壁面温度对室内空气流动过程的影响

壁面温度对室内空气流动过程的影响摘要：为了分析在进风位置、进风温度以及射流方向不同的条件下，房间壁温对室内空气流动的影响，利用CFD计算、流动可视化和定量测量相结合的办法研究了不同工况下室内空气的流动形态、速度以及模型整体换热情况。结果表明：进风温度变化时，壁面温度对水平送风方式下的空气流动形态影响较大，对垂直送风方式影响较小；进风温度的降低引起水平进风方式的自由射流区缩短，右侧垂直进风方式下射流向右侧壁面偏转，同时浮升力引起的自然对流作用增强，换热温差加大，增加了围护结构漏热量。关键词：空调通风；流动形态；CFD模拟；可视化实验通风空调房间内的空气温度、流速以及污染物浓度等对建筑物能耗、室内空气品质和人体健康至关重要。自20世纪40年代以来，研究人员运用不同方法来预测机械通风房间内的气流组织结构[1-6]。ChenQinyan[3,4]利用CFD模拟研究了不同的通风方式、风口结构对房间内空气流动的影响；Fitzner[5]通过原型实验得出室内气流主要受风口结构、位置，空气流速以及房间热负荷的影响，而排风口位置对其影响较小；Zhang[6]实验研究了水平送风条件下，不同进口风速、温度以及房间热负荷对室内空气速度和湍流特性的影响。然而，在进风口位置、进风射流方向以及进风温度不同的条件下，房间壁面温度对室内空气流动形态的影响规律未作具体研究。本文通过CFD模拟和可视化模型实验相结合的办法研究了不同的风口位置、射流方向以及进风温度下，房间壁面温度对室内空气流动过程的影响。1实验模型及数值模拟方法图1实验模型结构示意意图设定如图1所示的坐标系统，模型的在x、y、z方向的长度分别为1.2m、0.6m和0.8m，为了便于进行流场可视化研究，模型主体采用有机玻璃加工。考虑到大部分房间只有一面墙为外墙，其余墙面都为内墙，且内墙可近似认为是绝热边界条件，所以在本实验中只将左壁面（x=0m）设为加热壁（模拟外墙），为了维持恒壁温条件，提高温度均匀性，设计了由薄膜加热器和厚4mm导热铝板组成的复合加热板，通过调节输入电压可以控制实验所需的壁温，而模型的其他外表面通过粘贴厚度为100mm的保温材料来模拟绝热边界条件。本文讨论A、B两种不同位置的进风方式，风口尺寸都为240mm×24mm，且以z=0.4m的平面前后对称。其中进风口A设在x=1.2m的平面，水平中心线距模型顶面0.1m；进风口B设置在y=0.6m的顶面，右沿距模型x=1.2m的平面0.1m；排风口设在y=0.6m的顶面，左沿距x=0m的平面0.1m。通常情况下房间内的平均流速小于0.15m/s，只有射流区域的流速达到相对容易进行测量分辨的0.4m/s以上。为此，房间内部的风速、温度测量点主要布置在射流方向上。对于A型进风方式，7个测量点布置在y=0.3m、z=0.4m的直线上，其中1点、7点x坐标分别为1.088m、0.112m，其余5点x坐标在1点和7点之间均匀布置；对于B型进风方式，5个测量点均匀布置在x=1.088m、z=0.4m的直线上。表1给出本实验的研究工况，加热表面的温度为40℃、风量为0.0078m3/s。表1实验研究工况工况序号ⅠⅡⅢⅣ风口位置AABB进风温度/℃2214.52214.5本文采用FLUENT6.0商业软件进行计算，入流湍动能kin为来流平均动能的1％，湍流耗散εin可按照入口湍流雷诺数Ret以及湍流特征长度之间的关系来选取[7]。利用SIMPLEC算法进行压力——速度解耦，PRESTO！格式处理压力项，QUICK离散格式处理控制方程；采用RNGk-ε湍流模型，用壁面函数法考虑边界对流动的影响。在划分网格时，尽可能采用正六面体网格单元，固体壁面相邻的第一个网格宽度限定为为1mm，最宽一级的网格宽度≤8cm，在进风口及壁面附近区域加密网格，将相邻两网格间距的尺度比严格控制地控制在0.8～1.25。2、结果及分析2．1CFD计算及可视化实验结果工况Ⅰ、工况Ⅱ下的z方向中心截面（z=0.4m，下同）的CFD模拟结果、流动可视化照片如图2所示。可以看出，壁面温度对模型内空气的流动形态有明显的影响。进风温度较高时，自由射流区较长，射流进入到1/2的宽度（x=0.6m的平面）后，开始向下弯曲，射流能够冲刷到左侧壁面，并且在0.3m<x<0.6m、0m<y<0.3m范围内形成一个逆时针涡；而进风温度较低时，射流进入1/4的宽度后，便开始向下弯曲，射流冲刷到底面，不能形成明显的涡。产生这种差别的原因在于当进风温度较高时，空气受到方向向下的重力作用较小；反之，进风温度较低时，空气受到的重力作用较大。图2-a工况ⅠⅠ下的流动形形态的计算结结果图2-b工况Ⅰ下下的流动形态态的可视化结结果图2-b工况Ⅱ下下流动形态的的计算结果图2-b工况Ⅱ下下的流动形态态的可视化结结果图3显示了工况Ⅲ、工况Ⅳ下的CFD模拟结果以及流动可视化照片。对于垂直送风方式，壁面温度对模型内空气的流动形态影响较小。只是当进风温度的较低时，射流末端向右壁面（x=1.2m）偏转量增大。由于射流左侧的空气卷吸量大于右侧，左侧空气速度小于右侧，左侧压力大于右侧，使得射流向右侧偏转，当温度较低时，射流所受的热驱动力和重力较大，射流速度较高，左、右侧压力差较大，射流偏转量增大。图3-a工况Ⅲ下下流动形态的的计算结果图3-b工况Ⅲ下流动形态的可视视化结果图3-c工况Ⅳ下流动形态的计算算结果图3-b工况Ⅳ下流动形态的可视视化结果2．2温度、速度结果图4给出了A型进风方式下各测点的温度、速度的计算值和测量值。其中速度的测量值略高于计算值，由于数值计算时进风速度在进风口截面上设定为处处相同，等于射流平均速度；而在一般情况下，实验时的进口风速在进风口截面上呈现中心高，四周低的现象，造成射流中心速度高于平均速度。从图中还可以看出，进风温度较高时，沿测量线温度的变化比较平缓，温度分别升高3.2℃；温度较低时，则变化比较剧烈，温度升高7.9℃,同一进风速度下，进口温度相差7.5℃时，出口温度相差1.8℃，说明进口温度较低时，自然对流对换热起了很重要的作用。在射流的前半区（x>600mm），温度对各点速度的影响不大，对于射流的后半区（x<600mm）,进风温度对各点速度有一定的影响。进风温度较高时，速度较高，进风温度降低后，速度有所下降，从图2的可视化图谱可以看出，进口温度降低后，5、6、7三个测点已经偏离了主射流区，使得所测速度变小。图4-a工况Ⅰ下下各测点温度度、速度分布布图4-b工况Ⅱ下各各测点温度、速速度分布图5给出了B型进风方式下各测点的温度、速度的计算值和测量值。在进口处速度的测量值高于计算值，由于在垂直射流的条件下，进口风速在进风口截面上不均匀性增加，射流中心速度远高于平均速度，从而与数值计算时设定的均匀速度截面相矛盾。数值计算时，为了消除风口速度不均匀性带来的计算误差，需要将一定长度的风管纳入计算区域。从实验结果可以看出，进风温度较高时，沿测量线温度的变化比较平缓，温度升高0.5℃；温度较低时，则变化比较剧烈，温度升高4.2℃,同一进风速度下，进口温度相差7.5℃时，出口温度相差1.7℃；B型送风方式的射流速度大于A型送风方式的射流速度，并且当y<300mm时，速度发生突降。以上现象说明进口温度较低时，自然对流对换热起了很重要的作用。由于射流的惯性力与受到的热驱动力、重力方向一致，空气从进风口出来后，会在热驱动力、重力的作用下沿射流方向产生加速；同时，由于壁面加热产生的浮升力作用，使得射流左侧的顺时针涡速度提高，从而使得射流速度较高，同时射流在y<300mm的区域内已经发生偏转，测点位置已经偏离了主射流区，使得测点速度明显降低。图4-a工况Ⅲ下下各测点温度度、速度分布布图4-b工况Ⅳ下各各测点温度、速速度分布3、结论当进风温度变化时，壁面温度对水平送风方式下的空气流动形态影响较大，对垂直送风方式影响较小；数值模拟时，为了减小实际进风口处的进风速度的不均匀性带来的误差，需要将风管纳入计算区域；对于水平进风方式，进风温度较高引起自由射流区较长，并在0.3m<x<0.6m、0m<y<0.3m范围内形成一个逆时针涡；进风温度较低引起自由射流区较短，射流冲刷到底面，不能形成明显的涡，对于垂直进风方式，射流末端向右侧弯曲；进风温度的降低引起浮升力作用下的自然对流作用增强，模型整体换热量提高。参考文献(References）[1] TuveGL.Airvelocitiesinventilatingjets[J].Heating,PipingandAirConditioning，1953，25(1)：181-191[2]HaghighatF,LiY,MegriAC.Developmentandvalidationofazonalmodel–POMA[J].Buildingandenvironment，2001，36(9)：1039-1047[3] ChenQ.,vanderkoviJ.,MeyersA.Measurementsandcomputationsofventilationefficiencyandtemperatureefficiencyinaventilationroom.EnergyandBuildings,1988,12(2):85-99[4] ChenQ.ANumericalStudyofIndoorAirQualityandThermalComfortunderSixKindsofAirDiffusion[J].ASHRAETransactions，1992，98(1)：203-217[5]FitznerKF.Airflowexperimentsinfull-scaletestrooms[J].ASHRAETransactions，1981，87(2)：1143-1153[6]ZhangJS