分区通风气流组织cfd模拟研究

分区通风气流组织cfd模拟研究

0空调气流组织方案由于计算机的批处理和高度的改进以及计算水流（cpd）的发展，使用cpd方法逐渐在大型建筑面积的环境设计中推广，解决了室内气流组织、热环境等问题。本文针对体育馆设计使用的分区送风的空调气流组织方案,采用Fluent公司推出的专用软件Airpak2.0对某体育馆内的温度场和速度场进行了数值模拟;并对模拟结果进行了实验验证和分析,可供大中型多功能室内体育馆的空调系统设计参考。1室内高尔夫球场省际图1为某体育馆外观图,它的比赛大厅包括比赛区和观众席(看台),也是该体育馆的核心。该体育馆举行过各种球类比赛以及大型演唱会,可容纳6600人,是中型综合性多功能室内体育馆,属于高大空间建筑。该体育馆设计参数如下:夏季负荷3100kW,冬季负荷1570kW;夏季送风量399000m3/h,新风量117420m3/h,回风量281500m3/h;夏季室内设计温度26℃,比赛场相对湿度55%,观众席相对湿度60%;冬季室内设计温度20℃,相对湿度40%。基于体育馆比赛场和观众席对温、湿度的不同要求),设计采用分区送风的方式(对观众席和比赛区分区送风和回风,以适应两区不同的要求),这种方式多用于大中型综合体育馆、游泳馆等。2模型的构建2.1旋流断裂器回采回风体育馆长95m(x方向),宽85m(z方向),高23.5m(y方向)。如图2,3所示,比赛场的送风:顶部设置3条送风管道,共48个Φ630mm的旋流风口,间距为4.5m,观众席下方侧壁回风,x方向设置16个1760mm×440mm的回风口,间距8m,z方向设置12个800mm×440mm的回风口,间距5.8m,室内回风连接空调机组回风口。观众席的送风由空调机房处理,利用4439个Φ125mm旋流风口座位席下送风,62个630mm×500mm的回风口设在屋顶四周的顶棚,间距为3.8m。2.2控制方程式2.2.1物质常数守固定方程连续方程微元体中流体质量的增加=流入该微元体的净质量2.2.2变量守备法微元体中流体动量的增加=作用在微元体上各种力之和2.2.3能量守固定方程微元体中热力学能的增加=进入微元体的净热流量+体积力与表面力对微元体做的功2.2.4标准k-3的双方程序模式1)湍流动能输运方程2)湍流动能耗散率输运方程2.3湿球温度和人员负荷1)外墙、内墙、地面、屋顶的壁面平均温度由实测数据确定。2)顶部送风的旋流风口送风参数以及座位送风口送风参数均由实测数据确定。3)夏季室外计算干球温度34.60℃,室外计算湿球温度28.60℃。4)人体负荷按轻劳动强度时,26℃条件下成年男子的显热散热量60.5W/人计算;人员总负荷为310244W,根据固定座位分布在体育馆周围的观众席。尽管体育馆多备有临时座椅,但是因为应用情况不能确定,所以不在模拟计算的考虑之内。5)照明总负荷为261kW,简化成8组长×宽×高为95m×0.85m×0.25m的模块,其中6组的负荷为36kW,2组的负荷为22.5kW,与风管同高。3cpd模型的实验验证3.1a型数据采集系统的特点采用美国某大型网络数据采集器(2686A),可以运行具有20～120个通道的独立数据记录系统。2686A型数据采集系统具有最佳的实验室精度,以及快速变化的工业应用领域所需的坚固性和灵活性。测量时,把热电偶与数据采集器连接,数据采集器与计算机连接,用温度传感器测量温度,数据记录在数据采集器中,并在计算机上输出数据。另外还使用罩式测风量仪、红外测温仪、阿斯曼温度计(干湿球温度计)、多功能电子微压计、热线风速仪等等。3.2测量的边界条件数据3.2.1出风温度及湿度3.2.2顶部旋流风口实测出风量为0.331m3/s,风速为3.44m/s,出风温度为14.5℃,相对湿度为86%;座位送风口风量为0.013m3/s,出风温度为20℃,相对湿度为74.3%。3.3将模拟结果与测量结果进行比较在测量边界条件的同时也对比赛场的温度场、速度场进行了实测;另外根据实测的边界条件对比赛场的温度场、速度场进行了模拟。3.3.1cfd模拟计算结果对比实验测试和CFD模拟计算的速度比较如图4所示,可以看出,在距地面1m处比赛场的气流速度基本一致,具有较为准确的判断,模拟值与实验值的误差范围小于0.1m/s,CFD模拟计算结果和现场测试有很高的吻合度。如果考虑到实验的条件、仪器精确度的误差范围以及各空调送风口风量的不平均度,实验数据与模拟计算数据之间存在一定的差值是可以接受的。如果实验条件能够改进,可以预见,两者之间的差值会减小。3.3.2测试的稳定性分析实验测试和CFD模拟计算的温度比较如图5所示,可以看出,实验值和模拟值的温度场误差极小,在体育馆气流主体区域相差不会超过1℃,尤其高度接近9m处,温度增长缓慢,这是因为该部分属于体育场馆的气流真空区,热量较为稳定,周围气流对该区域的干扰也较少。由于在底部和顶部区域的测量存在测试仪器准确度的误差,实验数据与模拟计算数据之间存在一定的差值还是可以接受的。通过对比实测边界条件下的模拟数据与实验数据,证明了模拟结果与实验结果吻合良好,也证明了CFD模拟的可靠性。4碗色、公平的区域选择体育馆比赛大厅无论规模大小,通常都具有空间大、比赛场地位置低、观众席逐渐升高的“碗型”特征,并且风口离空调区域(特别是比赛区)较远。所谓的气流组织设计,就是合理组织通风空调室内的空气流动,使得室内空气分布令人舒适和满意。4.1上跨压口较小,以下回风较低,且又较稳定,这也与现有气流组织不符由图6可以看出,体育馆室内高度2m以下的速度均在0.5m/s以下,顶部旋流风口的实测出口风速在3.44m/s左右,在顶部旋流风口和顶部回风口的附近区域速度比较大,而顶部下方高空区的气流真空区气流流速低,这是因为顶部送风没有按照设计者的主观想象由观众席下部侧壁回风,而是由顶部回风,而观众席的送风却从下部侧壁回风,也就是说实际的气流组织与设计者的主观意图不相符。观众席前几排的速度大于后几排,有的超过0.15m/s,这也是因为观众席的送风由侧壁回风口回风引起的,后排的送风需要经过前排才能到达回风口,所以前排风速较高。4.2旋流断口温度图7是x=13.8m,z=33.1m处,也即旋流风口正下方温度随着高度的变化。从图7可以看出,垂直高度在1m以上处,温度基本恒定在20.6℃附近,大约在高度20m处温度开始下降,直至旋流风口的出口温度为14.5℃。对于其他位置如两送风口之间,如图8所示,在垂直高度20m处温度开始上升,直至顶棚的壁温为止,这是因为处于两风口之间的断面,由于旋流风口的特点,气流向下射流,在20～23.5m的区域没有被送风冷却,而是受到顶棚高温的影响温度逐步升高,如图9所示,阴影区没有冷射流冷却。目前的这种气流组织,体育馆比赛场2m以上和观众席距台阶地面2m以上的空间温度较低,但实际上这种对多余空间的冷却是一种能源上的浪费,如果采取侧送下回的气流组织方式,可以避免此情况的发生。4.3热舒适指数的模拟结果和分析4.3.1平均热感觉指数pmv式中M为人体能量代谢率,取58.2W/m2;TL为人体热负荷,按轻劳动强度、26℃条件下成年男子显热散热量计算,W/人。4.3.2比赛场采集区域ppd的分布由图10可知,比赛场2m以下的PMV分布在-0.3～0.1之间,观众席的PMV略高于比赛场,在-0.3左右,总体感觉微冷。由图11可知,在比赛场2m以下活动区域的PPD分布是7.5%～15%,观众席为7.5%左右。ISO7730对PMV的推荐值在-0.5～+0.5之间,相当于允许有10%的人感觉不满意,所以现场条件下活动区域的PPD基本满足设计的要求。5分区党务工作有利于满足用户舒适性要求5.1模拟预测了该体育馆的气流组织,并与实验数据进行对比,证明模拟结果与实验结果吻合良好,在此基础上对体育馆进行深入模拟研究,结果为观众区PMV为-0.3,PPD为7.5%,基本都能满足人体舒适性要求。5.2采用分区送风的方式对观众区和比赛区分别送风和回风,既满足了比赛要求,又基本满足了人员的舒适性要求。分区送风的气流组织能有效地降低体育馆室内的空气温度,温度场分布比较均匀,但比赛场和观众席中人员活动区域的空气被冷却的同时,体育馆比赛场2m以上和观众席距台阶地面2m以上的非空调区域也被冷却,浪费了能量。5.3体育馆设计工况的模拟数据表