不同因素对某变风量空调房间室内气流影响的研究1

精品论文大全不同因素对某变风量空调房间室内气流影响的研究1郁伟，张小兵 南京理工大学动力工程学院，南京 (210094) E-mail：yuwei_nanjingyahoo.com.cn摘要：本文以一变风量空调房间的气流组织作为研究对象，利用数值模拟软件对室内气流 组织进行了数值模拟的研究。对不同送风条件送风的变风量空调房间内的气流组织进行了模拟，分析了各种主要因素对室内气流的影响。同时，通过自己编的程序与数值模拟软件的耦 合，对室外太阳辐射等环境对室内气流组织的动态影响进行同步模拟，并分析其动态响应过程。最后，使用 CFD 软件对空调房间的噪声进行模拟和仿真，并分析各种因素对湍流噪声 的影响。本文采用的方法和得出的结论对于暖通空调领域是研究、使用和管理都有指导意义。关键词：气流组织，数值模拟，自定义函数，湍流噪声1.引言变风量空调(Variable Air Volume System)作为变流量技术之一，上世纪 60 年代诞生在美 国。它的基本原理很简单，就是通过改变送入房间的风量来满足室内变化的负荷。由于空调 系统大部分时间在部分负荷下运行，所以风量的减少带来了风机能耗的降低。于暖通空调领域来说，舒适和节能成为当今建筑、设备设计的基本课题。保护环境，利 用自然资源，削减能源负荷，最大的满足人员的舒适要求成为今后建筑设计的方向。面临着 越来越高的空调要求，如何应用新的技术手段、提高设计、施工的水平，是暖通空调专业人 士面临的一个重要课题。传统地研究空调气流组织的方法是采用实物模型的方法，这样的方 法投资大，研究周期长，只能评价测点处的部分气流性能。本文采用数值模拟的研究方法不 仅投资小，而且可以全面、详细地评价室内各处的气流组织。2.空调房间内气流的数值模拟及其分析2.1空调房间数值模拟的物理模型本文以某地区一个办公空调房间的夏季空调工况。根据该地区的地理位置，查阅有关 资料，19可得到数据：夏季空调室外平均温度31，最高气温35.6。暖通空调规范规定了 夏季送风温差的建议值，该值和恒温精度有关。根据选取的研究对象的室内允许被动范围， 送风温差在10以内。我们取送风温差为8，室内的设计湿度为50%，送风温度为18。 经计算，总冷负荷约为1550W，所需的总风量为0.165m3/s。以一个长、宽、高分别为3.9m、3.2m、3.0m的办公空调房间为模拟对象。房间的布局 详见图1。送风口采用实际外形面积为400mm×400mm的方型散流器，它的有效面积为0.55，散流器中心与顶板的中心重合。对于这种具有复杂形状的方型散流器，传统的做法是将其 简化为一个简单开口，这样做只能保证入流速度和入流动量之一和实际的情况一致，往往带来较大的误差9。为了保证出流的流向也尽可能与实际接近，将方型散流器分为具有九个不同出流方向的简单开口，即N=9的动量模型，见图2。出流方向与顶板成45º角。风量按各 个方孔面积占实际面积的比例来分配。1本课题得到教育部优秀人才支持计划资助（NCET040509）和高校博士学科点基金（20060288019）的资助。-1-1）进风口 2）回风口 3）桌子2 4）电脑2 5）人员26）加热器 7）人员18）电脑1 9）桌子1 10）灯具图2 方型散流器及其9动量模型 图1 空调房间布局2.2空调房间内气流组织的影响因素分析影响室内气流组织最主要的两个因素是速度场和温度场的分布。下面本文主要从这两个 方面分析各种因素对空调房间气流组织性能的影响。2.2.1 风量的变化对室内气流组织的影响 变风量空调系统全年大部分时间运行在部分负荷工况下，也就是说，变风量系统的风机、风道以及末端大部分时间都处在最大风量和最小风量两种极限状态之间。空调房间的最大设计风量按照上述方法很容易确定，确定最小风量相对要困难一些，除了要考虑房间负荷变化 特点之外，还要考虑房间的气流组织和室内空气品质的要求。一般的房间的最小设计风量为 最大设计风量是30%50%8，否则房间送风量太小会产生冷风下沉、换气次数不够，导致 气流组织恶化、新风严重不足和控制不稳定等问题。鉴于此，在这里我们选取风量为设计总风量的 100 %、70 %、40 %即风量分别为 0.165 m3/s、0.116 m3/s、0.066 m3/s 三种工况进行模拟，其它条件不变。a)风量变化对室内气流温度的影响分析 为了便于分析温度的变化，选取人员附近两个坐标分别为点1（0.75，1.0，-0.85）和点 B1（3.15，1.0，-2.35）和房间中心的点 C1（1.95，1.0，-1.6）为典型点，计算可得在不同送风量下典型点的温度值如表 1表 1 A1、B1、C1 三点在不同送风量的温度值送风量（m3/s）A1 点温度（K）B1 点温度（K）C1 点温度（K）0.165311.788302.393297.9240.116318.917305.909299.4590.066333.72313.524302.642根据表 1 可以绘制 A1、B1、C1 三点的温度变化曲线如下图。图 3 A1 点的温度变化曲线图 4 B1 点的温度变化曲线图图 5 C1 点的温度变化曲线显然可以看出随着送风量的减少，水平面上各点的温度不断升高。由于向下送风，风口在顶部的中央，房间中心的温度受送风口影响大，所以中心的温度变化梯度比四周要小， 从上图中我们也不难看出，中心点 C1 的温度变化梯度是最小的，而 B1 点附近由于受到回风 口的影响，它的速度变化梯度比 A1 点要小一些。同时，从上图 7 可以分析得出，随着送风 量的减小，各点的温度梯度的增加幅度是越来越大的。b)风量变化对室内气流速度差值的影响分析选取人员附近四个坐标分别为点 A1（0.75，1.0，-0.85）、A2（0.75，2.0，-0.85）点 B1（3.15，1.0，-2.35）、B2（3.15，2.0，-2.35）和房间中心的点 C1（1.95，1.0，-1.6）、C2（1.95，2.0，-1.6）为典型点，计算可得在不同送风量下典型点的速度值如表 2。表 2 不同送风量下典型点的速度值(m/s)送风量A1 点速度A2 点速度B1 点速度B2 点速度C1 点速度C2 点速度0.16500.022 00.004 60.017 00.112 50.187 90.11600.015 60.003 10.010 70.081 00.128 00.06600.009 70.001 80.005 40.044 30.072 6表 3 线 A、线 B、线 C 在高度 1.0 m 至 2.0 m 的速度差值(m/s)送风量线 A 的速度差值线 B 的速度差值线 C 的速度差值0.1650.022 00.012 40.075 40.1160.015 60.007 60.047 00.0660.009 70.003 60.028 3定义 A1（0.75，1.0，-0.85）和 A2（0.75，2.0，-0.85）的连线为线 A， B1（3.15，1.0，-2.35）和 B2（3.15，2.0，-2.35）的连线为线 B，C1（1.95，1.0，-1.6）和 C2（1.95，2.0，-1.6） 的连线为线 C，三条线都是垂直于房间地面的。线 A、线 B 和线 C 的速度差值是室内气流 组织好坏的主要影响因素之一。计算可以得出线 A、线 B、线 C 在高度 1.0m 至 2.0m 的速 度差值如表 3 所示。根据表 3 绘制线 A、线 B、线 C 在高度 1.0 m 至 2.0 m 的速度差值的变化曲线如下图所示。图 6 线 A 的速度差值变化曲线图 7 线 B 的速度差值变化曲线 图 8 线 C 的速度差值变化曲线随着送风量的减少，温度梯度的变化也是越来越小的。整个房间在房间的气流组织中， 由于向下送风且风口在房间顶部中央的缘故，房间的中间速度变化随着风量的变化是很大 的，从上三图也可以看出，房间中间的线 C 的速度变化梯度是最大的，线 B 附近靠近回风 口，所以它的温度梯度变化比线 A 大一些。2.2.2 送风角度的变化对室内气流组织的影响 为了研究送风角度对室内气流组织是影响，对送风量为 0.165 m3/s 的模型送风角度与壁面分别 30º、45º 和 90º 的送风模型进行数值运算。a)送风角度变化对室内气流温度的影响分析表 4 不同送风角度下典型点的温度值送风角度A1 点的温度（K）B1 点的温度（K）C1 点的温度（K）30º314.132303.028298.15345º311.788302.393297.92490º302.585299.821296.302绘制三点温度随送风角度变化的曲线如下图。图 9 点 A1 的温度变化曲线图 10 点 B1 的温度变化曲线图 11 点 C1 的温度变化曲线从上图不难看出随着送风角度的增大温度是降低的，送风角度较小时，在屋顶形成比 较大范围的贴附，送风角度较大时，送风对于房间内相对较低的工作区影响就比较大。点 C1 在房间的中心，也就是在送风口的正下方，任意的送风角度下送风量对点 C1 的影响都很 大，所以点 C1 的温度变化最小，如图 11 所示。点 B1 靠近回风口，受回风口温度的影响， 点 B1 温度变化幅度比点 A1 要小一些。b)送风角度变化对室内气流速度差值的影响分析表 5 不同送风量下典型点的速度值(m/s)送风角度A1 点速度A2 点速度B1 点速度B2 点速度C1 点速度C2 点速度30º00.019 30.004 20.014 30.102 60.155 845 º00.022 00.004 60.017 00.122 50.187 990 º00.052 90.006 60.036 20.321 40.510 0随着送风角度的增大，除了 A1 点处于气流滞留区以外，其它各点的速度都是增加的。可以说明送风角度增大时房间内绝大部分区域的速度都是增加的。表 6 线 A、线 B、线 C 在高度 1.0m 至 2.0m 的速度差值(m/s)送风角度线 A 的速度差值线 B 的速度差值线 C 的速度差值30º0.019 30.010 10.053 245 º0.022 00.012 40.065 490 º0.052 90.029 60.188 6绘制线 A、线 B、线 C 随送风角度变化的速度差值变化曲线如下图所示。图12 线A的速度差值变化曲线图13 线B的速度差值变化曲线图14 线C的速度差值变化曲线送风角度的变化对处于送风口下方的线C的影响最