某车站候车大厅热环境cfd模拟

某车站候车大厅热环境CFD模拟研究摘要：随着我国经济社会的发展，高大空间建筑作为一种建筑形式越来越常见，而随着带来的一个问题即是此类建筑的空调设计与验证的问题。空大空间建筑由于体积较大，采用常规建筑适用的集总参数法来设计往往会带来较大的误差，在这个背景之下，如何验证已有的设计则有了特别的意义。本文正是以某车站候车大厅这一典型高大建筑作为研究对象，采用CFD模拟方法对其内部温度、速度场进行了具体分析，并根据模拟结果对现有空调系统的设计进行评价，提出修改意见供设计人员参考。关键字：CFD，热环境，高大空间建筑引言分层空调是高大空间典型的气流组织方式，然而在其设计中存在着一个验证的问题—即在设计阶段去了解所取参数是否能够满足设计要求的问题。验证问题对于空调系统设计十分重要，不合理的参数可能会导致两个问题：一是空调系统无法保证舒适性要求；另一个则是舒适性得到满足而节能性较差。验证问题实质上是一个预测问题：即在空调系统尚未安装之前预测该系统所造成的高大空间的热环境能否满足要求。该问题是空调系统设计中的共有问题，对于高大空间来说，由于其热环境受浮升力影响较大等原因使得该问题相对普通空调系统来说更加复杂。越来越多的实例[1][2]证明计算流体方法（CFD）是解决这一问题的最佳选择。在本文中采用CFD模拟方法对某车站候车大厅——高达空间建筑的室内热环境进行分析研究，并根据模拟结果对于现有的空调系统提出了相应的改进建议。模拟对象介绍模拟的对象为某铁路客站候车大厅。候车大厅是某客站主体建筑的主要组成部分。该客站主体建筑由南北的售票大厅及中间的候车大厅组成。（如图1所示，黄线区域为南北售票大厅而红线区域为候车大厅）座位区球形喷口所在位置置换风口所在位置N座位区球形喷口所在位置置换风口所在位置N图1候车大厅平面示意图候车大厅东西向长度为409.7m，南北向长度为72m,高度为33.95m。如图2红线包围区域为候车大厅的截面示意图。图2候车大厅南北剖面示意图大厅东西两端楼梯围栏周围设有置换送风口，大厅中部南北相对设有球形风口，屋顶设有排风口。候车大厅东西两端主要依靠置换送风来满足制冷要求。而在中间部分由于跨度较大，则采用喷口送风加机械排风的方式来满足大空间的空调要求（如图3）。图3候车大厅喷口送风加机械排风系统示意图机械排风与空调系统相结合的混合系统的设置可排除余热、降低上部空气温度和屋顶内表面温度，以减少非空调区向空调区的对流热转移和辐射热转移，从而减少空调区冷负荷达到节能效果。CFD模型模型的简化3．1.1典型区域的选取由于候车大厅建筑尺寸相对较大、风口较多，对整个候车大厅进行CFD建模将由于网格数太多而使计算量非常大，并不现实，因此考虑分区建模。东端区域扮候车大厅东西炮两端的置换通罢风风速较低，靠对中间段影响腾区域较有限而鼻中间段球形喷捉口分布较规律则，因此在模拟知可只取候车大过厅东西两端及剩中间段典型单翁元区域来代替涨整个候车大厅肝作为研究区域西。同时考虑到工大厅本身布置世上南北完全对疯称而东西段近霞似对称的特点丧，所有的典型们区域都可只取福南北向的一半凑来考虑而东西淹两端可只取一手段作为代表（唤如下图所示）欢。东端区域中间段区域2中间段区域2己图稠4CF怪D词典型区域选取旦如铲图系5真所示，黄色线客包围的区域为斥选取的东侧区丽域（以下简称塔为区菊域余1安），区秩域擦1传中同时有置换剂通风及喷口送贴风的作用就。谁聋粉色线包围的午区域为中间段援区域（以下简丹称为区乓域况2徒），该区域只管有喷口送风作侮用。探观边界条件的简轨化仇采河由于候车大厅朝南北部与售票母大厅相连，而船售票大厅为空巨调区域且其送太风方式为下送榜风，因此可以倍认为售票大厅帽与候车大厅之科间没有任何质赴量及能量的交液换。故从简化炭模型的角度考调虑可将上述区他域毛1壶的南边界面及侮区镰域胞2卡，盐3盾，闪4稳的北边界面均暑设为绝热面。垫士模型具体实现藏本文主要采用观Airpak绿软件作害为汽CF疮D亩模拟的主要工孝具湾在使溉用孔Airpa孟k当建模过程中室象内热环境的影发响要素在软件提中具体实现方阴式是影响建模宁质量的主要问缝题。对于候车根大厅热环境来韵说，最主要的乳影响要素有：粱置换及喷射送歇风，屋顶排风么系统以及太阳游辐射影响。下皱面将分别进行颠讨论。殃置换、喷射送梦风及屋顶排风血系统的模拟实盒现害所谓送排风系早统的实现，俘在张Airpa累k牢中实质上就是境送排风口的实痛现。腊在伸Airpa委k并中，可模拟风失口的模块主要较有较Openin信g粪s昨，锁vent予s俱及葬fan镰s甚。其喜中催openin顶g脉可模拟计算区笨域内或边界处进的送排风口，效用户可设定风扯口的出风温度录，速度及静压伞；刻vents盛尼可以模拟计算旺区域边界处的既送排风口，它皮所定义风口可梢视为自由入口花或出口，在模杀拟中会根据风寿口处的压力降拘来自动计算风激量准；兔fan铃s位主要模拟送排粪风机，分为两税种，一种为定甜流量风机，用攻户可直接定义晃风机的体积或引质量流量，对属于送风口来说乘还可定义其出浸风温度，另一每种为变流量风泄机，用户可定贿义风量与风口方静压之间的关翼系。躲肢彼对于置换、喷谦射风口来说，否由于其位于计田算区域的内部销且需要定义其宁送风温度与速乘度，所以可采美用布Openin纱g饿s铅来进行模拟；忽而对于排风口址来说，由于其跨位于计算区域坏的边界处，且悼只需要定义其去排风量而无需冬定义其排风温退度，故采健用杂fan俭s量来模拟较为合艰适。背2)刘匹太阳辐射的模虑拟实现规在搜Airpa工k制中本身自带有诞相应的太阳辐条射模块制即箩Solar渐LoadM盐ode毛l追。在该模块中宾，用户首先需豆要定义建筑所掌在地区的经纬浸度信息、模拟勇日期及辐射相顷关参数如入射携角度等。然后升对于计算区域遥内所有对象，董用户可定义该衰对象的太阳辐戴射特性。在模疗拟中孝，细Airpa从k便会根据地区所融在位置，模拟丧时间及辐射参类数等计算出模段拟时间建筑所醋在地区的太阳进辐射量，同时阿根据计算区域忍内对象的太阳余辐射特性来分守别考虑太阳辐幼射对该对象附缎近热环境的影蔬响。皂然而在实际模毯拟过程中以，萝Solar语LoadM分ode拣l谈的实际效果并瞎不理想，模拟茅的结果与现实转的差距较大。返因此在本文中渠考虑使用间接疗模拟的方式。牺具体方法如下宽：蹦关蹦首先通弃过栏Airpa驱k完自带的宏命令唉中捡的艰Solar劳Flu歪x赖工具，输入激所在地区的经摔纬度信息、模蜓拟日期等参数伍以直接获得所捧在地区的太阳盐辐射强度相关苍参数。然后在博计算区域中需钢要考虑太阳辐警射的边界处设宋置边界条件为醒自定义外热流独，而外热流的涝强度则设为计崖算得到的太阳裤辐射强度。法模拟结果证明督采用这种模拟遇方式得到的结流果相较董于手Solar镜LoadM敞od借e刮的结果要更为奔接近实际过程作。但需要指出些的是对于采用烫这种方法时需壶对相应边界处亿的网格细化，垒否则可能会在碍边界出现不真火实的高温区域厅。曾4严．描打模拟结果分析矿4.1询还区勒域彼1野区域名1清的平面示意图便如鹅图即1菜7乌所示。母图罢5胶秀区壳域吗2考平面示意图筛竖直面温度分禁布管图葱6老贱区链域洁2X=帐12m脂横截面温度分棵布云图戒图乞7医枕区拖域刘2X=中44m然横截面温度分轰布云图兼图烤8测厉赖区李域诉2X=锋66m古横截面温度分海布云图全图牺9嫌蚕区劈域出2X=卡80m帮横截面温度分屿布云图庙从以上竖直横臭截面的温度分马布我们可以发筹现：区域羡2缩呈现随喷口送恳风方向的温度到梯度。在置换夜通风风口附近赶垂直方向上的车温度分层比较冰很明显，而在驰其他位置基本邮没有垂直方向策的温度分布。辉水平面温度分耐布怎图脏10趴慨区犹域柏2Z=胁1.5m夜钟温度横截面分小布云图绸从以上水平横奥截面的温度分辱布我们可以发单现：人员活动饼区域的水平面割从北到南温度脱值逐渐变大，葬南部局部温度廉甚至会达到挥30篇℃异，古这主要是因为猪喷口送风制冷怪导致送风方向秧的温度梯度。击而置换通风的犁效果不是很明龟显。速度分布葱图抄11询骄区亦域兼2Z=掩1.5m答横截面速度矢过量图瓣从以上速度分文布的平面图可像以看出，区域扒2夏人员活动区域桑的平面内，各信位置风速相对犁于区域马1堆较小，喷口送计风对其速度场暗的影响不是很勇明显。而置换绪通风风口对其劳附近流场影响滤较大，附近最也大的风速接近绍0.7m降/槽s乔，仍大于置换怪通风舒适性要茂求，可能会导贼致产生吹风感席。而喷口送风扩区域风速基本且都小于郑0.1m辆/牧s默，满足舒适性味要求。目4.2穗遍区宏域蚀2沫区域何2景的平面示意图罩如笨图烦2依7农所示。茂图应12胳邮区服域次3钳平面示意图悦竖直面温度分宽布况图偿13捕派区炊域滚3X=繁0转.5穷m即横截面温度分群布云图但图瓣14裙辽区摆域啄3漫X挖=格4m害竞横截面温度分诞布云图盘图铅15挂码区没域拖3X=让8m笋横截面温度分屈布云图围图畏16纪毫区梅域突3X=朋12m搞横截面温度分柜布云图喂图黑17音膛区霞域澡3X=归16m纷横截面温度分产布云图麻图雹18仁墙区牌域说3X=贵20m捐横截面温度分菊布云图窃从以上竖直横峡截面的温度分蜓布我们可以发尖现：区域胶3挺竖直方向温度产分布在局部出掏现了倒置，即容上部区域的温碗度反而低于下征部区域的温度鬼，说明送风没驰有与周围空气寄进行充分的热仍交换，也就会狂造成供应的冷厦量没有得到充史分的利用。分贺析其原因，可司能是由于该部再分喷口送风风讲速较低，送出发的冷空气受室获内负荷影响直锡接上升。冈水平面温度分深布数图拉19露蛮区侵域虾3Z=升1.5m殖横截面温度分围布云图丙从以上水平横钞截面的温度分月布可以发现：骑区域员3亦人员活动区域粱的水平面温度孤大致随喷口送额风方向层次分产布，喷口送风翼效果较为理想再。速度分布棒图望20闪降区蒙域把3Z=舌1.5m掩横截面速度矢处量图女从以上速度分坏布的平面图可很以看出，区域弱3商人员活动区域咳的风速大部分冲区域小于驰0.5m管/宫s最，局部区域渗会达到初0.6m纵/灭s贫以上，总体而烦言风速满足舒脑适性要求。结论财通过简CFD训模拟分析，候同车大厅空调送艘风系统基本能伸满足大厅内的重温度、速度要鸽求和舒适度要陡求，但也存在膛以下的几个问猪题：偏1咬)撕笋置换通风区域数与喷口区域之序间的局部区域执可能会出现较抛高的温