心的均匀内热源。

ε湍流模型:k2ρφ99φ)

+󰂈(ρUφ)=󰂈(Γ+Sφφ9t9xk

式中:φ=[1u1u2u3kε],

μeμeΓμμμ　　=[0]。φeee

σεkσ

　　紊流动能生成项:

9ui9uj9ui()G=μ+　　(i,j=1,2,3)l

9uj9ui9ujρCk2μ

μl=

ε　　　　　　　　　　　　　

　　其他各项及参数的选取参见文献[6]。4　Fluent计算以及计算结果分析4.1　Gambit几何建模

在三维问题中可以使用四面体、六面体、金字塔形以及楔形单元或者两种单元的混合。网格的

选择依赖于具体的问题,在选择网格的时候,考虑

下列问题:①初始化的时间;②计算花费;③数值耗散。由于模型的几何外形并不复杂,结构网格与非结构网格两种方法所耗费的时间没有明显差别;具有相对简单的几何外形,而且流动和几何外形很符合,使用大比率的四边形和六面体单元网格可能会比三角形/四面体网格少很多单元。当流动和网格成一条直线时数值耗散最小,使用三角形/四面体网格流动永远不会和网格成一条直线。而如果几何外形不是很复杂时,四边形网格和六面体网格可能就会实现流动和网格成一条线。所以在本次所有的模拟中,采用六面体网格。4.2　计算结果分析

笔者模拟了安装在吊顶处的水平出风口的同侧、异侧回风以及安装在侧墙上的风口向着吊顶这三种送风形式的情况。选择了2个典型断面y=1.5m(工作区)以及z=2m(送风口中截面)来讨论计算结果。4.2.1　送风形式对房间内流场温度场的分布影响

图2、图3为采用吊顶处的水平出风口的同侧回风,送风温度为8℃,送风速度为0.15m/s时,y=1.5m以及z=2m断面速度矢量分布图。图4、图5为吊顶处的水平出风口的异侧回风送风速

度为0.15m/s时,y=1.5m以及z=2m断面速度矢量分布图。图6、图7为吊安装在侧墙上的风口向着吊顶送风速度为0.15m/s时,y=1.5m以及z=2m断面速度矢量分布图。

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　第5期　　　　　　　　　　　　　郭永辉等:低温送风空调系统的房间内气流组织数值模拟　　　　　　　　　　　　　・37・图2　同侧回风v=0.15m/s,y=1.5m速度矢量图

图6　向吊顶v=0.15m/s,y=1.5m速度矢量图

图3　同侧回风v=0.15m/s,z=2m速度矢量图图7　向吊顶v=0.15m/s,z=2m速度矢量图

　　图8～13为吊顶处的水平出风口的同侧回风,

送风温度为8℃,送风速度为0.15m/s时,y=1.5m,z=2m断面温度分布图;吊顶处的水平出风口的异侧回风送风速度为0.15m/s时,y=1.5m,z=2m温度分布图;安装在侧墙上的风口向着吊顶送风速度为0.15m/s时,y=1.5m,

图4　异侧回风v=0.15m/s,y=1.5m速度矢量图

图8　同侧回风v=0.15m/s,z=2m温度分布图

图5　异侧回风v=0.15m/s,z=2m速度矢量图

　　从上面的图形可以看出,送风方式对房间内的流场分布影响较大,在内热源的作用下,送风气流在房间内形成一个较大的流动旋涡。房间上部空气流动强度较大,中下部空气流动强度较小。从整体来看,安装在吊顶处的水平出风口的同侧、异侧回风以及安装在侧墙上的风口向着吊顶这种送风形式最优,安装在吊顶处的水平出风口的异侧回风其次,装在吊顶处的水平出风口的同侧回风最差。

图9　异侧回风v=0.15m/s,z=2m温度分布图

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　制　冷　与　空　调　　　　　　　　　　　　　　　　　第6卷　・38・z=2m温度分布图。

　　从图8至图13可以看出,①整个工作区的温度变化很小,维持26～28℃,区域内垂直温度梯度较小,平面温度场的均匀性良好;②热源不影响房间水平方向的温度分布的均匀性,热源无横向扩

散;③送风形式对温度场影响很小。4.2.2　送风速度对房间内流场温度场的分布影响

图14至图19分别为送风速度为1.5m/s和2.0m/s时,同侧送风时y=1.5m,z=2m截面的速度矢量图与温度分布图。　　由图可知,在一定的范围内(1.5～2m/s)送风速度对房间内流场分布影响不大,仅仅改变了起旋的位置高低。改变送风速度,房间内各断面速度大小发生改变,但分布趋势不变。过高的送风速度会使人有

图10　向吊顶v=0.15m/s,z=2m温度分布图

图14　送风8℃同侧回风v=1.5m/s,y=1.5m速度矢量图　

图11　同侧回风v=0.15m/s,y=1.5m温度分布图

图15　送风8℃同侧回风v=1.5m/s,z=2m速度矢量图

图12　异侧回风v=0.15m/s,y=1.5m温度分布图

图16　送风8℃同侧回风v=1.5m/s,z=2m温度分布图

图13　向吊顶v=0.15m/s,y=1.5m温度分布图

图17　送风8℃同侧回风v=1m/s,z=2m温度分布图

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　第5期　　　　　　　　　　　　　郭永辉等:低温送风空调系统的房间内气流组织数值模拟　　　　　　　　　　　　　・39・图18　送风8℃同侧回风v=1m/s,z=2m速度矢量图

图21　送风11℃同侧回风v=2m/s,z=1.5m速度矢量图

送风温度低的气流组织的扰动较强。③因为送风

量小,送风温度对温度场的影响较小。5　结　论

1)送风速度在一定的范围内对房间内流场分布影响不大,改变送风速度,房间内各断面速度大小发生改变,但分布趋势不变。内热源对流场影响较大,但对温度场影响较小。

2)送风方式对房间内的空调效果,特别是流场的影响较大。仅对单采用送风口空调而言,安装在侧墙上的风口向着吊顶这种送风形式最优。

3)低温送风系统受重力作用影响较大,送风温度低的气流组织扰动较强,对温度场的影响较小。

参考文献

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vectioninatwocellenclosurewitha“door”.ASHRAETRANS,1994,100(2):6852693.

[3]　张彦国.不同送风面积下洁净室浓度的数值模拟分

图19　送风8℃同侧回风v=2m/s,z=2m速度矢量图吹风感。从计算结果分析,送风速度v=1.5m/s

左右是比较合适的。内热源对流场影响较大,但对温度场影响较小。4.2.3　送风温度对房间内流场温度场的分布影响

图20、图21为送风温度为11℃、送风速度为1.5m/s时y=1.5m以及z=2m断面速度矢量分

布图。与图14、图15相比可以看出:①低温送风系统的流场受重力作用的影响较常温空调大。②

析.建筑科学,1999,15(6):6211.

[4]　刘绍基.低温送风技术述评.通风除尘,1998,(2):292

31

[5]　赖学江,王晓墨.空调房间气流组织的模拟研究.华中

科技大学学报:自然科学版,2002,(2):51253.

[6]　陶文铨.数值传热学.2版.西安:西安交通大学出版

图20　送风11℃同侧回风v=1.5m/s,y=1.5m速度矢量图

社,2001.

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