室内流场与温度场的实验测定及数值模拟.pdf

2005 Fluent 中国用户大会论文集 122 室内流场与温度场的实验测定及数值模拟 李俊红2 邹志军1 罗行2 黄晨1 1上海理工大学 城市建设与环境工程学院，上海 200093 2上海理工大学 动力工程学院，上海 200093 摘 要摘 要：CDF 技术及其商业软件的发展使人们可以用数值模拟的方法预测室内热环境，评价通风效果，改进空调送回风系统的设计，在提供舒适的室内环境的同时，进一步降低能耗为了对数值计算结果进行检验，在某室内送回风气流组织模拟实验室中对空调工况下的气流组织和温度分布进行了实验测定，并采用商业软件 Airpak 对房间内的速度场、温度场进行了数值模拟在数值计算中采用 k−ε方程作为紊流模型，以现场实测数据作为边界条件，计算结果与实测数据吻合较好结果表明，采用商业软件对空调工况下室内送回风气流组织与温度分布的数值模拟可以获得较准确的室内流场、温度场及空气年龄的详细数据，从而可以对整个空调通风效果进行全面评价，以改进空调系统的设计 关键词：关键词：数值模拟 通风系统 紊流模型 引 言 保持一个良好舒适的建筑室内环境,既有利于人体健康，又能提高工作效率，同时，将室内舒适条件维持在一个适宜的水平上，对降低建筑物能耗也具有重大意义。

所以良好的流场及通风条件也就成了我们首要解决的问题建筑的通风系统应该能够控制室内的温度、湿度，特别是在一些实验室、手术室等室内还要求我们控制空气的含尘浓度及细菌数量[1]但以往人们都是通过一系列的实验方法现场测量室内空气流动情况，从而判断其通风系统设计的合理性，不仅费时、代价高，而且效果并不太理想近年来由于计算机技术的发展及商用计算流体力学软件的普及，暖通空调计算机模拟技术，尤其是室内环境模拟技术日趋成熟国内自 20 世纪 80 年代初也已经开始了这方面的研究[2]，而且部分成果已应用于工程实际之中，并达到了预期的效果数值模拟方法利用其计算的快速、准确、代价低等特点得到越来越广泛的应用，通过对室内空气流动的数值模拟，可得到建筑空间各处的流场和温度场的分布，指导通风系统的设计 本文在上海理工大学城建学院的室内送回风气流组织模拟实验室中对空调工况下的气流组织和温度分布进行了实验测定，并采用商业软件 AirPak 对室内速度场和温度场进行了数值模拟，数值计算结果与实测数据吻合较好,全面而又准确地模拟了实验室中的热环境 1. 测试内容及测试方法 对室内流场和温度场的实验测定在上海理工大学城建学院的室内送回风气流组织模拟实验室中进行。

该房间坐标如图 1 所示， 坐标原点设在房间地面的右后角上 房间的尺寸为 4.9m×3.5m×2.5m空调系统采用上送下回的送风形式，送风口在靠近房间前方的天花板上，尺寸为 16cm×69cm在后墙附近有一个回风口，尺寸为 30cm×30cm靠近前后墙处各有一散热器实验中，在房间内共布置了 9 个速度测点（分别用编号 101 至 109 表示） ，其中的 7 个点布置在房间中轴线的截面上：在2005 Fluent 中国用户大会论文集 123 送风口下方m)225. 4( =x，在 1.7m、1.1m 和 0.5m 的高度上布置 3 个测点；在房间中间处m)95. 2( =x，在高度为 0.7m 和 0.3m 处布置 2 个测点；在排风口附近m)70. 0( =x，在高度为 1.7m 和 0.4m 处布置两个测点此外在两个散热器的上方也各布置了一个测点9 个速度测点的布点位置如表 1 所示测试仪器采用万向风速仪，数据由万向风速仪速度探头输出，并通过 Fluke 采集器进行集中采集 在本实验中还布置了 20 个温度测点（分别用编号 201 至 220 表示） ，布点位置如表 2 所示测试仪器采用 T 型热电偶，带防辐射屏蔽罩，数据采集通过 Anjelun 采集器集中采集。

由于在数值模拟中采用的是第一类边界条件，所以本实验对房间的壁面温度也进行了测量，使用仪器为红外线辐射仪每个壁面上下各取数点测温并取其平均值，前后墙以及左右墙面的平均温度分别为 22.3℃、23.6℃、23.2℃和 24.2℃，天花板和地面的平均温度分别为 25.4℃和 23.0℃ 2. 物理模型 房间内通风系统所形成的流场是三维紊流，故计算中采用k-ε 紊流模型在此通风系统中空气图 1 实验房示意图 表 1 速度测点位置 测点编号 101 102 103 104 105 106 107 108 109 X (m) 4.225 4.225 4.225 2.95 2.95 4.6 0.7 0.7 0.33 Y (m) 1.7 1.1 0.5 0.8 0.3 1.7 1.7 0.4 1.7 Z (m) 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.0 1.75 1.75 1.065 表 2 温度测点位置 测点编号 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 X (m) 4.6 4.6 4.6 4.2254.2254.2254.2252.95 2.95 2.95 Y (m) 2.1 1.7 1.1 1.7 1.1 0.5 0.2 2.1 1.7 1.1 Z (m) 1.0 1.0 1.0 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 测点编号 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 X (m) 2.95 2.95 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.33 0.33 0.33 Y (m) 0.5 0.2 2.1 1.7 1.1 0.5 0.2 2.1 1.7 1.1 Z (m) 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.065 1.065 1.0652005 Fluent 中国用户大会论文集 124 从天花板处的送风口进入，然后再通过排风口流出，房间内加入两个散热器作为室内热负荷。

对实验现场进行了多个工况的实验测量，本文取其中一组实测数据，用于和数值模拟的结果进行比较在该组实验测量中，送风速度为 2.35m/s，送风温度为 17.8℃，回风温度为 23.9℃，两个散热器所散发的热量分别为 0.84kW 和 2.41kW 3. 模拟结果与实验值的分析、比较 3.1 数据比较分析 在本次实验中通过数据采集器对速度读取了三次数据，并求取平均值数值模拟的结果经过后处理之后可分别得到与实验相对应的速度测点的速度值实测风速与数值模拟结果的比较见表 3，可以看到，两者之间的吻合相当好从表 3 中可看出，风口下方的速度较大，并且速度分布也符合射流速度衰减的公式[3]，高度越低速度越小气流流到房间中间时速度变得非常小，后墙回风口附近速度较其他布点都小而在送风口附近的散热器上方的速度比较大，相反处在角落的散热器上方由于气流的流动不大，其速度就相对很小所以在房间中切面的流场基本上是空气从天花板的送风口进入室内继续向下流动直到碰到地板，然后从回风口流出 温度测点的数据由测量系统每分钟采集一次，再求取十分钟内的平均值，实测空气温度与数值模拟结果的比较见表 4从表 4 给出的数据中可以看到，整个房间温度场分布还是较为均匀的，在垂直方向上温度都有下部温度低、上部温度高的特点。

在风口下方由于气流直吹的缘故，其温度较其他地方都低，在水平方向上温度由送风口向回风口方向逐渐升高 表 3 实测风速与数值模拟结果的比较 测点编号 102 101 103 104 105 106 107 108 109 数据 1 2.13 1.85 1.80 0.06 0.15 1.25 0.07 0.68 0.25 数据 2 2.22 1.81 1.64 0.18 0.21 1.15 0.13 0.66 0.14 数据 3 2.04 1.52 1.62 0.09 0.16 1.07 0.07 0.76 0.16 试 验速 度m/s 平均值 2.13 1.73 1.69 0.11 0.17 1.16 0.09 0.70 0.18 模拟值速度 m/s 2.15 1.92 1.62 0.07 0.15 0.10 0.03 0.76 0.16 表 4 实测温度与数值模拟结果的比较 测点编号 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 实测值℃ 25.20 25.99 25.26 18.49 20.20 20.82 20.57 24.38 23.94 23.75 模拟值℃ 22.62 22.52 22.42 18.43 18.97 19.40 19.59 22.46 22.27 21.94 测点编号 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 实测值℃ 23.75 22.89 24.32 25.00 31.42 25.15 24.12 23.03 22.96 23.35 模拟值℃ 21.51 21.19 24.02 23.62 23.21 22.77 24.47 25.16 25.30 27.26 2005 Fluent 中国用户大会论文集 125 3.2 模拟结果分析 图 2 给出了沿房间轴向通过送风口中心的垂直截面上的流场和温度场（图的左下角为坐标原点） 。

可以看到，图 2a 中该平面的速度场符合实际气流分布情况，在远离送风口区，由于送风气流影响较小，气流流动相对较为缓和，气流分布较为均匀，送风口附近气流流动明显很强图 2b 给出了该截面上的温度分布情况送风口附近等温线比较密集，温度变化较大，而回风口的温度变化较小房间的中间区域的温度分布相差不大，这也符合我们实验所测试的结果 图 3 给出了正对着送风口下方房间横截面上的速度场和温度场（图的左下角为坐标原点） 从图3a 中可以看到，气流从风口流出吹向地板碰到墙壁后向两边折射，再在风口附近形成两个旋涡，但由于在左边（图 1 所示房间的右侧）有一散热器，由于浮升力的作用，造成两个旋涡并不对称从图 3b 所示的温度场也可看出左右两边的温度梯度也大不相同，热源的存在造成了等温线向上抬起 4 结论结论 本文采用商用软件 Airpak 对室内空调工况的流场和温度场进行了数值模拟并与实测结果进行了比较结果表明，数值计算可以很好地模拟室内真实的空气流速和温度分布本文的研究给出了使用商用软件对室内热环境进行计算机数值模拟的一个实验验证，为我们采用数值模拟的方法对更复杂的室内空调通风系统的预测提供了经验和依据， 对于室内空调通风系统的设计有很好的借鉴作用。

参考文献： [1] 周天泰等. 香港某医院手术室内通风效果的数值研究. 北京：暖通空调 2001. (a) 速度场 (b) 温度场 图 2 中心平面速度场、温度场 (a) 速度场 (b) 温度场 图3送风口下一平面速度场、温度场 2005 Fluent 中国用户大会论文集 126 [2] 汤广发等. 室内气流数值模拟与模型实验. 长沙：湖南大学出版社，1989. [3] 蔡增基 龙天渝 主编. 流体力学泵与风机. 中国建筑工业出版社，2002. Measurement and numerical simulation of velocity and temperature fields in a room LI, Junhong2, ZOU, Zhijun1, LUO, Xing2, HUANG, Chen1 1 College of Urban Construction ventilation system; turbulent model 。