大空间冬季条缝送风的模拟分析

孙晓晴 陈忠海 郑雅婷 杨 鹏

(河北建筑工程学院能源工程系,河北 张家口 075000)

0 引 言

国内研究人员针对夏季空调送风研究众多，孙厚永等人针对会议室旋流和喷口两种送风方式进行对比分析.胡定科研究得出喷口送风工作区能量利用系数较大，垂直温差、不均匀系数均较小.蔡宁针对夏季工况不同喷口进行测试，得出受射流卷吸影响,风量增加会减小分层面附近的温差,增加非空调区与空调区的对流转移热,同时,温度的最大梯度也会随着风量的增加而增加.胡定科对比五种通风方式通过FIPOST绘制出速度矢量图和温度等值线图，计算设计负荷及变负荷时的ADPI值进行热舒适评价.但具体分析大空间冬季供暖文章较少，朱佩张得出末端采暖设备采用顶吹暖风机的方式在采暖效果和运行费用均有优势，但管理控制繁琐.张国兵针对空调工况采用空气柱的方式对房间进行温度调节，结果表明冬季热工况舒适度优于制热工况.故本次研究针对大空间下条缝送风方式供暖效果以及气流特性.

由于热空气上升大空间垂直方向上温度梯度大，通常高能耗低舒适，且大空间送风射流大多为多股受限非等温湍流射流，目前尚无成熟的理论经验.故本文利用CFD软件分析大空间下条缝送风方式(侧送侧回)送风效果，并分析模型的速度系数曲线，深度探究条缝送风对人体舒适感的影响.

1 物理模型

本文研究的实际情况为非稳态湍流流动，直接模拟尚不现实，研究地处沈阳的某大空间模型长度为32 m，宽度为20 m，高度为4 m，东墙和南墙为外墙.条缝送风：侧面布置10个条缝送风口高度为3 m，下部设回风口，气流流动遵循三大方程，湍流动能和湍流能量耗散率方程，同时进行以下假设：

1)室内空气为准稳态湍流流动的理想气体.

2)空气为不可压缩流体，满足Bossinesq假设.

3)忽略由于粘性作用引起的能量耗散，流体做定常流动.

4)不考虑窗户门缝等影响因素，壁面为稳态传热.

5)人体简化为0.5 m*0.5 m*1.1 m(长*宽*高)的长方体.

6)室内无内热源，环境内温度浮动较小.

边界条件：

1)室外计算参数：冬季采暖室外计算干球温度-19 ℃，冬季平均风速3.1 m/s，冬季空气调节室外计算相对湿度64%.

2)室内计算参数：在冬季室内环境中，通常来说室内温度保持在在18—20℃之间人员满意度大.本文冬季室内设计温度20℃，室内设计湿度50%.

3)送风口定义为速度送风口，条缝送风温度同为45 ℃，条缝风速为3.8 m/s.

4)回风口定义为出口.

图1 双侧条缝送风物理模型

2 数学模型

(1)连续方程

(1)

式中ρ为流体的密度，本次研究为空气即ρ=1.1941 kg/m3μi为流体速度沿i方向的分量

(2)动量方程

(2)

式中ρ是静压力，Fi是源项，ρgi是i方向的重力分量，τij是应力矢量

(3)能量方程

(3)

式中h是焓;k是导热系数;kt是由于紊流传递而引起的热传导率;Sh是体积热源

(4)紊流脉动动能方程(K方程)

(4)

(5)紊流能量耗散率方程(ε方程)

(5)

(6)紊流粘性系数

(6)

(4)、(5)、(6)式中,各计算常数、系数的意义分别为:

3 网格划分

本文根据实际情况选取的是四边形网格形式，同时本次模拟对人员周围的网格进行加密处理，线网格划分比例为1.1，间距为0.1，网格的扭曲率和长细化接近1，且网格检查最小面积为正值，说明网格质量较好，满足计算要求.假如生成网格数量过大，影响数值解的稳定性，而本文模拟满足要求.本次模拟网格划分模型总体单元数为20478个，面域数为64830个节点数为23985个.

4 数值模拟结果及分析

1)速度.

在条缝风口送风方式下,选取y=1.1 m(人员头顶区域截面)处的xz平面以及z=0送风口竖向截面处的xy平面显示速度场分布结果,则如图2、图3所示.图3可以看出：高温气流由侧面送入，在风口中心速度较大，受周围空气阻碍气流速度不断减小到达人员时速度大于0.3 m/s，不满足舒适度.图2可以看出：气流水平射入，形成明显的环形运动，在角落形成吹风死区，但墙边人员逗留时间较短.

图2 y=1.1 m条缝风口送风速度分布矢量图

图3 z=0条缝风口送风速度分布矢量图

图4 y=1.1 m处条缝风口送风速度图

2)温度.

针对大空间环境热分析，垂直温度分布较为直观地展示室内环境均匀分布的指标，如图6所示.在条缝风口送风方式下,选取y=1.1 m(人员头顶区域截面)处的xz平面温度场分布结果,则如图5所示.

图5 y=1.1 m处条缝风口送风的温度分布图

图6 z=0 m处的xy平面显示温度场

图7 y=1.1 m处的xz平面显示温度流线

如图5所示人员头部温度分布较为均匀，温度梯度小，基本在1 ℃～2 ℃.在垂直方向上，地面0.1～1.1 m处温差符合ISO7730标准对温度梯度(3 ℃)的要求.但人员仍存在头热脚冷感，送风方式还有待改善.

5 结 语

本文为提高大空间人员舒适性的改进优化提供了理论依据，为全面反映气流分布情况进一步补充,为相关室内环境研究提供参考.因实际情况气流涉及各种边界条件和初始条件，大空间供暖效果成体系还需有待进一步研究.但不可否认的是，CFD技术便捷高效应用广泛，提升科研人员分析解决问题的准确度.

本文通过数值模拟，得到了温度场、速度场，可以对室内热舒适进行直观的评价，调整送风形式以提高人员满意度.本文结论如下：条缝送风形式下的大空间存在热力分层，人头顶区域分布均匀，风速1.1 m/s人员有吹风感.