某房间空调冬季工况模拟研究

罗霄　王英

摘 要：应用CFD技术，以k-ε方程为基础，对某房间气流在冬季工况条件下进行三维模拟计算，再对结果进行分析，依据通风及空气调节在冬季工况下的标准，对室内气流速度进行评判。

关键词：速度矢量；流体动力学；数值模拟

计算流体动力学简称CFD，是指运用流体动力学的基本原理，通过建立数学物理模型，根据提供的合理的边界条件和参数，对空调区域内气流的速度场、温度场、压力场等进行模拟计算。而室内空气的速度场、温度场又是研究空调房间室内气流组织设计及空调房间室内舒适环境评价的基础。目前国内，研究人员对室内气流研究主要集中在夏季对房间内空调制冷进行数值模拟，现本文以某房间冬季空调为模型，在考虑宿舍外界气温以及围护结构及其热工性能、空调系统的制冷、室内人员的散热量等条件的基础上，对室内的气流进行了数值模拟。

1 数值模拟的物理模型（右图）

2 数学模型

为了简化问题，作如下假设：（1）室内空气低速流动，可视为不可压缩流体；（2）流动为稳态流动；（3）不考虑门和窗的影响（即门在关闭的状态下，该房间没有窗）；（4）不考虑漏风影响，认为房间气密性良好。

在上述假设下，速度和温度变量的控制方程如下：

边界条件如下：（1）入口边界：速度出口边界条件：温度为 23℃，速度为 1.37m/s。（2）出口边界：使用outflow边界条件。（3）壁面边界：室内壁面边界条件设为对流换热边界，外流体温度为8 ℃，换热系数0.89W/m2℃；屋顶边界条件设为对流换热边界，外流体温度为8℃，换热系数0.9W/m2℃；地面边界条件设为绝热面；电视机设为常热流边界，经换算后热流密度分别为 111.11W/m2；灯设为常热流边界条件，经换算后热流密度为166.67W/m2。人体简化为柱形，设为常热流边界条件，热流密度为25.97W/m2；壁面均选用无滑移壁面边界条件。

3 计算模型和算法

（1）使用紊流模型，选用κ-εstandard两方程模型。（2）网格划分：模型网格划分数目为338524。（3）差分格式选用混合格式：求解方法为 SIMPLE算法；迭代次数为360步。（4）收敛判据：残差足够小，达到收敛判定条件。

4 室内气流组织与温度状况分析

进风口的设定 T =23 ℃，V =1.37 m/s ；工况送风温度T =23 ℃，送风速度 V =1.37 m/s 时，典型面上温度、速度分布如图1～8所示。从图中可以看出热空气从空调送风口送入，在浮升力作用下上升，卷吸室内气，被冷却逐渐下沉。

底部气流单向流动，在上部送风口附近送风的温度达到了室内温度的最大值 23 ℃，上部为主要的回流部分。距地板 0.8 m 的平面上，距风口越远风速越小。

在靠近左右墙壁以及室内物体壁面处附近风速比中部大，整个工作区内风速均小于0.105m/s，室内工作区基本不会产生由吹风感，引起不适。能够满足房间舒适区的要求。

通过各断面的温度云图可以发现：从图2可以看出，电视机边界背风面温度高，在38.1℃到38.6℃，其他边界面在27.8℃到到30.8℃之间；人体边界空气温度在22℃到22.6℃之间；灯具边界温度在34.5℃到35℃之间，周围空气温度在23.5℃到24℃之间；除此之外，房间内其他处的温度分布大部分较为均匀，在21.4℃到22℃之间，空调器工作良好。

墙体边界面的温度分布，电视机和桌子遮挡空调热风吹送，靠近电视机和桌子的墙体边界面温度最低，在15.1℃到15.6℃之间，其他墙体边界面则在20.3℃到20.8℃之间。由于电视机和桌子的遮挡，y=0墙体和桌子、电视机之间温度较低，在19.3℃到19.8℃之间灯和电视机的热流密度较大，温升影响的范围也要大，相比较而言，人体的热流密度小，他影响温升的范围相比较而言也要小。

5 结论

针对空调房间，利用κ-εstandard湍流模型对房间的室内温度场和速度场进行了模拟。通过对模拟结果的分析，可得出以下结论：（1）当空调器出风速度为1.37m/s时，整个工作区内风速均小于0.105m/s，室内工作区基本不会产生由吹风感，引起不适。能够满足房间舒适区的要求。（2）房间工作区间温度分布大部分较为均匀，在21.4℃到22℃之间，空调器工作良好。（3）物体背风侧由于空调风不能直接送达，温度较低。（4）这种空调器下侧水平出风、上部风口回风的送风方式可以得到比较理想的温度场、速度场，并且在人员活动区域人体感觉比较舒适。

参考文献

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