工位空调送风气流数值模拟风口模型的比较

工位空调送风气流数值模拟风口模型的比较摘要：对工位空调送风进行数值模拟时需要引入入口边界条件,即建立风口模型。作为比较，文中选择了两种风口模型，即基本模型和计算机直接模拟风口形成入口边界条件的方法。并通过实验验证对模拟结果进行了分析比较，发现采用计算机直接模拟风口形成入口边界条件的方法具有相对较高的精度，不但在室内气流模拟中得到了较好的结果，而且也对风口内的气流做出比较好的描述。关键字：计算流体力学风口模型工位空调1引言通常空调系统送风装置的几何形状比较复杂，相对于空调房间的几何尺寸而言则比较小。为了能够详细地反映送风口的情况，在进行数值模拟时，风口处网格必须划分至毫米数量级，而在模拟室内气流时，计算区域则达到米的数量级，要实现两者的协调必然导致产生巨大数量的网格，这就对计算机的性能提出了非常高的要求。基于这个原因，很多学者对风口入流边界条件进行了简化，产生了许多风口模型。目前比较广泛使用的风口模型主要包括基本模型、动量方法、盒子方法和指定速度方法。通常这些模型对末端送风装置的特性不予考虑或考虑得不够，模拟主要是针对室内的气流运动而进行的，而没有模拟送风装置内部的气流。由于人们通常关注的是射流的回流区，这种简化是允许的，在某些情况下也得到了较好的结果，同时又节省了计算时间。工位空调相对于其他的空调系统来说具有自己的特点，其末端装置距人体较近，人的工作区处于射流区，而不是像普通空调那样处于回流区。因此对风口进行充分的细节描述对于了解工作区气流分布具有非常重要的意义。为了寻找一种合理有效的风口模型进行工位空调的模拟，本文设计了一套实验装置进行了实验研究，并选择了两种风口模型分别对实验工况进行了模拟研究，随后进行了对比。2实验系统本次实验在人工环境实验室内进行，送入的空气在相对封闭的空间内形成循环，小室内无明显热源，且围护结构保温隔热性能良好。实验小室布置见图1。实验系统不另外设置回风口，而将房门作为排风口。工位空调末端装置送风口的外形尺寸为250mm(长)×120mm(宽)×250mm(高)（见图2）。为了提高测试的精度，选择了较大的风量为0.048m3/s。风口壁的导热量与整个系统相比是很小的，因而可认为是绝热的。实验小室尺寸为4040mm(长)×4880mm(宽)×3100mm(高)。在实验工况下测试了末端装置附近的风速分布及轴心速度衰减，以检验数值模拟结果。3CFD模拟末端装置及空调房间内的气流为标准密度和粘度下的三维、不可压缩、稳态湍流，共选择两种入口边界条件对上述实验工况中的流场进行了数值模拟计算。（1）模型A模型A采用风口的有效面积。为了保证射流特征尺度的一致性，减小了模型在射流扩散和衰减方面的误差，风口被模拟成5个互相平行的矩形条缝开口，总的开口面积与实际一致，即5×13mm×250mm。在每一个条缝上风速是均匀的，风速大小由实验工况的风量除以风口面积计算得出，风量为0.048m3/s，风速大小为2.95m/s。（2）模型B模型B采用计算机直接模拟风口形成室内气流模拟入口条件的方法，其包括两个步骤。第一步先对末端送风装置内的气流进行三维CFD模拟研究，风口的几何形状及尺寸与实际完全相同。第二步在入口条缝大小和位置的选择上保持了模型A的做法，改进的做法是在每个条缝上速度不是均匀给定的，而是导入末端装置内部的模拟的结果分别给定的，对风口入流边界条件进行了深一步地描述。迄今为止这种方法还没有在暖通空调领域得到较多的应用，因为通常的风口较复杂，对风口进行模拟往往需要采用贴体坐标或者非结构化网格，对计算机的性能要求较高[3]。就工位空调系统来说情况有些不同，其末端送风装置的作用就是将新鲜的空气轻柔地直接地送到人的呼吸区，应该力求简洁和应用的方便，正如图2所示风口结构形状是规则的，没有弯曲的边界，不必要使用贴体坐标或者非结构化网格，直接模拟是比较方便的，在目前的个人电脑上就可以进行模拟。4模拟结果对于各种模拟结果分别选择了与实验工况相同的测试位置进行了比较分析。图3~图5为靠近末端装置处平行于送风条缝的各组数据的对比。由图可见模型B的结果更好的接近了实验值，两者具有相同的趋势，都是中间小，两侧大，而模型A在数值上于实验相差相对较大，趋势也不同。图6为三者轴心速度的对比，在起始段模型A和模型B与实验值相差较大，模型B较模型A稍好，随后在人体附近模型B较模型A结果准确。图3条缝2处的数据对比图4条缝4处的数据对比图5条缝5处的数据对比图6轴心速度衰减对比为了进一步对两者进行比较，选择了两个典型的截面，见图2，在这两个截面处气流模式较为明显。图7~图10为两个风口模型的模拟结果在典型截面处的速度矢量图，可见两模型的结果在大致趋势上是相同的，同时在局部也存在着一些差别。在模型A中五个条缝出口的大小和位置的选择与实际相同，图8表明模型A在沿着射流轴线方向且垂直于轴线的大部分截面上之间速度分布比较均匀，表明风口前速度矢量的大小在垂直于轴线截面上是不同的，在一定程度上从细节上反映了风口格栅的绕流作用以及随后射流从上游到下游的掺混过程。图9和图10表明靠近风口处垂直于轴线的截面上速度分布不均匀，上部的速度大于下部的，两侧的高于中间的，两侧的高于中间的，其后由于射流的卷吸参混作用，沿着射流轴线方向流量逐渐增大，在射流的下游，射流宽度加大，离中心线越远处流速越小。这个过程与实验测得趋势是一致的，是合理的、可信的。模型B保留了模型A优点，反映了格栅的绕流作用，同时相对详细地描述了射流的发展过程。模型B中入口速度的设置以及特征尺度都与实际的物理模型保持了尽可能的一致，保证射流扩散和衰减的正确性，较好地描述了射流过程，得到的结果比较令人满意。而且它还有其他的优势，比如不需要测量风口出风处的风速，入口风速分布是根据风量通过模拟计算得出（风量是暖通空调最基本的数据，相对于入口风速的测量来说风量测试比较简单）。模型B同时得出了送风装置内的气流分布，对于改进送风静压箱的设计或者开发新型的送风装置是重要且必要的，根据模拟结果可以得到风口的特性。图7模型A在截面A的速度矢量图8模型A在截面B的速度矢量图9模型B在截面A的速度矢量图10模型B在截面B的速度矢量5结论在人工环境实验室内进行了末端装置射流特性的实验，实验测试了末端装置出风断面的风速分布以及射流的轴心速度衰减，得到了末端装置射流的特征，为验证数值模拟提供了重要的保证。在经过多种风口模型的对比分析后，选择了两种进行实验工况的模拟比较，通过与实验测试结果的比较发现采用计算机直接模拟入口边界条件所得到的模拟结果与实验值在趋势上保持了更好的一致，数值上也非常的接近。CFD模拟越来越广泛地应用于解决暖通空调领域的空气流动和换热问题。合理地给定入口边界条件对于得到正确的模拟结果是很重要的，不恰当的入口边界条件将影响模拟的准确性。虽然目前计算机直接模拟得到入口边界条件的方法在暖通空调领域应用的较少，但是入口边界条件的简化不应该以牺牲准确性为代价，该种方法在对射流描述充分、详细方面具有相当优势，为提高对工位空调进行CFD模拟的准确性，选用该方法是正确的、必要的。参考文献〔1〕NielsenPv.Descriptionofsupplyopeninginnumericalmodelsforroomairdistribution[J].ASHRAETransactions.1992,98(1):963-971.〔2〕赵彬,李先庭,彦启森.室内空气流动数值模拟的风口模型综述[J].暖通空调,2000,30(5):33-