组织设计空调房间气流组织模拟及优化.docx
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组织设计空调房间气流组织模拟及优化
（组织设计）空调房间气流组织模拟及优化
毕业设计（论文）中文摘要
题目空调房间气流组织数值模拟和优化
摘要：
气流组织对空调室内的空气环境、空气品质有着重要的影响，直接关系着室内的温度、区域流速及空调能耗，是空气调节的一个重要环节。
有效地通风和合理的气流组织对于改善室内空气品质，保证实现健康建筑、健康舒适性空调有着重要的意义。
影响空调房间气流组织的主要因素是入口风速、进风口的位置、进回风口的相对位置等，本文首先使用Gambit软件建立物理模型和网格划分，并用Fluent软件进行数值模拟，以直观的方式表示各不同气流组织方案下的气流的温度场和速度场，分析得出对于办公室等类似的空调房间，侧送侧回、上送下回、上送上回、下送上回等四种气流组织都比较适合的。
但是侧送侧回和上送上回的气流组织形式更优。
关键词：
气流组织数值模拟紊流模型温度场速度场
毕业设计（论文）外文摘要
TitleNumericalsimulationofair-conditionedroomairdistributionandoptimization
Abstract
Airflow-organizinginair-conditionedindoorairenvironment,airqualityhasanimportanteffectisdirectlyrelatedtotheindoortemperature,area,flowrateandair-conditioningenergyconsumptionisanimportantpartoftheair-conditioned.Effectiveventilationandairfloworganizationhasanimportantsignificanceforimprovingindoorairquality,toensuretherealizationofhealthybuildings,healthyfortairconditioning.
Themainfactorstoaffecttheflowinroominletvelocity,thelocationoftheairinletintothereturnairrelativepositionFirstly,theestablishmentofaphysicalmodelandmeshusingGambitsoftware,andnumericalsimulationsusingFluentsoftware,saidinanintuitivewaythetemperaturefieldandvelocityfieldofairflowunderdifferentairdistributionprogram,analyzingthedrawforofficeandothersimilarair-conditionedroom,Sideofthesendsideback,onsendingthenexttime,ontosendback,nexttosendbacktothefourairdistributionaremoreappropriate.ButthebetterSideofthesendsidebackandontosendbackontheaircurrentformsoforganization.
Keywords：
Airflow-organizing;Numericalsimulation;Turbulencemodel;Temperaturefield;Velocityfield.
目次
1引言………………………………………………………………………1
1.1研究的背景及意义…………………………………………………………………………1
1.2国内外的研究成果…………………………………………………………………………1
1.3本文的主要内容和工作……………………………………………………………………2
2空调房间的气流组织形式……………………………………………………3
2.1气流组织的介绍…………………………………………………………3
2.2常用的气流组织形式……………………………………………………………3
2.2.1侧送侧回………………………………………………………………4
2.2.2上送下回…………………………………………………………………4
2.2.3上送上回…………………………………………………………………………4
2.2.4下送上回…………………………………………………………………………5
3气流组织和室内舒适性的评价指标………………………………………………5
3.1技术指标……………………………………………………………………………5
3.2经济性指标…………………………………………………………………………7
3.3适性空调室内空气计算参数………………………………………………………8
4空调房间的数值模拟过程…………………………………………………………8
4.1物理模型的建立……………………………………………………………………8
4.2网格的划分…………………………………………………………………………11
4.3数学模型……………………………………………………………………………11
4.4在Fluent里的参数………………………………………………………………13
4.5解算结果及后处理…………………………………………………………………14
5数值模拟结果分析…………………………………………………………………15
5.1侧送侧回的结果及分析…………………………………………………………15
5.2异侧下送上回的结果及分析……………………………………………………………17
5.3上送上回的结果及分析……………………………………………………………………19
5.4上送下回的结果及分析……………………………………………………………………20
结论…………………………………………………………………………………………………22
参考文献………………………………………………………………………………23
致谢………………………………………………………………………………25
1引言
1．1研究的背景及意义
随着经济的发展和科技的进步，人们的物质生活水平不断提高，空调的使用越来越普及，人们对居住和工作环境的要求也越来越高，因此对通风空调技术也提出了更高的要求。
在空调房间内，气流组织是通风和空调系统的重要组成部分，气流组织直接影响室内空调效果，是关系着房间工作区的温度、湿度基数、精度及区域温差、工作区的气流速度及清洁程度和人们舒适感的重要因素，是一切空调工程设计中必须考虑和重视的问题。
有效地通风和合理的气流组织对于改善室内空气品质，实现工作环境健康舒适性有着重要的意义。
因此人们希望在建筑规划设计阶段就能详细了解由空调通风所形成的室内空气速度场、温度场、湿度场以及有害物浓度场等的分布情况，从而制定出最佳的气流组织方案[1]。
空调房间内的空气分布与送/回风口的尺寸、形式、数量及位置，送风参数（送风温度，风速），房间的大小及污染源的位置和性质等有关。
这些参数直接影响空调室内调节效果，影响室内的温度，风速和室内人员的舒适度，是空气调节的一个重要环节，也是空调设计过程中要重点考虑的一个环节。
由于影响空气分布的因素较多，加上实际工程中的具体条件的多样性，因此难于用简单的理论或经验表达式来综合上述诸多因素的影响。
目前，在空间气流分布计算方面，较多采用依赖于实验的经验式，由于实验条件的不同，在各种实验结果间存在一定的差异，但在总体规律性方面却基本雷同[2]。
1.2国内外的研究成果
鉴于空调房间的气流组织形式对能源的损耗、室内空气的品质和人体健康舒适性有着至关重要的作用。
国外从20世纪20年代就对此领域展开了研究，如对等温、非等温射流运动规律的研究，送风方式与舒适度关系的研究，各类建筑物不同送/回风方式的研究，室内空气品质的研究等。
在国内，天津大学的马九贤教授于80年代组织建造了国内第一个专门用来对空调房间内气流情况进行研究的实验室，并取得了一定的研究成果，为进一步进行房间气流的研究奠定了基础[3]。
文献[4][5]得出下送风气流组织的送风口形式、送风进口与人体距离、送风速度和送风温度对人体热舒适的影响。
文献[6]利用C02作为示踪气体，研究了空气龄与质点换气效率、房间换气次数之间的关系。
Nielsen等人对空调房间模型内二维流动进行了模拟实验[7]。
ZhangG、Morsing和Bjerg等人在Nielsen研究的基础上改变模型房间长宽高等比例进行了模型实验[8]。
J.D.Posner等人采用RNGk-ε模型模拟预测模型室的测量[9]。
随着计算机技术的发展，CFD技术开始用于空调房间的气流分析。
1974年，丹麦的Nielsen首次将CFD技术应用于空调工程，数值模拟空调房间室内空气流动情况，利用流函数和涡旋公式求解封闭二维流动方程。
ChenQingyan则在1988年利用CFD技术对建筑物能耗、室内空气流动情况以及室内空气品质等问题进行了分析和研究。
在2000年Topp、Nielsen和Davidson在全方位通风的房间内，利用CFD方法模拟了在等温壁条件下的空气流动情况[10]。
国内也有众多的研究者利用CFD技术对空调房间气流组织进行优化和研究。
1988年，张建忠分析了数值模拟方法在通风空调领域的应用情况，还对常见的工业敞口槽通风问题作了数值计算分析，把问题简化为二维稳定不可压缩的粘性流动[11]。
文献[12]利用实验和数值模拟方法研究了空洞建筑上送风情况下空调室内的流场分步情况，指出送风温度和风速是对温度分层高度有重要影响。
上述文献虽对空调房间气流组织进行了大量的研究，但只是对工程上某种具体的气流形式的研究没有对不同气流组织形式进行系统、详细地比较。
关于空调室内气流组织下的温度详细分布的文献未见报道。
1.3本文的主要内容和工作
本文以计算流体力学和数值传热学为理论基础，对空调房间的气流组织形式和室内空气三维湍流流动的数值模拟方法进行分析，使用Gambit建立夏季空调房间常见的四种气流组织模型，采用FLUENT软件以直观的方式显示了四种气流组织方案的气流流型，分析讨论其气流分布规律、特点，并将数值计算结果进行处理，并将各种不同送气流组织形式下的温度场和速度场进行对比，总结各种气流组织形式的优缺点。
本文内容安排
1、简述气流组织研究的背景及意义，并简单介绍国内外气流组织研究现状。
2、介绍空调房间气流组织及常用的气流组织形式。
3、介绍空调室内舒适性的评价指标和气流组织的评价指标。
4、使用Gambit建立气流组织模拟的物理模型，并对其进行适当简化，对物理模型进行网格划分，确定Fluent软件中的参数设置，应用Fluent软件，对常见的四种气流组织形式进行模拟计算。
5、对模拟结果进行分析，得出结论。
2空调房间的气流组织形式
2.1气流组织的介绍
狭义的气流组织指的是上（下、侧、中）送上（下、侧、中）回或置换送风、个性化送风等具体的送回风形式，即气流组织形式；广义的室内气流组织，是指一定的送风口形式和送风参数所带来的室内气流分布。
经过一定处理过后的空气，经过空调系统进入空调房间，与室内空气进行热湿交换后由回风口排出。
显然，空调房间的速度场、温度场的均匀性和稳定性与室内空气的流动情况密切相关。
气流组织设计的目的就是合理的组织室内空气的流动和分布，使室内工作区空气的温度、湿度、风速和洁净度能更好地满足室内人员的舒适感要求。
只有合理的气流组织才能充分发挥送风的冷却和加热作用，均匀地消除室内的冷（热）、湿负荷，并有效的排除有害物和悬浮在空气中的灰尘,满足室内人员对新鲜空气的需求。
好的通风系统不仅要能够给室内体统一个健康、舒适的环境，而且要有很高的经济性。
因此，根据室内环境等的特点和需要，采取最恰当的通风系统和气流组织形式，实现优质高效运行，就显得尤为重要。
2.2常用的气流组织形式
在实际工程中，常用的气流组织形式有：
侧送侧回、上送下回、上送上回、下送上回等。
2.2.1侧送侧回
图2-1侧送侧回气流分布
侧送侧回的送风口布置在房间的侧墙上部，气流横向送出，气流吹到对面墙上后下落到工作区，以较低速度流过工作区，再通过布置在同侧墙下方的回风口排出。
侧送侧回形式中，工作区处于回流区，由于气流在到达工作区之前，已经和房间内空气进行了比较充分的混合，使房间内速度场和温度场都趋于均匀和稳定，因此能保证工作区具有稳定和均匀的气流速度和温度。
2.2.2上送下回
图2-2上送下回气流分布
这种气流组织形式是将送风口布置在房间上部，回风口布置在下部。
该气流组织的优点是送风气流不直接进入工作区，有较长的与室内空气混掺的距离，能够形成比较均匀的速度场和温度场。
2.2.3上送上回
图2-3上送上回气流分布
这种气流组织形式是将送风口和回风口布置都在房间上部，气流能充分的流过工作区，对于那些因各种原因不能在房间下部布置回风口的场合是相当合适的。
2.2.4下送上回
图2-4下送上回气流分布
这种形式的送风口布置在下部，回风口布置在上部，排风温度高于工作区的温度，故具有一定的节能效果，同时有利于改善工作区的空气质量。
对于室内余热量大，特别是热源又靠近顶棚的场合，如计算机房，广播电台的演播大厅等，采用这种气流组织形式是非常合适的，对于同侧下送上回的气流组织形式，气流能吹过房间的每个角落，空调效果非常好。
但是，下送方式要求降低送风温差，控制工作区内的风速。
3气流组织和室内舒适性的评价指标
对以人为主要服务对象的舒适性空调来说，其评价指标主要有技术指标和经济指标两个方面。
对大多数空调房问来说，相对湿度在一定范围内（30％～70％）对人体的舒适性影响不明显，因此可以忽略空调房间内湿度的影响，其主要考虑空气温度和气流速度综合作用。
下面简要介绍一下常用的评价指标,包括不均匀系数、换气效率、热舒适性指标和经济性指标及舒适性空调室内空气计算参数[10][13][14]。
3.1技术指标
（一）不均匀系数
不均匀系数即空调房间室内的温度和风速等参数的不均匀性，该方法是在室内工作区内选取n个测点，分别测得各点的风速和温度，求其算术平均值和均方根偏差，再求不均匀系数和
和
和
和
式中：
n——测点数
——工作区测点的速度
——n个测点的速度算数平均值
——n个测点的温度算数平均值
——n个测点的速度均方根偏差
——n个测点的温度均方根偏差
有由上面的定义式可见，，越小，表示气流分布的均匀性越好。
（二）换气效率
换气效率是衡量换气效果优劣的一个指标，是气流自身的特性参数，与污染物无关。
考察点换气效果的优劣取决于该点的局部平均空气年龄（空气年龄指空气质点从进入房间起至达到某点所需经历的时问）。
因此，换气效率可定义为理论上最短的换气时间与实际换气时间之比。
换气效率定义式：
式中：
——室内空气理论上的最短换气时间
——实际换气时间
——室内平均空气龄
根据换气效率的定义式可知，对于理想的活塞流，=/2，为100%；全面孔板送风，ζ≈100%；对于混合流，=，为50%。
当换气效率在50%以上时，认为该气流组织有较好的换气效率。
换气效率低于50%的送风系统在一定程度上意味着短路送风。
由于≧/2，所以换气效率的值都在0~100%之间。
即除单向流送风外，任何送风方式的换气效率都小于1
（三）热舒适性指标
常见的热舒适指标有；有效温度ET、吹风感、和PMV—PPD指标。
（1）有效温度ET（EffectiveTemperature）的定义是“将干球温度、湿度、空气流速对人体冷热感的影响的综合数值，该数值等效于产生相同感觉的静止饱和空气的温度”。
但有效温度存在的缺陷是过高的估计了湿度在低温下对凉爽和舒适状态的影响。
应用最广并成为ASHRAE标准55—74中舒适指标的是新有效温度ET。
ET指标被定义为一个相对湿度为50％的等湿环境中的当量干球温度。
该指标只适用于着装轻薄，活动量小，风速低的环境下。
（2）吹风感有效吹风感或称有效吹风温度θ的定义：
建议的舒适标准是：
v<0.35
式中：
——室内空气温度，℃
——吹风的温度，℃
V——吹风的速度，m/s
（3）PMV—PPD指标
PMV—PPD指标，是目前世界上广泛采用的室内环境舒适性评价指标，ISO7730对PMV—PPD指标的推荐值为：
PPD<10%,即PMV值在-0.5～+0.5之间，相当于在人群中允许有10%的人感觉不满意。
3.2经济性指标
能量利用系数β是评价气流组织的经济性指标，放映了投入能量的利用程度，其定义为：
式中：
——送风温度
——工作区设计温度
——排风温度
当=时，β=1.0.气流在室内进行热交换，吸收余热量后达到室内温度，并排出室外。
当>时，β>1.0，气流吸收部分余热达到室内温度、且能控制工作区的温度，且排风温度高于室内温度，经济性良好。
当<时，β<1.0，送风投入的能量没有得到完全利用，使得工作区内的温度高于排风温度，经济性较差。
3.3舒适性空调室内空气计算参数
根据我国《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）的规定，舒适性空调室内空气计算参数如下表[14]
表3-1空调房间舒适性的计算参数
参数
夏季
冬季
温度（℃）
22～28
18～24
相对湿度（%）
40～65
30～60
风速（m/s）
≤0.3
≤0.2
4空调房间的数值模拟过程
4.1物理模型的建立
以天津市某一办公室空调房间为研究对象，办公室长X宽X高=6mx4mx3m，送风口尺寸为0.3mx0.3m，回风口尺寸为0.5mx0.5m，窗户朝南，窗户尺寸为2mx1.2m,距离地面1m，距离两边墙面各2m。
办公室按4人办公布置，四套桌椅、计算机、打印机等办公设备，四盏荧光灯。
不改变房间送、回风口的尺寸、形式、数量和送风口的送风参数，也不改变房间内的任何设置，仅通过改变送、回风口的位置来改变气流组织形式。
室内办公桌长1m，宽0.75m，高0.65m；电脑长宽高均为0.4m，每台电脑散热量为360W；荧光灯长1.2m，宽0.1m，高忽略不计，每盏荧光灯散热量为35W；每人散热量为75W。
打印机不常用，散热量忽略。
人座在电脑前，室内无走动。
为了简化模型，在模型中，我把每两人的办公桌椅电脑和打印机合在了一起，长2m,宽1m，高0.65m。
在使用Gambit绘制模型过程中，我直接建立房间的体，在房间体的基础上在建立面，分别表示送风口，回风口，灯和窗户，在房间体里面建立两个小的体表示桌椅，电脑和人等，再把小的体切除。
四个气流组织的物理模型图如下
图4-1侧送侧回
图4-2异测下送上回
图4-3上送上回
图4-4上送下回
图4-1侧送侧回模型中送风口距离房顶0.25m，回风口距离地面也是0.25m。
送回风口都被Y=2000mm的面平分，窗户设置在南墙上，距离地面1m，距离两边墙面各2m。
桌子距离Y轴1.5m。
距离X轴1m。
两桌子间距1m。
荧光灯均匀布置在桌子正上方。
在以上的四个气流组织模型中，只有送回风口的位置改变，其他物体位置一定。
而且送/回风口距离房顶或地面的距离都是0.25m。
4.2网格的划分
我所建立的模型是规则的长方体模型，因此取整个空调房间为计算区域，在笛卡尔直角坐标系下使用0.08m×0.08m×0.08m的网格，网格数总计137300个，模型如下图，数值模拟采用Fluent软件进行数值计算。
图4-5网格划分的模型图
4.3数学模型
通风空调系统的气流流动为不可压流体的定常流动,满足质量守恒定律,动量守恒定律、能量守恒定律，各微分方程如下[20]
1）连续性方程
对不可压缩均质流体，密度为常数，有
式中：
ui为i方向的速度
2）动量方程
式中：
为流体密度；P为静压；为应力张量；为i方向的体积力；Fi为由热源等引起的源项
式中：
μ为动力粘度,式（3）右边第二项是体积扩散的影响。
3）能量守恒方程
式中：
，为有效导热系数；是组分j的扩散流量，方程右边的前三项分别为导热项、组分扩散项和粘性耗散项；是化学反应热和其他体积热源；
4）标准k-ε模型
式中：
表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生；表示由于浮力影响引起的湍动能产生；表示可压缩湍流脉动膨胀对总的扩散率的影响；湍流粘性系数
标准k-ε模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率。
K方程是个精确方程，ε方程是个由经验公式导出的方程。
k-ε模型假定流场完全是湍流，分子之间的粘性可以忽略。
标准k-ε模型因而只对完全是湍流的流场有效
采用k-ε三维紊流模型方程，为简化问题作出如下假设，
1.室内空气低速流动，为不可压缩流体且符合Boussinesq假设，即流体密度变化仅对浮升力产生影响。
2.气体流动为稳态流动。
3.忽略固体壁面间的热辐射。
4.不考虑门的影响，不考虑通过窗户的太阳辐射。
5.假设流场具有高紊流Re数，流体的紊流粘性具有各向同性。
6.不考虑漏风的影响，即房间气密性良好。
4.4在Fluent里的参数设置
在Gambit中设置好边界条件生成mesh文件，再在Fluent中打开mesh文件，按照帮助软件中的例题步骤进行操作，并按照下列表格中的数值进行设置[15]。
1.解算器的设置
设置参数
三维（3D）
稳态（steady）
独立的（Segregat）
隐式的（Implicit）
绝对坐标（Abosolute）
流动方程（Flow）
能量方程（Energy）
2.材料属性的设置
材料名称
热工属性
单位
设置参数
空气
密度
Kg/m³
1.225
定压比热
J/（kg·K）
1006.43
导热系数
W/（m·K）
0.242
运动粘度
Kg/（m·s）
1.7894e-05
3.运行条件的设置
设置项目
单位
边界条件设置值
工作压力（operatingpressure）
Pa
101325
参考压力坐标（RefrencePressureLocatiao）
m
X=0,y=0,z=0
重力加速度（Grayity）
N/kg
9.8
4.计算精度的设置
计算残差项目
计算残差设置
continuity
1e-05
X-velocity
1e-05
y-velocity
1e-05
Z-velocity
1e-05
energy
1e-06
k
1e-05
epsilon
1e-05
5.边界条件的设置
边界名称
类型
设置项目
单位
设置值
空气（air）
流体（Fluid）
材料
空气
送风进口
（airinlet）
速度进口（volocity-inlet）
速度
m/s
3
温度
k
292
送风出口
（airoutlet）
压力出口
（pressure-outlet）
温度
k
300
相对压力
Pa
0
南墙
壁面（wall）
热流密度
W/㎡
7.17
其余墙体
壁面（wall）
热流密度
W/㎡
0
窗户
壁面（wall）
热流密度
W/㎡
199.58
灯
壁面（wall）
热流密度
W/㎡
145.83
人和电脑
壁面（wall）
热流密度
W/㎡
115.23
4.5解算结果及后处理
本论文在Fluent软件中设定好参数和边界
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