空调房间气流组织模拟及优化

1、毕业设计说明书 作 者： 学 号：学 院：系(专业业)： 热热能与动动力工程程 题 目：空空调房间间气流组组织数值值模拟和和优化指导者： 讲师师 (姓 名名) (专业业技术职职务)评阅者：(姓 名名) (专业业技术职职务) 20012 年年 66 月2 日毕业设计计（论文文）中文文摘要 题题 目目 空调调房间气气流组织织数值模模拟和优优化摘要：气流组织织对空调调室内的的空气环环境、空空气品质质有着重重要的影影响，直直接关系系着室内内的温度度、区域域流速及及空调能能耗，是是空气调调节的一一个重要要环节。有效地地通风和和合理的的气流组组织对于于改善室室内空气气品质，保证实实现健康康建筑、健康舒舒适

2、性空空调有着着重要的的意义。影响空调调房间气气流组织织的主要要因素是是入口风风速、进进风口的的位置、进回风风口的相相对位置置等，本本文首先先使用Gaambiit软件件建立物物理模型型和网格格划分，并用Fluuentt软件进进行数值值模拟，以直观观的方式式表示各各不同气气流组织织方案下下的气流流的温度度场和速速度场，分析得得出对于于办公室室等类似似的空调调房间，侧送侧侧回、上上送下回回、上送送上回、下送上上回等四四种气流流组织都都比较适适合的。但是侧侧送侧回回和上送送上回的的气流组组织形式式更优。关键词：气流组组织 数值模模拟 紊流模模型 温度场场 速速度场毕业设计计（论文文）外文文摘要Titl

3、le Nummeriicall siimullatiion of airr-coondiitioonedd rooom airr diistrribuutioon aand opttimiizattionnAbsttracctAirffloww-orrganniziing in airr-coondiitioonedd inndooor aair envviroonmeent, aiir qquallityy haas aan iimpoortaant efffectt iss diirecctlyy reelatted to thee inndooor ttempperaaturre, ar

4、eea, floow rratee annd aair-conndittionningg ennerggy cconssumpptioon iis aan iimpoortaant parrt oof tthe airr-coondiitioonedd. EEffeectiive venntillatiion andd aiirfllow orgganiizattionn haas aan iimpoortaant siggnifficaancee foor iimprroviing inddoorr aiir qquallityy, tto eensuure thee reealiizatt

5、ionn off heealtthy buiildiingss, hheallthyy coomfoort airr coondiitiooninng.The maiin ffacttorss too afffecct tthe floow iin rroomm innlett veeloccityy, tthe loccatiion of thee aiir iinleet iintoo thhe rretuurn airr reelattivee poosittionn Fiirsttly, thhe eestaabliishmmentt off a phyysiccal moddel a

6、ndd meesh usiing Gammbitt sooftwwaree, aand nummeriicall siimullatiionss ussingg Flluennt ssofttwarre, saiid iin aan iintuuitiive wayy thhe ttempperaaturre ffielld aand vellociity fieeld of airrfloow uundeer ddifffereent airr diistrribuutioon pproggramm, aanallyziing thee drraw forr offficce aand ot

7、hher simmilaar aair-conndittionned rooom, Sidde oof tthe sennd ssidee baack, onn seendiing thee neext timme, on to sennd baack, neext to sennd bbackk too thhe ffourr aiir ddisttribbutiion aree moore appproppriaate. Buut tthe bettterr Siide of thee seend sidde bbackk annd oon tto ssendd baack on thee

8、 aiir ccurrrentt foormss off orrgannizaatioon.Keywwordds：Airrfloow-oorgaanizzingg;Nuumerricaal ssimuulattionn; TTurbbuleencee moodell;Teempeeratturee fiieldd;Veeloccityy fiieldd.目 次1引言111.1研研究的背背景及意意义111.2 国内内外的研研究成果果11.3 本文的的主要内内容和工工作22空调房房间的气气流组织织形式32.1气气流组织织的介绍绍3 2.2常用用的气流流组织形形式32.2.1侧送送侧回442.2.2

9、上送送下回42.2.3 上上送上回回42.2.4 下下送上回回53 气气流组织织和室内内舒适性性的评价价指标553.1技技术指标标553.2经经济性指指标773.3适适性空调调室内空空气计算算参数884 空空调房间间的数值值模拟过过程884.1物物理模型型的建立立884.2网网格的划划分1114.3数数学模型型1114.4在在Fluuentt里的参参数 1134.5解解算结果果及后处处理1145数值模模拟结果果分析155.1侧侧送侧回回的结果果及分析析155.2 异侧下下送上回回的结果果及分析析1175.3 上送上上回的结结果及分分析195.4 上送下下回的结结果及分分析20 结论论 222

10、参考考文献223致谢2551 引引言11 研究的的背景及及意义随着经济济的发展展和科技技的进步步，人们们的物质质生活水水平不断断提高，空调的的使用越越来越普普及，人人们对居居住和工工作环境境的要求求也越来越越高，因因此对通风风空调技技术也提提出了更更高的要要求。在在空调房房间内，气流组组织是通通风和空空调系统统的重要要组成部部分，气气流组织织直接影影响室内内空调效效果，是是关系着着房间工工作区的的温度、湿度度基数、精度及及区域温温差、工工作区的的气流速速度及清清洁程度度和人们们舒适感感的重要要因素，是一切切空调工工程设计计中必须须考虑和和重视的的问题。有效地地通风和和合理的的气流组组织对于于改

11、善室室内空气气品质，实现工工作环境境健康舒舒适性有有着重要要的意义义。因此此人们希希望在建建筑规划划设计阶阶段就能能详细了了解由空空调通风风所形成成的室内内空气速速度场、温度场场、湿度度场以及及有害物物浓度场场等的分分布情况况，从而而制定出出最佳的的气流组组织方案案1。空调房间间内的空空气分布布与送/回风口口的尺寸寸、形式式、数量量及位置置，送风风参数（送风温温度，风风速），房间的的大小及及污染源源的位置置和性质质等有关关。这些些参数直直接影响响空调室内内调节效果果，影响响室内的的温度，风速和和室内人人员的舒舒适度，是空气气调节的的一个重重要环节节，也是是空调设计计过程中要重点考虑的的一个环环

12、节。由于于影响空空气分布布的因素素较多，加上实实际工程程中的具具体条件件的多样样性，因因此难于于用简单单的理论论或经验验表达式式来综合合上述诸诸多因素素的影响响。目前前，在空空间气流流分布计计算方面面，较多多采用依依赖于实实验的经经验式，由于实实验条件件的不同同，在各各种实验验结果间间存在一一定的差差异，但但在总体体规律性性方面却却基本雷雷同2。1.2 国内内外的研研究成果果鉴于空调调房间的的气流组组织形式式对能源的的损耗、室内空空气的品质和和人体健健康舒适适性有着着至关重重要的作作用。国国外从220世纪纪20年年代就对对此领域域展开了了研究，如对等等温、非非等温射射流运动动规律的的研究，送风

13、方方式与舒舒适度关关系的研研究，各各类建筑筑物不同同送/回回风方式式的研究究，室内内空气品品质的研研究等。在国内，天津大大学的马马九贤教教授于880年代代组织建建造了国国内第一一个专门门用来对对空调房房间内气气流情况况进行研研究的实实验室，并取得得了一定定的研究究成果，为进一一步进行行房间气气流的研研究奠定定了基础础3。文献献45得出下送送风气流流组织的的送风口口形式、送风进进口与人人体距离离、送风风速度和和送风温温度对人人体热舒舒适的影影响。文献6利用用C022作为示示踪气体体，研究究了空气气龄与质质点换气气效率、房间换换气次数数之间的的关系。Niellsenn等人对对空调房间间模型内内二维

14、流流动进行行了模拟拟实验7。Zhaang G、MMorssingg和Bjjergg等人在在Nieelseen研究究的基础础上改变变模型房房间长宽宽高等比比例进行行了模型型实验8。J.DD. PPosnner等等人采用用RNGG k-模型模拟拟预测模模型室的的测量9。随着计算算机技术术的发展展，CFFD技术术开始用于于空调房房间的气流流分析。19774年，丹麦的的Nieelseen首次次将CFFD技术术应用于于空调工工程，数数值模拟拟空调房房间室内内空气流流动情况况，利用用流函数数和涡旋旋公式求求解封闭闭二维流流动方程程。Chhen Qinngyaan则在在19888年利利用CFFD技术术对建筑

15、筑物能耗耗、室内内空气流流动情况况以及室室内空气气品质等等问题进进行了分分析和研研究。在在20000年TToppp、Niielssen和和Davvidsson在在全方位位通风的的房间内，利利用CFFD方法法模拟了了在等温温壁条件件下的空空气流动动情况10。国内也有有众多的的研究者者利用CCFD技技术对空空调房间间气流组组织进行行优化和研研究。119888年，张张建忠分分析了数数值模拟拟方法在在通风空空调领域域的应用用情况，还对常常见的工工业敞口口槽通风风问题作作了数值值计算分分析，把把问题简简化为二二维稳定定不可压压缩的粘粘性流动动11。文献12利利用实验验和数值值模拟方方法研究究了空洞洞建筑

16、上上送风情情况下空空调室内内的流场场分步情况，指出送送风温度度和风速速是对温度分分层高度度有重要要影响。上述文文献虽对对空调房房间气流流组织进进行了大大量的研研究，但但只是对对工程上上某种具具体的气气流形式式的研究究没有对对不同气气流组织织形式进进行系统统、详细细地比较较。关于于空调室室内气流流组织下下的温度度详细分分布的文文献未见见报道。1.3 本文的的主要内内容和工工作本文以计计算流体体力学和和数值传传热学为为理论基基础，对对空调房房间的气气流组织织形式和和室内空空气三维维湍流流流动的数数值模拟拟方法进进行分析析，使用用Gammbitt建立夏夏季空调调房间常常见的四四种气流流组织模模型，采

17、采用FLLUENNT软件件以直观观的方式式显示了了四种气流流组织方方案的气气流流型型，分析析讨论其其气流分分布规律律、特点点，并将将数值计计算结果果进行处处理，并并将各种种不同送送气流组组织形式式下的温温度场和和速度场场进行对对比，总总结各种种气流组组织形式式的优缺缺点。本文内容容安排1、简述述气流组组织研究究的背景景及意义，并简单单介绍国国内外气气流组织织研究现现状。2、介绍绍空调房房间气流流组织及及常用的的气流组组织形式式。3、介绍绍空调室室内舒适适性的评评价指标标和气流流组织的的评价指指标。4、使用用Gammbitt建立气气流组织织模拟的的物理模模型，并并对其进进行适当当简化，对物理理模

18、型进进行网格格划分，确定FFlueent软软件中的的参数设设置，应应用Flluennt软件件，对常常见的四四种气流流组织形形式进行行模拟计算算。5、对模模拟结果果进行分分析，得得出结论论。2 空空调房间间的气流流组织形形式2.1 气流组组织的介介绍狭义的气气流组织织指的是是上（下下、侧、中）送送上（下下、侧、中）回回或置换换送风、个性化化送风等等具体的的送回风风形式，即气流流组织形形式；广广义的室室内气流流组织，是指一一定的送送风口形形式和送送风参数数所带来来的室内内气流分分布。经过一定定处理过过后的空空气，经经过空调调系统进进入空调调房间，与室内内空气进进行热湿湿交换后后由回风风口排出出。显

19、然，空调房房间的速速度场、温度场场的均匀匀性和稳稳定性与与室内空空气的流流动情况况密切相相关。气气流组织织设计的的目的就是是合理的的组织室室内空气气的流动动和分布布，使室室内工作作区空气气的温度度、湿度度、风速速和洁净净度能更更好地满满足室内内人员的的舒适感感要求。只有合合理的气气流组织织才能充充分发挥挥送风的的冷却和和加热作作用，均均匀地消消除室内内的冷(热)、湿负荷荷，并有有效的排排除有害害物和悬悬浮在空空气中的的灰尘,满足室室内人员员对新鲜鲜空气的的需求。好的通风风系统不不仅要能能够给室室内体统统一个健健康、舒舒适的环环境，而而且要有有很高的的经济性性。因此此，根据据室内环环境等的的特点

20、和和需要，采取最最恰当的的通风系系统和气气流组织织形式，实现优优质高效效运行，就显得得尤为重重要。2.2 常用用的气流流组织形形式在实际工工程中，常用的的气流组组织形式式有：侧侧送侧回回、上送送下回、上送上上回、下下送上回回等。2.2.1 侧送侧侧回图2-11 侧送送侧回气气流分布布侧送侧回回的送风风口布置置在房间间的侧墙墙上部，气流横向向送出，气流吹吹到对面面墙上后后下落到到工作区区，以较低低速度流流过工作作区，再再通过布置置在同侧侧墙下方方的回风风口排出出。侧送送侧回形形式中，工作区区处于回回流区，由于气气流在到到达工作作区之前前，已经经和房间间内空气进进行了比比较充分分的混合合，使房房间

21、内速速度场和和温度场场都趋于于均匀和和稳定，因此能能保证工工作区具具有稳定定和均匀匀的气流流速度和和温度。2.2.2 上送下下回图2-22 上送送下回气气流分布布这种气流流组织形形式是将将送风口口布置在在房间上上部，回回风口布布置在下下部。该该气流组组织的优优点是送送风气流流不直接接进入工工作区，有较长长的与室室内空气气混掺的的距离，能够形形成比较较均匀的的速度场场和温度度场。2.2.3 上送上上回图2-33 上送送上回气气流分布布这种气流流组织形形式是将将送风口口和回风风口布置都在房间间上部，气流能能充分的的流过工工作区，对于那那些因各各种原因因不能在在房间下下部布置置回风口口的场合合是相当

22、当合适的的。2.2.4 下送上上回图2-44下送上上回气流流分布这种形式式的送风风口布置置在下部部，回风风口布置置在上部部，排风风温度高高于工作作区的温温度，故故具有一一定的节节能效果果，同时时有利于于改善工工作区的的空气质质量。对对于室内内余热量量大，特特别是热热源又靠靠近顶棚棚的场合合，如计计算机房房，广播播电台的的演播大大厅等，采用这这种气流流组织形形式是非非常合适适的，对对于同侧侧下送上上回的气气流组织织形式，气流能能吹过房房间的每每个角落落，空调调效果非非常好。但是，下送方方式要求求降低送送风温差差，控制制工作区区内的风风速。3 气气流组织织和室内内舒适性性的评价价指标对以人为为主要

23、服服务对象象的舒适适性空调调来说，其评价价指标主主要有技技术指标标和经济济指标两两个方面面。对大大多数空空调房问问来说，相对湿湿度在一一定范围围内(33070)对人人体的舒舒适性影影响不明明显，因因此可以以忽略空空调房间间内湿度度的影响响，其主主要考虑虑空气温温度和气气流速度度综合作作用。下下面简要要介绍一一下常用用的评价价指标,包括不不均匀系系数、换换气效率率、热舒舒适性指指标和经经济性指指标及舒适性性空调室室内空气气计算参参数101314。3.1 技术术指标不均匀系系数 不不均匀系系数即空空调房间间室内的的温度和和风速等参参数的不不均匀性性，该方法是是在室内内工作区区内选取取n个测测点，分

24、分别测得得各点的的风速和温温度，求求其算术术平均值值和均方方根偏差差，再求求不均匀匀系数和和和和和式中：nn测点点数工作作区测点点的速度度n个个测点的的速度算算数平均均值n个个测点的的温度算算数平均均值n个个测点的的速度均均方根偏偏差n个个测点的的温度均均方根偏偏差有由上面面的定义义式可见见，越小，表示气流流分布的的均匀性性越好。换气效率率 换气气效率是是衡量换换气效果果优劣的的一个指指标，是是气流自自身的特特性参数数，与污污染物无无关。考考察点换换气效果果的优劣劣取决于于该点的的局部平平均空气气年龄(空气年年龄指空空气质点点从进入入房间起起至达到到某点所所需经历历的时问问)。因因此，换换气效

25、率率可定义义为理论论上最短短的换气气时间与与实际换换气时间间之比。换气效率率定义式式：式中：室内内空气理理论上的的最短换换气时间间实际际换气时时间室内内平均空空气龄根据换气气效率的的定义式式可知，对于理理想的活活塞流，=/2，为1000%；全面孔孔板送风风，1000%；对对于混合合流，=，为500%。当当换气效效率在550%以以上时，认为为该气流流组织有有较好的的换气效效率。换换气效率率低于550%的的送风系系统在一一定程度度上意味味着短路路送风。由于/2，所以换换气效率率的值都都在01000%之间间。即除除单向流流送风外外，任何何送风方方式的换换气效率率都小于于1热舒适性性指标 常见的的热舒

26、适适指标有有；有效效温度EET、吹吹风感、和PMMVPPDD指标。 (1)有效温温度ETT(Efffecctivve TTempperaaturre)的的定义是是“将干球球温度、湿度、空气流流速对人人体冷热热感的影影响的综综合数值值，该数数值等效效于产生生相同感感觉的静静止饱和和空气的的温度”。但有有效温度度存在的的缺陷是是过高的的估计了了湿度在在低温下下对凉爽爽和舒适适状态的的影响。应用最最广并成成为ASSHRAAE标准准5574中中舒适指指标的是是新有效效温度EET。EET指标标被定义义为一个个相对湿湿度为550的的等湿环环境中的的当量干干球温度度。该指指标只适适用于着着装轻薄薄，活动动量

27、小，风速低低的环境境下。 (2)吹风感感有效吹吹风感或或称有效效吹风温温度的定义义：建议的舒舒适标准准是： v00.355式中：室内内空气温温度，吹风风的温度度， VV吹风风的速度度，m/s（3）PPMVPPDD指标 PMMVPPDD指标，是目前前世界上上广泛采采用的室室内环境境舒适性性评价指指标，IISO 77330对PPMVPPDD指标的的推荐值值为：PPPD时 ，1.0，气气流吸收收部分余余热达到到室内温温度、且且能控制制工作区区的温度度，且排风温温度高于于室内温温度，经经济性良良好。 当时 ，1.0，送送风吸收收部分余余热达到到室内温温度且能能控制工工作区的的温度，而排风风温度可可以高

28、于于室内温温度，经经济性好好。5.2 异测下下送上回回的结果果及分析析图5-44 异测测下送上上回Y=20000mmm时的速速度矢量量图图5-55 异测测下送上上回Y=20000mmm时的速速度分布布图（m/s）图5-66 异测测下送上上回Y=20000mmm时的温度度分布图图图5.44 是异异测下送送上回XX-Z截截面上YY=20000时时的速度度示意图图。从图图上可以以看出，在入射射风口前前方呈受受限射流流的形状状，气流流受到了了办公桌桌的阻挡挡，气流流受阻后后向房顶顶方向射射流，射射流区流流程不断断扩大，射流的的速度的的衰减程程度就减减慢。人人体工作作区处在在回流区区，速度度分布范范围：

29、00.0229m/s00.333m/ss,略大大于设计计规定。但是在在图左边边的办公公桌的人人员脚部部可能会会感到风风速较大大。人体工作作区域的的温度范范围：2295.60KK3000.228K。符合设设计规定定，说明明该气流流组织对对于此房房间的温温度调节节效果很很好。从从图中不不难看出出，在两两个办公公桌之间间的等温温线比较较密集，这是因因为，人人体和电电脑都是是热源，向外散散发热量量。异侧侧下送上上回的1.0，经经济性好好。5.3 上送上上回的结结果及分分析图5-77 上送送上回YY=20000mmm时的的速度矢矢量图图5-88上送上上回Y=20000mmm时的速度度分布图图图5-99上

30、送上上回Y=20000mmm时的温度度分布图图 由图55-8所所示，空空调房间间的气流流在入射射风口附附近的地地方呈手手半受限限射流的的形状，在房间间顶层附附件形成成贴附射射流，射射流中心心的速度度不断衰衰减，在在射流的的尾部时时速度为为0.556m/s，气气流在人人体工作作区形成成小漩涡涡，人体体处在回回流区，吹过人人体的风风速为00.033m/ss0.30mm/s,满足设设定的风风速要求求（0.33m/ss）。人人体工作作区的温温度范围围：2998.229K3011K。也也满足设设计要求求。经济济型评价价：工作作区的温温度高于于排风温温度，1.0，投投入的能能量没有有得到完完全的利利用，经

31、经济性较较差。5.4 上送下下回的结结果及分分析图5-110上送送下回Y=220000mm时的的速度矢矢量图图5-111 上上送下回Y=220000mm时的的速度分分布图图5-112上送送下回Y=220000mm时的的温度分分布图 图5-11所所示，上上送下回回速度的的分布图图与上送送上回的的速度分分布图相相似，都都是气流流在入射射风口附附近的地地方呈贴贴附射流流的形状状，在房房间顶层层附件形形成贴附附射流，射流中中心的速速度不断断衰减，在半受受限射流流的尾部部时速度度为0.38mm/s，人体同同样处在在回流区区，工作作区速度度范围：0.005m/s00.366m/ss，比规规定范围围微大。温

32、度范范围：2298.29KK3001.336K。在设计计规定范范围内。经济型型评价：由于工工作区的的温度高高于排风风温度，1.0，投投入的能能量没有有得到完完全的利利用，经经济性较较差。结 论论本文运用用Fluuentt对夏季季空调房房间常见见的四种种气流组组织方式式进行了了模拟及及分析，通过数数值模拟拟的方法法，可以以直观的的图中看看出房间间内每个个点的温温度和风风速，进进而可以以对整个个空调房房间内温温度分布布和速度度分布进进行全面面的分析析和评价价。这表表明了计计算流体体力学(CFDD)软件件FLUUENTT在暖通通空调领领域中的的通风方方案优化化和预测测方面的的应用是是可行的的。空调调

33、房间内内的空气气的流场场取决于于送、回回风口位位置和送送风射流流。送/回风口口设置在在房间内内的位置置不同，空气的的流场就就不相同同。在FFlueent运运行过程程中，调调整松弛弛因子能能使计算算残差图图收敛得得更好。侧送侧回回是送风风口以贴贴附射流流形式进进行送风风，射流流有足够够的射程程能够送送到对面面墙上，工作区区处在回回流区，气流在在整个房房间截面面内形成成一个大大的回旋旋气流，房间内内的有害害气体可可以随着着气流的的挤压流流动由回回风口排排出。由由于送风风射流在在到达工工作区之之前，已已与房间间空气进进行了比比较充分分的混合合，速度度场和温温度场都都趋与均均匀和稳稳定。异侧下送送上回

34、方方式本是是一个倒倒置的贴贴附射流流，但由由于本文文的模型型设计，使得它它成为了了一个半半受限射射流，气气流由送送风口进进人房间间后，由由于桌子子的阻挡挡，气流流向上运运动。但但是经过过模拟分分析，发发现这种种气流组组织形式式能够有有效的清清除余热热，使得得工作区区的温度度和速度度都能满满足设计计要求。上送上回回方式就就是典型型的贴附附射流形形式，气气流进人人房间后后，开始始扩散，由于重重力的影影响，有有部分气气流向下下扩散进进人工作作区。由由于气流流不是直直接吹过过工作区区，工作作区风速速较低，室内人人员无吹吹风感，而且工工作区的的温度和和速度较较为稳定定。对于于那些由由于各种种原因不不能在

35、房房间下部部布置风风口的场场合是相相当适合合的。 上送下下回也是是贴附射射流形式式，送风风气流不不直接进进入工作作区, 有较长长与室内内空气混混掺的距距离, 能够形形成均匀匀的温度度场和速速度场。综合以上上的模拟拟和分析析，我认认为对于于办公室室等类似似的空调调房间，以上的的四种气气流组织织都比较较适合的的。但是是侧送侧侧回和上上送上回回的气流流组织形形式更优优。参 考 文 献献1魏魏润柏通风工工程空气气流动理理论北北京：中中国建筑筑工业出出版社，198812周周力行湍流两两相流动动与燃烧烧的数值值模拟北京：清华大大学出版版社，1199113巨巨永平，马九贤贤气流流运动及及其与热热舒适关关系研究究的进展展与评述述.暖通通空调，19999(44):227304王王海英，连之伟伟等下下送风气气流组织织影响因因素的实实验研究究暖通通空调，20002，332(55)：220225王王海英.下送风风空调气气流组织织的实验验研究：硕士士学位论论文西安：西安建建筑科技