涡流送风室内流场模拟分析

陈丽园 彭小勇 林豹

南华大学土木工程学院

0 引言

随着人民生活水平的提高、社会经济水平的发展，人们对室内热环境要求也越来越高[1]。良好的室内热环境不仅有益于人们的身心健康，还有助于提高工作效率[2]。通常情况下自然通风舒适性较高，是人们普遍乐于接受的通风方式，但在室外气象参数不稳定以及室外空气品质无法保证的情况下，改善空调末端的送风方式不为一种重要的途径。经研究发现，气流的波动特性可以提高室内人员的舒适性，其主要表现在增加冷感和室内空气的新鲜感，自然风主要由自身的非定常特性给人舒适感，气流的紊流特性对于舒适性送风口的研究也具有重要意义[4]。

针对传统的送风方式及自然风的特性，本课题将机翼用于送风口，形成一种新的送风方式（涡流送风），当风流过机翼前缘时形成绕流，机翼的上下翼面会产生压力差，导致流体的横向流动，与流体相对机翼的纵向移动在脱离机翼后所合成的螺旋状流动，诱导形成周期性的脱体涡。机翼尾缘产生非定常脱体涡使得尾流内部流动有强非定常性。

1 物理模型及数值模拟方法

本文涉及室内气流流动属低速不可压缩湍流，应用数值模拟方法探讨涡流送风口对室内流场特性的影响，其中湍流模型应用Spalatrt-Allmaras 模型，数值方法采用成熟的SIMPLE 算法。

2 机翼绕流流场数值模拟

2.1 物理模型

机翼绕流流场数值仿真计算域见图1。流场上游来流0.05 m，下游尾流1 m，距离上下边界各0.12 m，距离左右边界各0.15 m，机翼展长0.1 m，弦长0.03 m，计算区域1.05 m×0.22 m×0.4 m。图2 为机翼导流板，左侧为导流板前缘，右侧为导流板后缘。

图1 物理模型

图2 机翼导流板

2.2 计算模拟分析

1）边界条件

设置入口为速度入口（Velocity-inlet），速度为5 m/s；出口为自由出流（Outflow）；上下壁面为无滑移固壁（Wall）；左右壁面为对称面（Symmetry）。

2）网格划分

本文采用ICEM 进行网格划分。为了更准确得出气流经过翼片后的流态变化，对风口翼片周围的网格进行了加密处理，其余部分网格以机翼为中心向各个方向以一定的增长率逐渐稀疏，全部网格都采用六面体结构化网格（图3）。翼型导流板及周围网格划分采取了C 型网格、O 型剖分和Y 型剖分结合的处理方式，如图4 所示。

图3 机翼绕流网格

图4 翼型导流板周围块划分

3）结果分析

机翼绕流流线见图5，在翼型导流板展向两侧气流被诱导成两个方向相反、对称的脱体涡街。图6 为涡街在YZ 面上的投影，从图中可以看出流经机翼导流板的气流以螺旋的形式向下游扩散且中心速度沿下游方向逐渐减小，整个涡街影响范围在逐渐增大。

图5 机翼绕流流线

图6 机翼绕流流线YZ 面投影

4）网格无关系性验证

网格疏密度会对数值计算结果产生很大影响，但并不是网格越密、数量越多越好，这样会消耗大量的计算成本，并且当网格数增加到一定量时，对模拟计算结果影响就很小了，排除了网格数量对计算结果的影响，这时数值模拟结果才有意义。本文选取了三套不同网格数量及最小尺寸的网格进行网格无关性验证，网格具体信息如表1 所示。

表1 网格信息

取机翼后缘处，取X=0.1，Z=0.1，Y=0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35 五个点，以X 和Y 方向的速度为比较依据，以此来判断网格数量对模拟结果的影响大小。如图7、8 所示为不同网格数量X 方向速度分布图，从图中可以看出三者结果基本一致，最大误差为4.6%，因此可以忽略网格疏密度及数量对数值模拟计算结果的影响。为了节约计算成本，本研究之后的网格划分最小尺寸取0.00075 m。

图7 X 方向速度分布图

图8 Y 方向速度分布图

3 涡流送风室内流场数值模拟

3.1 物理模型

室内涡流送风物理模型见图9，该模型尺寸为3 m×2.6 m×2.8 m（长×宽×高），送风口尺寸为0.7 m×0.2 m×0.4 m，回风口尺寸为0.9 m×0.2 m，导流板展长0.3 m，弦长为0.03 和0.08 米两种情况。送风口距离室内顶部0.5 m，回风口距离地面0.3 m，导流板位于送风口末端。

图9 物理模型

3.2 边界条件及网格划分

1）边界条件：风口上下壁面及房间所有壁面均设置为无滑移固壁（Wall）；风口左右壁面均设置为对称面（Symmetry）；进风口设置为速度入口（Velocity-inlet），风速大小为3 m/s；回风口设置为压力出口（Pressure-outlet）。设置送风速度为3 m/s；导流片角度与水平线夹角为-30°。

2）网格划分：运用ICEM 进行网格划分。对风口翼片周围的网格进行了加密处理，其余部分网格以机翼为中心向各个方向以一定的增长率逐渐稀疏，全部网格都采用六面体结构化网格，见图10。

图10 涡流送风室内流场网格

3.3 结果分析

根据《民用建筑采暖通风与空气调节设计规范》舒适性空气调节室内风速夏季位0.3 m/s，冬季则小于0.2 m/s[5]。取室内人员长期停留及活动区域内风速小于0.3 m/s 的区域为风速舒适区。本文采取控制变量法进行研究，据《民用建筑室内热舒适评价标准》人坐姿时吹风感测点位置为距地1.1 m，站姿时距地1.7 m。

导流片弦长Z 方向速度等值线云图如图11 所示。从图中我们可以看出，靠近墙壁区域风速较大，位于房间中间部位的风速较小。Z=1.1 m 的平面平均风速为0.365 m/s，在右侧墙壁附近由于贴壁流出现高速区，最大速度为0.939 m/s，舒适区占整个区域面积的45%。Z=1.7 m 的平面平均风速为0.397 m/s，墙壁附近最大速度为0.844 m/s，舒适区占比为38%。

图11 Z 方向不同高度的速度等值线云图

图12 为不同速度大小的速度等值面图，从图中可以看出当速度大于0.8 m/s 的分布区域很小且规整，仅在距送风口一段距离、靠近墙面和回风口附近很小的范围。当速度小于0.5 m/s 时，由于室内流场受到四周墙壁以及回流的影响，使得速度等值面呈现不规则的分布，但所占区域较大。室内平均风速为0.473 m/s，最大风速5.6 m/s，最大风速仅在机翼导流板上下壁面附近。

图12 室内速度等值面云图

Y 方向速度流线图如图13 所示，从图中可以看出Y 方向上没有风口的范围内只有一个大回流区，有风口的范围内有两个回流区，回流中心右侧壁面的位置，送风口附近和靠近壁面的风速较高。

图13 Y 方向速度流线图

图14 为X 方向的速度流线图，从图中可以看出涡街的大致发展状况，整个涡街受到房间顶部的影响并没有发展完全。沿X 方向涡从小逐渐增大，影响范围也越来越来大，但能量在衰减。大约在X=1.5 m 的位置，由于Y 方向回流及四周墙壁的影响使得涡向四周扩散，直到消失。

图14 X 方向速度流线图

4 结论

1）导流板两侧出现两个对称诱导涡街且向远离送风口方向发展，受四周墙壁及回流影响涡街沿该方向逐渐衰弱直至消失。

2）室内平均风速为0.473 m/s；当Z=1.1 m 时，平面平均风速为0.365 m/s，舒适区占比45%；当Z=1.7 m时，平面平均风速为0.397 m/s，舒适区占比38%。

3）靠近墙壁位置的风速较大，出于热舒适性考虑，工作区域应距墙壁有一定距离。