（环境工程专业论文）高大空间空调气流组织方式的节能潜力研究.pdf

a b s t r a c t r e c e n t l y , a l o n gw i t ht h el a r g ec a p a c i t ya n dh i 曲s p e e do fc o m p u t e ra n dt h ed e v e l o p m e n t o fc f dt e c h n o l o g y , i t sp o s s i b l eg r a d u a l l yt oa p p l ya n dp o p u l a r i z ec f dt e c h n o l o g yt o s i m u l a t et h ea i rc o n d i t i o n i n go fl a r g es p a c ec o n s t r u c t i o n s t h ed e s i g n e rc a nc h o o s ea i r d i s t r i b u t i o nw h i c hc a na p p e a s et h ec o m f o r t a b l eo fh u m a na n dp r o v i d eg o o di n d o o ra i rq u a l i t y t h r o u g ht h ep r e d i c t i o no fi n d o o ra i ro r g a n i z a t i o n sa n dt h ea n a l y s i so fv a r i o u sp a r a m e t e r si n t h ed e s i g ns t a g e f o rt h i sp u r p o s e ，w i t ht h ea i do fa i r p a k 2 1 ，t h e r m a lc o m f o r ta n da i rd i s t r i b u t i o no fa i r c o n d i t i o n i n gw i t hd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n ，d e l a m i n a t e da i rc o n d i t i o n i n ga n dc o n v e n t i o n a la i r c o n d i t i o n i n ga r es i m u l a t e di nx i a nh i 曲t e c hc o m p a n ym u l t i f u n c t i o nh a l l t h r o u g hd e t a i l e x p a t i a t i o no nc f db ym a t h e m a t i cm e t h o d ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti t i sf e a s i b l et os i m u l a t e o p e r a t i o no fa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi nl a r g es p a c eb u i l d i n g o nt h eb a s i so fa b o v e ，t h ea i r d i s t r i b u t i o no ft h r e ea i rc o n d i t i o n i n gm o d e s ，e s p e c i a l l yt h et e m p e r a t u r e ，w i n ds p e e d ， p m v - p p da n dt y p i c a lc r o s s s e c t i o no ft h ef l o wf i e l da r ec o n t r a s t e da n da n a l y z e d f i n a l l y s u m m e du p ，t h r e ea i rc o n d i t i o n i n gm o d e sa r ea l lf i tf o rt h er e q u i r e m e n t t h ed i s p l a c e m e n t v e n t i l a t i o nw i t hg o o dd i s t r i b u t i o na n da i rq u a l i t y , h a sg r e a t e rp o t e n t i a l i t yf o re n e r g y c o n s e r v a t i o nt h a no t h e rf o r m si nl a r g es p a c eb u i l d i n g t h i se x a m p l ee x h i b i t st h ei m p o r t a n tf u n c t i o na n dd e v e l o p m e n ts p a c eo fc f dt e c h n o l o g y i nt h eo p t i m u md e s i g n i n go fa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m t h ec o n c l u s i o no fs t u d yp r o v i d ea r e l i a b l et h e o r e t i c a lb a s i sa n dg u i d i n gm e t h o d o l o g yi na i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m so p t i m i z e d d e s i g n ，p r e d i c t i o no f a i rd i s t r i b u t i o na n dt h e r m a lc o m f o r t k e yw o r d s ：l a r g es p a c e ；a i rd i s t r i b u t i o n ；c f ds i m u l a t i o n ；t h e r m a lc o m f o r t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 如州 嘲年fr b 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 办叫 狮嘎首 加苓年f 只乙) 日 7 卯辉f 只6 日 长安大学硕七学位论文 1 1 课题的来源及目的 第一章绪论 当前，中国工程建设正处于前所未有的历史高峰期，大量的住宅和公共建筑、工厂 矿山、交通运输、能源水利和城市基础设施等建设和投入使用，而且随着中国经济社会 的进一步发展，新的建设工程仍将不断涌现。据建设部预测，“十一五 期末全国城镇 人口将达到6 4 亿人，比2 0 0 5 年增加7 7 0 0 万人，预计到2 0 2 0 年全国城镇人口将达8 亿，新增各类建筑大约三百亿平方米，接近全球年建筑总量的一半。在这庞大的建设规 模背后是巨大的能源消耗和浪费。去年全国政协调研组就建筑节能问题提交的调研数据 显示，目前中国既有的近四百亿平方米城乡建筑中百分之九十九属于高耗能建筑。而建 筑物运行使用过程中的能耗是建筑能耗的主体，包括建筑物的采暖、照明、空调、电脑、 各种办公和生活用电器使用的能耗，且只要建筑物还在运行使用，这些能耗就持续发生。 根据耗能特点不同，建筑物能耗可分为住宅能耗、普通公共建筑能耗和大型公共建 筑能耗。大型公共建筑面积虽然只占民用建筑总面积的5 ，但是建筑面积超过2 0 0 0 0 平方米的城市公共建筑都设置有集中空调和电梯，在能耗上与普通公共建筑有较大的差 别，单位面积能耗高达7 0 - - - - 3 0 0 k w h ( m 2 年) ，是住宅耗电的5 1 5 倍，占民用建筑总耗 电量的3 0 以上，占民用建筑总能耗的1 2 - 1 4 。因此在建设部提出的建设领域节能 具体措施中提到：强化新建建筑节能，严格执行建筑节能设计规范，加强大型公共建筑 用能管理【l 】。 是否能够设计出节能环保的建筑关系到我国以后能否长时间的可持续发展。而创造 健康、卫生、舒适的室内环境是摆在暖通工作者面前又一个艰巨的任务。从2 0 世纪末 期以来，制冷空调这一改善室内人居环境的工程技术，己经迅速由追求室内热舒适性转 向致力于如何创造健康、卫生、舒适的室内空气环境上。目前，室内空气品质研究己成 为现代建筑科学的前沿研究课题。 由于现代建筑设计思想的发展【2 】，一些原有的设计规范和设计理论已经跟不上时代 发展的步伐。新建的大空间建筑造型奇特，尺度庞大，实际空调通风房间的气流组织形 式变化多样，而传统的射流理论分析方法采用的是基于某些标准或理想条件理论分析或 实验得到的射流公式对空调送风口射流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测，势必 会带来较大的误差。并且，射流分析方法只能给室内的一些集总参数性的信息，不能给 第一章绪论 出设计人员所需的详细资料，无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求。 设计出节能、舒适和环保的室内环境是当今设计工作者面临的最主要的任务和难 题。各种人工环境的创造最终是通过室内的气流组织实现的，不论是混合送风、置换送 风、个性化送风还是地板辐射采暖、冷却顶板供冷等，最终都是要在室内形成合理的气 流组织，以保障工艺需要和舒适性要求。气流组织不仅与环境品质密切相关，而且对能 源效率影响很大，不同类型的气流组织，在满足同一对象的工艺需要和舒适性要求时， 所需要的冷量或是热量可能相差很大，目前气流组织对节能的贡献还没有被人们所重 视。随着计算流体力学( c f d ) 技术的发展，设计者可以在设计阶段对室内气流组织进行 预测，可以对各种参数进行分析评价，从而可以选择既能保障工艺需要、满足人体舒适 性、创造良好室内空气品质又节能的气流组织形式【3 】。 1 2 高大空间建筑 1 2 1 高大空间建筑特点 空间高度大于5 m ，体积大于1 万m 3 的建筑被称为高大空间建筑1 2 1 。在公用民用建 筑方面主要指影剧院、音乐厅、大会堂、体育馆、展览馆等建筑。此外，工业建筑中也 存在这类大型的车间、厂房。高大空间除具有一般空调工程的共性以外，还具有自己的 特点【4 , 5 , 6 , 7 】： ( 1 ) 负荷特性特殊。由于高大空间顶棚高、容积大，室内产生的热量向上升腾，在顶 棚下积聚大量热量，导致整个空间垂直温度梯度大，温度有分层现象发生；高大空间的 外墙与地板面积之比较大，导致外界界面对室内空间的自然对流影响较大，冬季易在四 周造成下降冷气流；由于居留区的人员设备比较密集，地面部分散热量所占总负荷比例 比较大。通常高大空间的冷负荷构成为：人体散热占5 0 - - 8 0 ，灯光散热占2 5 1 1 ，围护结构占7 9 - - 2 6 5 ，室外空气侵入得热占9 5 1 1 2 。 ( 2 ) 室内体积大，换气次数小。大型体育馆可达2 0 万m 3 ，运动场型体育馆可达上百 万立方米。对于大空间建筑而言，人均占有空间体积比大，从卫生角度来看比较有利， 但换气次数较小。 ( 3 ) 使用功能多。大空间建筑除古典音乐厅、大剧院、会堂等只具备有限的功能外， 其他都有多功能要求，如体育运动、杂技、演剧、音乐会、展示会等，因而要设罨临时 的舞台，活动座椅等装备。不仅对空调带来多种环境要求，而且由于这些装备的存在也 影响空调系统的设置。导致送、回风口受位置限制，很难布置在空调区域。此外，对空 2 长安人学硕一 = 学位论文 调系统的控制要求有相当的灵活性。这就使空调系统负荷的分配以及冷热源的配置都应 作相应的考虑。 1 2 2 高大空间空调负荷研究 高大空间室内的空调负荷计算分为全部负荷计算方法和分层空调计算方法两种。全 部负荷计算方法是将整个空间的得热量全部计入空调负荷中，由于高大空间内部空间 大，因而计算出的负荷量较大，系统能耗较高。在高大建筑的空调中，从高度上划分成 空调区和非空调区的空调设计方法称为分层空调设计。采用分层空调方法计算高大空间 的空调负荷可以有效地节约能耗。从六十年代在美国出现分层空调以来，有关学者进行 了大量的研究和实践。分层空调的负荷由两部分组成，即空调区本身的冷负荷和非空调 区冷负荷转入空调区的部分。在满足使用要求的前提下，空调区的高度越低则空调负荷 越小。其具体计算方法多种多样，工程中使用较多的做法可以归纳为以下几种【8 】： ( 1 ) 假想转移法由日本学者宫川保之提出并进行了修正【9 】。认为空调区和非空调区之 间有一个假想的分界面，分界面的位置都在主要送风口的上部，两区之间由于存在着假 想换气次数k 和假想热上升率伊而产生热量转移，而k 和妒则通过模型试验取得。我国 学者也提出了类似的思想，即在计算空调区负荷时，需同时增加对流热转移量和辐射热 转移量。为了计算更加精确，有的研究者将空间沿垂直方向划分多层进行计算【1 0 , 1 1 】，并 进行现场实测进行验i i e t l 2 】。假想转移法相对于其它方法，更为接近实际情况，比较准确， 但计算复杂。 ( 2 ) 一次辐射法由日本学者提出【1 3 】，下部空调区的围护结构、设备、灯光人体等发 热量全部计入空调负荷，而上部非空调区围护结构的传热和照明的散热量中只考虑以辐 射形式到达地面和空调区侧墙上的那一部分，这部分辐射被吸收后逐渐变为空调区的冷 负荷。而产生的二次辐射部分则略去不计。我国学者也利用模型试验的方法进行了有关 一次辐射的研究，并编制了相应的电算程序【1 4 】。一次辐射法的优点是考虑了非空调区对 空调区辐射的影响，比经验值可靠，据介绍实际负荷与计算负荷仅差5 左右，缺点是 没有考虑非空调区由于空气流动而引起的热量转移。 ( 3 ) 经验系数法这是目前各国实际工程设计最为普遍采用的做法。我国有关技术措 施【l5 】规定：高大空间采用分层空调时，可按全室空调逐时冷负荷的综合最大值乘以经验 系数作为房间冷负荷，经验系数为o 5 0 8 5 ，一般取o 7 。1 9 7 6 年美国d e a n 和1 9 7 8 年 b e i e r 及g o r t o n 提出分层空调算法并应用于实际，采用上部非空调区得热的6 0 转移到 3 第一章绪论 空调区内与下部空调区的全部得热构成空调总负荷，还有美国设计者将上部非空调区屋 顶和侧墙得热的3 0 和上部照明发热量的5 0 计入空调总负荷的方法【1 6 】。经验系数法 较为简便，但作为经验值，比较粗糙，准确性较低。 1 2 3 高大空间气流组织形式 高大空间室内常用的气流组织方式有以下几种【2 】 ( 1 ) 上送下回：风道位于高大空间上部，以垂直向下的送风为主。根据控制高度的不 同，可采用普通的散流器和下送喷口，包括旋流风口。下送风方案必然导致展厅上空布 满蜘蛛网似的风管，既增加了屋顶结构的荷载，又不美观。并且与其它送风方式相比， 处理的空气量和负荷都比较大，管道在顶棚内热损失也比较大，因而耗能多，造价比较 古 闻o ( 2 ) 侧送下回：风道位于人员活动区以上，沿侧墙敷设，在风道的一侧开送风喷口， 同侧下部设回风口。经热、湿处理的空气由喷口高速喷出，经过一定的距离后返回。工 作区处于回流过程中，这种送风方式风速高，射程远，速度、温度衰减缓慢。 3 ) 下送上回：将一定量处理过的空气送入空调房间的活动地板下，由风口向上或水 平送出。由于送入气流在室内的停留时间及室内气流的转移时间都比上送风要短，所以下 送风空调系统具有较高的通风效率；且下送风空调房间在垂直方向存在着明显的热力分 层现象。 1 3 计算流体力学( c f d ) 在暖通空调中的应用 1 3 1c f d 简介 c f d 是英文c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( 计算流体动力学) 的简称。它是伴随着 计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，c f d 相当于“虚拟 地在计算 机上做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。其基本原理是数值求解控制流体流动 的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情 况。可以认为c f d 是现代模拟仿真技术的一种。c f d 是目前国际上一个被极为关注的 研究领域，是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流、化学反应研究的核心和重要 技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工等诸多工程领域。 暖通空调制冷行业是c f d 技术应用的重要领域之一【1 7 j 。 1 9 3 3 年，英国人t h o r n 首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程， 4 长安大学硕士学位论文 c f d 由此而生。1 9 7 4 年，丹麦的n i e l s e n 首次将c f d 用于暖通空调工程领域，对通风 房间内的空气流动进行模拟。之后短短的2 0 多年内，c f d 技术在暖通空调工程中的研 究和应用进行地如火如荼。如今，c f d 技术逐渐成为广大空调工程师和建筑师解决分析 工程问题的强有力工具。 c f d 就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，这其中涉 及流体力学( 尤其是湍流力学) 、计算方法乃至计算机图形处理等技术。因问题的不同， c f d 技术也会有所差别，如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动等。对 于暖通空调领域内的流动问题，多为低速流动，流速在l o n d s 以下；流体温度或密度变 化不大，故可将其看作不可压缩流动，不必考虑可压缩流体高速流动下的激波等复杂现 象。从这个角度而言，在此应用范围内的c f d 和数值传热学n h t ( n u m e r i c a lh e a t t r a n s f e r ) 是一样的。另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，这又给解决实 际问题带来很大的困难。由于湍流现象理论求解至今没有完全得到解决，目前h v a c 领 域内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决 1 8 , 1 9 】。c f d 通常包含如下几个主要 环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。 1 3 2c f d 技术在工程应用中的优势【1 7 , 1 8 】 c f d 是一种模拟仿真技术，在暖通空调工程中的应用主要在于模拟预测室内外或 设备内的空气或其他工质流体的流动情况。以预测室内空气分布为例，目前在暖通空调 工程中采用的方法主要有四种：射流公式、z o n a lm o d e l 、c f d 以及模型实验。 由于建筑空间越来越向复杂化、多样化和大型化发展，实际空调通风房间的气流组 织形式变化多样，而传统的射流理论分析方法采用的是基于某些标准或理想条件理论分 析或试验得到的射流公式对空调送风口射流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测， 势必会带来较大的误差。且射流分析方法不能给出设计人员所需的详细资料，无法满足 设计者详细了解室内空气分布情况的要求；z o n a lm o d e l 是将房间划分为一些有限的宏 观区域，认为区域内的相关参数如温度、浓度相等，而区域间存在热质交换，通过建立 质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布 以及流动情况，因此模拟得到的实际上还只是一种相对“精确”的集总结果，且在机械 通风中的应用还存在较多问题；模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但 需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，搭建实验模型耗资很大，有文献指出单个实验 通常耗资3 0 0 0 - - , 2 0 0 0 0 美元，而对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更多，周 5 第一章绪论 期也长达数月以上，难于在工程设计中广泛采用。 另一方面，c f d 具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的 优点，故其逐渐受到人们的青睐。由表1 1 给出的四种室内空气分布预测方法的对比可 知，就目前的三种理论预测室内空气分布的方法而言，c f d 方法确实具有无法比拟的优 点，且由于当前计算机技术的发展，c f d 方法的计算周期和成本完全可以为工程应用所 接受。尽管c f d 方法还存在可靠性和对实际问题的可算性等问题，但这些问题已经逐 步得到发展和解决。因此，c f d 方法可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测，从 而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。进一步而言， 对于室外空气流动以及其它设备内的流体流动的模拟预测，一般只有模型实验或c f d 方法适用。表1 1 的比较同样表明了c f d 方法比模型实验的优越性。故此，c f d 方法 可作为解决暖通空调工程的流动和传热传质问题的强有力工具而推广应用。 表1 1 四种暖通空调房间空气分布的预测方法比较 z o n a l 一 射流公式c f d模型实验 比较项目m p d e l 房间形状复杂程度简单较复杂基本不限基本不限 对经验参数依赖性几乎完全很依赖一止匕 不依赖 预测成本最低较低较昂贵最高 预测周期最短较短较长最长 结果的完备性简略简略最详细较详细 结果的可靠性差差较好 最好 机械通风，且 机械和自然通机械和自然通机械和自然通 适用性与实际射流条 风，一定条件风风 件有关 1 3 3c f d 在暖通空调中的应用【2 0 】 c f d 主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题： ( 1 ) 通风空调空间气流组织设计 通风空调空间的气流组织直接影响到其通风空调效果，借助c f d 可以预测仿真其 中的空气分布详细情况，从而指导设计。通风空调空间通常又可分为：普通建筑空间， 如住宅、办公室、高大空间等；特殊空间，如洁净室、客车、列车及其它需要空调的特 6 长安大学硕上学位论文 殊空间。 ( 2 ) 建筑外环境分析设计 建筑外环境对建筑内部居住者的生活有着重要的影响，所谓的建筑小区二次风、小 区热环境等问题日益受到人们的关注【2 l 】。采用c f d 可以方便地对建筑外环境进行模拟 分析，从而设计出合理的建筑风环境。而且，通过模拟建筑外环境的风流动情况，还可 进一步指导建筑内的自然通风设计等。 ( 3 ) 建筑设备性能的研究改进 暖通空调工程的许多设备，如风机、蓄冰槽、空调器等，都是通过流体工质的流动 而工作的，流动情况对设备性能有着重要的影响。通过c f d 模拟计算设备内部的流体 流动情况，可以研究设备性能，从而改进其更好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。 1 3 4c f d 发展方向及存在问题 c f d 在暖通空调工程的应用始于1 9 7 4 年，国外在这方面发展较快，目前国内也有 一些大学或科研机构在对此进行研究。就其研究方向而言，主要可分为两方面：基础研 究和应用研究。目前，美国、欧洲、日本等发达国家对c f d 的基础和应用研究都处于 领先水平，我国的清华大学等高等学校和科研单位也有较为独特的研究方向2 9 3 0 1 。 c f d 在基础研究方面主要包括： ( 1 ) 室内空气流动的简化模拟； ( 2 ) 室内外空气流动的大涡模拟； ( 3 ) 室内空气流动模拟和建筑能耗的耦合模拟； 应用研究方面主要包括： ( 1 ) 自然通风的数值模拟； ( 2 ) 置换通风的数值模拟； ( 3 ) 高大空间的数值模拟； ( 4 ) v o c 散发的数值模拟； ( 5 ) 洁净室的数值模拟。 c f d 的软件一般包括3 部分，即前处理、求解( 核心) 部分及后处理( 科学计算可视化) 部分。从软件工程的角度来看，求解( 核心计算) 的部分与国外先进水平差距不大，主要 差距表现在前处理即几何造型与网格生成技术、后处理即科学计算可视化部分。从总体 上看，我国暖通空调制冷行业中开展c f d 方面研究尚有大量工作要做，主要表现在以 7 第一章绪论 下几个方面： ( 1 ) 继续加强算法理论方面的基础研究； ( 2 ) 研究网格自动生成技术； ( 3 ) 研究科学计算可视化技术； ( 4 ) 用c f d 技术开展本行业中的应用研究。 c f d 技术在c a e 工程中已表现出巨大的优势，将与c a d 及c a m 乃至灿技术有 效地结合在一起，将显示其强大的生命力。 1 3 5 数值模拟软件的介绍3 1 】 从数值分析所使用的工具来看，大部分的研究者都尝试过自己编制程序进行计算， 但大多是对某一具体问题专门编程的，因此缺乏通用性。为了能使数值分析方法适用于 流体力学、传热学以及化学等领域，已经开发了各种通用的数值计算软件。自从1 9 8 1 年英国c h a m 公司首先推出求解流动与传热问题的商业软件p h o e n i c s 以来，在国际 软件产业中迅速形成了通称为c f d 软件的产业市场。到今天，全世界至少己有5 0 余种 这样的流动与传热问题的商业软件，在促进c f d n h t 技术( 计算流体力学数值传热学) 技术应用于工业实际中起了很大的作用。目前在我国流行的大型商业化c f d 软件主要 有f l u e n t 、c f x 、s t a r - c d 、p h o e n i c s 、a i r p a k 等。本文所使用的计算软件是a i r p a k 。 ( d c f x 该软件采用有限容积法、拼片式块结构化网格，在非正交曲线坐标( 适体坐标) 系上 进行离散，变量的布置采用同位网格方式。对流项的离散格式包括一阶迎风、混合格式， q u i c k ，c o n d i f ，m u s c i 及高阶迎风格式。压力与速度的耦合关系采用s i m p l e 系 列算法( s i m p l e c ) ，代数方程求解的方法中包括线迭代、代数多重网格等。湍流模型中 纳入了缸模型、低r e y n o l d sk - e 模型、r n g ( 重整化群) 缸s 模型、代数应力模型及微分 r e y n o l d s 应力模型。 ( 2 ) f i d a p f i d a p ( f i n dd y n a m i c s a n a l y s i sp a c k a g e 的缩写) ，系1 9 8 3 年由美国f l u i dd y n a m i c s i n t e r n a t i o n a l i n c 推出，是世界上第一个使用有限元法( f e m ) 的c f d n h t 软件，可以接 受如i - d e a s ，p a t r a n ，a n s y s 和i c e m c f d 等著名生成网格的软件所产生的网格。 该软件可以计算可压缩流及不可压缩流、层流与湍流、单相流与两相流、牛顿流体及非 牛顿流体的流动、凝固与熔化问题等，有网格生成及计算结果可视化处理的功能。 长安大学硕上学位论文 ( 3 ) p h o e n i c s 这是世界上第一个投放市场的c f d 商用软件( 1 9 8 1 年) ，可算是c f d n h t 商用软件 的鼻祖。这一软件采用有限容积法，可选择一阶迎风、混合格式及q u i c k 等，压力与 速度藕合采用s i m p l e s t 算法，对两相流纳入了i p s a 算法( 适用于两种介质互相穿透时) 及p s i c e l l 算法( 粒子跟踪法) ，代数方程组可以采用整场求解或点迭代、块迭代方法， 同时纳入了块修正以加速收敛。该软件曾经在工业界得到较广泛的应用，在算例库中收 入了6 0 0 余个例子。 ( o s t a r 叫c d 这一软件名称s t a r 为s i m u l a t i o no f t u r b u l e n tf l o wi na r b i t r a r yr e g i o n 的缩写，c d 是开发商c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c sl t d 的简称。这是基于有限容积法的一个通用软件。 在网格生成方面，采用非结构化网格，单元的形状可以有六面体、四面体等多种多面体， 可以与目前通用的c a d c a e 软件相联接。在差分格式方面，纳入了一阶迎风、二阶迎 风、中心差分、q u i c k 格式以及将一阶迎风与中心差分或q u i c k 等掺混而成的混合格 式；在压力与速度藕合关系的处理方面，可选择s i m p l e ，p i s o 以及称之为s i m p i s o 的算法( 一种借用了p i s o 算法中处理非正交坐标系中压力梯度项处理方法的s i m p l e 算 法) ，在边界条件处理方面，可以处理给定压力的边界条件、周期性边界、辐射边界等 复杂情形；在湍流模型方面纳入了标准模型、r n g 模型等。应用这一软件可以计算稳 态流动与非稳态流动、牛顿流体及非牛顿流体的流动、多孔介质中的流动、亚音速及超 音速流动、涉及导热、对流与辐射换热的流动问题、涉及化学反应的流动与传热问题及 多相流的数值分析，在汽车工业中应用较广。 ( 5 ) f l u e n t 这一软件由美国a n s y s 公司于1 9 8 3 年推出，是继p h o e n i c s 软件之后第二个投 放市场的基于有限容积法的软件。它包含有结构化及非结构化网格两个版本。在结构化 网格版本中有适体坐标的前处理软件，同时也可以纳入p a t r a na n s y s ，i - d e a s 及 i c e m c f d 等专门生成网格的软件；速度与压力耦合采用同位网格上的s i m p l e c 算法； 对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及q u i c k 等格式；代数方程求解可以采用 多重网格及最小残差法( g m r e s ) ；湍流模型有标准模型、r n g 模型及r e y n o l d s 应力模 型( r s m ) 等，在辐射换热计算方面纳入了射线跟踪法( r a yt r a c i n g ) 。可以计算的物理问题 类型有：定常与非定常流动，不可压缩与可压缩流动( 对高m a 下的流动，另有专门 r a m p a n t 软件) ，含有粒子液滴的蒸发、燃烧的过程，多组份介质的化学反应过程等。 9 第一章绪论 在其非结构化网格的版本( f l u e n t u n s ) 中采用控制容积有限元方法( c v f e m ) ，在该方 法中采用类似予控制容积方法来离散方程，因而可以保证数值计算结果的守恒特性，同 时采用了非结构网格上的多重网格方法求解代数方程。 ( 6 ) a i r p a k a i r p a k 美国a n s y s 公司在f l u e n t 基础上开发的专门面向h v a c 领域的c f d 软件，采用f l u e n t 求解器。提供了强迫对流、自然对流和混合对流模型、热传导、流 固耦合传热模型、热辐射模型、湍流模型，可以模拟空调系统送风气流组织形式下室内 的温度场、湿度场、速度场、空气龄场、气体污染物浓度场、p m v 场、p p d 场等。a i r p a k 具有强大的可视化后处理能力，能够能生成速度矢量、云图和粒子流线动画，描绘气流 的实时运动情况。模拟结束后，还可提供强大的数值报告，从而对房间的气流组织、热 舒适性和室内空气品质( t a q ) 进行全面综合评价。 1 4 本课题研究对象及主要内容 本课题选择西安高新区某公司总部多功能厅为研究对象进行分析，该多功能厅空调 面积为2 7 0 m 2 ，长1 5 米，宽1 8 米，高7 米。该厅在负荷、气流组织上与高大空间有 很大的相似之处，可视为高大空间的相似模型。借助对其的研究能对高大空间有较为全 面和系统的认识，更重要的是能节省大量的研究时间和精力。 本课题主要研究内容：利用印a k 2 1 分别对该厅进行置换通风空调系统、分层空 调系统、上送上回空调系统方面的模拟分析研究，在保证工作区合理气流组织设计及热 舒适性的情况下，对三种送风形式节能性进行比较分析，从而提出对于高大空间具有指 导意义的空调送风方式。 l o k 安人学硕j ：学位论文 第二章c f d 及其商用软件a ir p a k 简介 随着计算机工业的迅速发展，计算速度的不断提高，c f d 作为一门独立的学科在近 三十年来已经成为流体力学与应用数学的热门研究内容，在传热与流体流动问题的研究 中起着越来越重要的作用。本章详细介绍了c f d 计算方法和原理，以及网格的生成和 后处理，以为后几章开展的c f d 模拟研究提供必要的理论依据。 2 1 物理现象的数学描述【3 2 , 3 3 】 本课题应用计算流体力学( c f d ) 的方法数值模拟高大空间建筑传热与流体流动问 题，即研究高大空间的温度场、速度场、热舒适等问题。本文研究的问题属于室内不可 压缩气体三维稳态问题，微分方程中的非稳态项为零。基于空气湍流特性的微观解析， 主要方法是采用l a u n d e r 及s p a l d i n g 等提出的一种平均湍流能量模型加双方程湍流模 型求解方程组。采用肛双方程模型求解湍流对流换热问题时，控制方程包括连续性方 程、动量方程、能量方程及k - e 方程与湍流粘性系数( t u r b u l e n tv i s c o s i t y ) 1 ，公式。其中 考虑质量力和辐射换热的作用。 2 1 1 流体动力学控制方程 室内空气流动与换热的基本控制方程组是由连续性方程、动量方程、能量方程、 方程和方程组成的。通用微分方程为： 兰( 却) + 西1 ，( 删矽) = d i v ( f g r a d q k ) + s ( 2 1 ) 式中：广流体密度，k g m 3 ； z 广_ 速度矢量，m s ； 广通用因变量； 卜广义扩散系数； s - - 一广义源项。 对于三维稳态情况 堕磬+ 堕笋一i - 堕掣= 昙( r 罢) + 导( r 影 + 鲁( r 尝) + s c 2 缸 却 出舐i 舐j 咖i却j 瑟i 瑟 “7 式中：z 广一速度矢量在x 方向的分量； 1 一速度矢量在y 方向的分量； 第一二章c f d 及其商用软件a i r p a k 简介 m 一速度矢量在z 方向的分量。 空调房间里的气流属于常温常压下的低速流动，可以看作是不可压缩流体，但是由 于空气温差而产生的自然对流对室内空气的流场和温度场的影响是不可以被忽略的。这 里引入了著名的b o u s s i n e s q 假设，可以大大地简化所讨论的问题。b o u s s i n e s q 假设提出： 流体中的粘性耗散忽略不计；除密度外其它物性为常数；密度的变化对惯性力项、压力 差项和粘性力项的影响可忽略不计，仅考虑密度的变化对动量方程中与体积力有关的 项，其余各项中的密度仍作为常数。 考虑质量力时，流体的运动方程可写为： 下a ( a u , u j ) = 一毒+ 毒( 考) + 考( 鸬瓦o u j c 2 p 晒2p + p t 吒t ：p c n 竺 式中：广流体有效动力粘度系数； 广湍动粘度； q 广一经验系数，g = o 0 9 ； r 湍动耗散率( t u r b u l e n td i s s i p a t i o nr a t e ) 。 考虑到密度的变化仅是由温度的变化引起的，并且质量力仅是重力的情况时，由热 膨胀系数的定义式： 肛丢( 等) 眩4 ，汜4 ， 可得： p p o = 一p 矽( 丁一t o ) ( 2 5 ) 所以有： p g = ( p p o ) g + p o g = - p f l g ( t 一瓦) + 风g ( 2 5 )( 2 6 ) 上式中的j 触( t - t o ) 表示流体温差导致的所谓b o u s s i n e s q 浮力，代入运动方程( 2 3 ) 可得： 毒( 眺甜，) = - p g f l c 丁一瓦，+ 风g 一瓦o p + 毒( 峋考) + 毒- 鼍 c 2 1 2 长安大学硕士学位论文 对通用方程( 2 1 ) 中的纵厂和s 分别取特定的形式，就可以得到连续方程、动量 方程、能量方程和k 方程、s 方程。 连续方程： 当9 = 1 ，s = 0 ，f = 0 时，可由通用微分方程( 2 1 ) 得到连续方程。 动量方程： 当舻= “时 s = 一瓦a p 十瓦al ( 吻罢) + 昙( 吻罢) + 昙( 砌罢) 一昭( 丁一t o ) + 岛g ( 2 剐 f = + 矽刊时 s = 一考+ 丢( 吻考) + 昙( 吻考 + 亳( 物茅) c 2 m f = p + p i 妒训时 s = 一警+ 瓦a ( 西a u ) + 导( 峋笔) + 鲁( 砌警) ( 2 舯， r = p + p i 能量方程： 痧= t ( 2 1 1 ) s = g o ( a t 4 一占丁4 ) r ：旦+ 丛 p ro t k 方程： 矽= k s = g p q = 鸬 2 ( 罢) 2 + ( 考) 2 + ( 警) 2 + ( 考+ 罢) 2 + ( 罢 + 7 x ) 2 + ( 考 + 考 2 1 3 ( 2 1 2 ) 第_ 二章c f d 及其商用软件a i r p a k 简介 i ：+ 丝 吒 式中：g i 。_ 是由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项。 s 方程： 西= ( 2 1 3 ) s 2 妻( q g c 2 p g ) g = 以 2 ( 豢) 2 + ( 考) 2 + ( 警) 2 + ( 考+ 亲) 2 + ( 老+ 罢) 2 + ( 妻+ 茅) 2 ) r ：+ 兰l 吒 p 唾2p 七p t 在标准k - e 模型中，根据l a u n d e r 的推荐以及后来的实验验证，模型常数的取值为： c l = 1 4 4 ，c 2 = 1 9 2 ，o k = 1 0 ，o 。= 1 3 ，口o 0 9 ，( s t = 0 9 1 0 。 能量方程中引入了乃，必须增加一个方程才能闭合。死满足方程： 坊v ( 4 9 朋蚂) = ( 口+ s ) ( 乞丁4 - a o o t 3 4 ) ( 2 1 4 ) 其中： 4 = ( 1 y 3 ) c r o 互4 ( 口+ s + y w g a p ) ( 2 1 5 ) 式中：a 广斯蒂芬一玻尔兹曼常数a o = 5 6 7 x 1 0 w ( m 2 k 4 ) ； 口吸收率a = 0 1 ； s 散射率s - - - 0 1 ； g _ 发射率s g = o 0 9 ： w g a p _ p h o e n i c s 计算的一个中问量，表示最近的两个壁面之间的距离。 2 1 2 离散化方法 用经典的分析方法求解表示室内空气流动与换热的非线性偏微分方程，通常是很困 难的，一般无法用解析法进行求解，必须用数值方法进行求解，即将偏微分方程转化为 代数方程，对代数方程组进行迭代求解。偏微分方程转化为代数方程组的过程称为偏微 分方程的离散化。 1 4 k 安大学硕士学位论文 对于一个已知的偏微分方程，可能的离散化方程并不是唯一的，这是因为对同一个 偏微分方程可采用不同的离散方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。当然， 在网格数趋向于无穷大的条件下，所有这些可能的离散化方程应该能给出相同的解。本 论文所使用的软件f l u e n t 采用的就是有限容积法。 有限容积法就是把计算区域分成许多互不重叠的控制容积，并使每一个网格节点都 由一个控制容积所包围，从描写流动与传热问题的守恒性控制方程出发，在每一个控制 容积上进行积分，并应用表示网格节点之间的物理量变化的分段分布关系来计算所要求 的积分，于是，得到一个包含有一组网格节点处的物理量的离散化方程。 有限容积法最主要的特征是所得到的解，必定在任意一组可控制容积内，即在整个 计算域内，诸如质量、动量以及能量等物理量的积分守恒都可以精确地得到满足。对任 意数目的网格节点，这一特征都存在，因而，即使是粗网格的解也照样能显示准确的积 分平衡。有限容积法的上述特点使它得到了广泛的应用。 有限体积法实施的主要步骤如下： ( 1 ) 将守恒型的控制方程在任一控制容积及时间内对空间与时间作积分； ( 2 ) 选定未知函数及其导数对时间与空间的局部分布曲线； ( 3 ) 对各个项按选定的线型作积分，并且整理关于节点上未知值的代数方程。 在用有限体积法建立离散方程时必须满足下列四项基本法则： ( 1 ) 保持控制体积面上的连续性：即当一个面是相邻的两个控制容积共有时，在这两 个控制容积离散化的过程中，通过该面的流量必须用相同的表达式来表示； ( 2 ) 正系数：即对于一般的方程来说，所有的系数( 网格中心和相邻结点的系数) 必须总 是正的： ( 3 ) 源项的负斜率线性化，即当源项线性化写成品= s - a v e p 时，斜率( - 嘞) 必须不大于 零； ( 4 ) 相邻结点系数之和，即网格中心点的系数必须等于相邻结点系数之和锄。 将控制容积面放在两个网格点之间的中点，生成控制容积和节点。如图2 1 所示。 它表示了一个三维控制容积( x ，y ，z 三个方向的网格数分别为x ，v ，n z ) 及交错网 格，其中图( a ) 为水平方向，图( b ) 为高度方向。外加一个对时间的网格划分，其中n ，s 、 w 、e 、t 、b 一空间位置上与p 相邻的网格点，下标p 表示待求函数值驴所在的网格点。 根据前述有限容积法，按照不同情况选择最合理的线型，最后得到节点p 的通用隐式离 散方程： 1s 第_ 二章c f d 及】e 商用软件a i r p a k 简介 砟2 盟等等等