CFD在某游泳館通風空調設計中的應用.doc

題目: CFD在某游泳館通風空調 設計中的應用 姓名與學號: 指導教師: 年級與專業(yè): 所在學院: 機械工程學院 CFD在某游泳館通風空調設計中的應用計算流體力學（簡稱CFD）是建立在經(jīng)典流體動力學與數(shù)值計算方法基礎上的一門新型獨立學科，通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示的方法，在時間和空間上定量描繪流場的數(shù)值解，從而達到對物理問題研究的目的。它兼有理論性和實踐性的雙重特點，建立了許多理論和方法，為現(xiàn)代科學中許多復雜流動與傳熱問題提供了有效的計算技術。CFD軟件的應用已成為解決各種流體流動與傳熱問題強有力工具，成功應用于水利、航運、環(huán)境、食品流體機械與流體工程等各種技術科學領域。在杭州某游泳館通風空調設計中，為了考察圍護結構內表面的結露情況，利用簡化的模型進行了CFD數(shù)值模擬。本文介紹了這次數(shù)值模擬過程，并根據(jù)模擬結果分析比較了設計相對濕度不同的兩個方案，模擬結果顯示，設計相對濕度較小的方案比較經(jīng)濟。引言游泳館的通風空調設計需要滿足運動員和觀眾的熱舒適性要求，盡量避免圍護結構的內表面結露，同時又必須綜合考慮初投資和運營成本。這就要求暖通工程師從熱工性能角度出發(fā)選擇維護結構的材料，確定合適的游泳館室內設計參數(shù)，選擇風口型式、風口分布和送風參數(shù)，并就數(shù)個暖通設計方案進行優(yōu)化。暖通設計方案的優(yōu)化首先需要對各個設計方案的效果，即室內環(huán)境參數(shù)分布進行預測評價。一般來說，目前能夠較為準確預測評價暖通設計效果的手段有兩個：模擬實驗和CFD即計算流體動力學數(shù)值模擬。1、工程概況該游泳館的圍護結構以彩鋼板和玻璃為主。游泳館室內面積約為3000 m2，體積約為31000 m3。水池面積為1350 m2，包括一個標準游泳池和一個淺水池。冬季采用熱風采暖與地板采暖相結合的空調方式。2、CFD數(shù)值模擬2.1 概述CFD數(shù)值模擬的基本原理就是對流體流動的控制方程進行數(shù)值解析，得出流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況。CFD數(shù)值模擬通常包含以下幾個主要環(huán)節(jié)：建立數(shù)學物理模型、數(shù)值算法求解、結果可視化。模擬實驗和CFD數(shù)值模擬相比較，前者所需的人力物力和時間要遠高于后者、難于在工程設計中廣泛采用，尤其對于游泳館等高大空間建筑的模型試驗更是如此。此外，CFD數(shù)值模擬還具有數(shù)據(jù)完整，結果直觀，考察范圍廣，可按原型大小模擬，無實際實驗誤差等優(yōu)點。盡管人們一般認為CFD數(shù)值模擬的可靠性不如模型試驗高，對某些實際復雜問題存在可算性問題，但是隨著計算機性能的提高，CFD商業(yè)軟件的日趨成熟，這些問題已經(jīng)逐步得到解決。例如，許多實例已經(jīng)證實采用CFD求解高大空間垂直溫度分布與實測得到的結果比較吻合1。另外，如果能把CFD模擬和局部模型實驗結合起來，相互補充，那么還將進一步保證CFD數(shù)值模擬的可靠性同時也講大大降低模型試驗費用和周期。正因為CFD數(shù)值模擬具有上述優(yōu)點，所以它在工程上得到了廣泛應用。在暖通空調領域主要應用于通風空調空間氣流組織設計，建筑外環(huán)境分析設計，建筑設備性能的研究改進等方面。CFD商業(yè)軟件使設計者基本上不需要進行繁重的編程工作，因此大大縮短了模擬的周期，降低了模擬難度。盡管如此，人們在使用這些軟件的過程中，通常仍要面臨一個問題，那就是如何針對工程特點合理簡化構建模型，在有限的時間內得到可靠的模擬結果。2.2 設計氣象條件由于模擬的目的在于考察圍護結構內表面的結露情況，所以將氣象條件設定為寒冷的冬季晴朗夜晚。室外空氣溫度采用冬季空氣調節(jié)室外計算溫度：-4。室外計算相對濕度采用最冷月平均相對濕度：77%。室外風速采用冬季平均風速：2.3m/s。室外大氣壓采用冬季大氣壓：102090 Pa。2.3 建立幾何模型及生成網(wǎng)絡因為該游泳館的幾何條件和空調采暖方式具有南北對稱性，因此在以上所設定的氣象條件下，邊界條件具有南北對稱性。因此溫度場、速度場、相對濕度分布南北對稱，所以僅模擬該游泳池的南半部。幾何模型如圖1所示。幾何尺寸與建筑實體基本相同。忽略了一些對整個流場影響不是太大，然而卻大大增加模擬難度的細節(jié)部分，如屋頂支架。網(wǎng)絡自動生成，計算域包括約73萬個四面體單元和約13萬個節(jié)點。2.4 建立物理模型通過對實際物理現(xiàn)象認真分析，抓住影響流場的主要因素，合理簡化假設，建立了適于模擬軟件計算的物理模型。對于在大多數(shù)時候，該游泳館中觀眾很少，即使觀眾人數(shù)達到設計要求的最大值兩百人，他們的散濕量與水池散濕量相比較，所占比例也很小，因此忽略觀眾的影響。對于水池的散濕量，按照文獻2的水池散濕量計算公式進行計算。模擬中把水池當作散發(fā)水蒸氣的唯一質量源，并認為水蒸氣的散發(fā)在整個池面上是均勻的，以此作為散濕源的邊界條件。由于圍護結構的漏風情況非常復雜，對流場的影響卻又很小，所以忽略圍護結構漏風量。一般情況下照明的強度很小，所以忽略照明的散熱影響。而且在人員活動區(qū)域即下部空間的溫度不變的情況下，存在照明時上部空間的溫度要比未考慮照明時高，若忽略照明時能夠保證屋頂不結露，那么考慮照明時更不可能結露，即忽略照明是偏于安全的。地板輻射是地板采暖的主要傳熱方式之一。如果把地板輻射傳熱當作對流傳熱看待，那么在地板散發(fā)出的熱量相同的情況下，空氣溫度梯度將增大，同時圍護結構內表面的輻射得熱也要減少，因此在人員活動區(qū)域的溫度不變時，圍護結構內表面的溫度將降低。所以從提高工程安全系數(shù)的角度考慮，可以將地板輻射傳熱當作對流傳熱看待。此外，認為圍護結構材料的傳熱系數(shù)已經(jīng)能反映圍護結構內表面間輻射傳熱對溫度場的影響，因此為了簡化物理模型，不再考慮室內輻射傳熱。僅考慮夜間輻射對圍護結構頂部外表面的表面溫度的影響，即冬季空氣調節(jié)室外計算溫度減少43。忽略凝結相變造成的影響。這是由于凝結相變的影響主要表現(xiàn)在降低室內空氣的相對濕度，同時放出潛熱，從工程角度出發(fā)，忽略凝結相變的這些影響是合適的。室內溫度場、速度場、相對濕度分布處于穩(wěn)定狀態(tài)。2.5 數(shù)值求解過程計算方程包括連續(xù)性方程，k-湍流動量方程，能量方程和組分傳遞方程。壓力速度耦合算法為SIMPLE算法。壓力離散差分格式采用標準離散差分格式，其它變量采用一階迎風格式。把送風溫度恒定為40；含濕量和室外空氣相同，恒定為2.2g/kg4。然后通過計算得出的散濕量確定送風量（同時要保證送風量滿足換氣次數(shù)和稀釋有害氣體的要求），按照送風風速約為1m/s的標準確定送風口個數(shù)。假定室內溫度均勻，都為室內空氣設計溫度，根據(jù)室內熱平衡，估算出地板發(fā)熱量。把由此得到的送風量和地板發(fā)熱量作為初始的邊界條件。在求解過程中，根據(jù)人員活動區(qū)域（距離地面1.5米的水平面）的空氣參數(shù)平均值是否達到室內空氣設計參數(shù)，適當調整送風量和地板發(fā)熱量。最終確定的邊界條件與估計得出的邊界條件有些差別，主要有兩個原因：由于室內流場具有不均勻性，為了保證人員活動區(qū)域的空氣達到室內空氣設計參數(shù)值，實際所設的邊界條件與假定均勻性估算出的邊界條件存在差別；估算出的邊界條件存在估算誤差。然而這種差別并不大，這從一定程度上驗證了求解結果的準確性。3、模擬結果和分析CFD商業(yè)軟件一般具有強大的后期數(shù)據(jù)處理功能，利用這些功能可以得到重要剖面的關鍵參數(shù)和參數(shù)分布圖，這些參數(shù)包括溫度、相對濕度、水蒸氣分壓力和速度。以下是兩個設計方案的部分模擬結果。這兩個方案的送風方式都為下送上排，設計空氣溫度都為28，主要區(qū)別是室內空氣的設計相對濕度不同，從而導致散濕量不同，送風量不同，地板發(fā)熱量不同。為了陳述方便，不妨將室內空氣設計相對濕度為50%的方案稱作方案一，將相對濕度為60%的方案稱作方案二。方案一高度為1.5米的水平面溫度場、相對濕度分布和速度場分別見圖2、圖3、圖4.通過這些圖，可以很直觀地看到?？照{方案一的熱環(huán)境總體上符合設計要求?？照{方案二的模擬結果表明該方案的熱環(huán)境也達到了設計要求。將某個壁面的溫度與該壁面最大水蒸氣分壓力所對應露點溫度相比較，前者比后者高的區(qū)域顯然是不可能結露的區(qū)域；前者比后者低的區(qū)域則認為是可能結露的區(qū)域，考慮到壁面水蒸氣分壓力變化不大，所以進一步認為溫度越低，結露可能性越大。圖5是這兩個方案頂部Low-e玻璃材料的可能結露區(qū)域對比圖。圖中空白區(qū)域是不可能結露區(qū)域；其他區(qū)域是可能結露區(qū)域，結露可能性如圖所示。由圖5可以得出以下結論：（1）空調方案一，頂部Low-e玻璃材料幾乎不可能結露；（2）空調方案二，頂部Low-e玻璃材料大部分區(qū)域結露的可能性較大，因此需要采取措施提高該區(qū)域的內表面溫度。方案一通風量比方案二大，因此運行成本高，但是方案二需要另外采取措施來降低結露的程度，若通過提高圍護結構的保溫性來達到這一目的的話，將會增加初投資。經(jīng)過經(jīng)濟性比較后，選擇了方案一。值得一提的是，在CFD數(shù)值模擬之前，對是否采用排風管并不確定，因為將排風管貫穿于整個游泳池上方會增加一定的施工難度，而且會破壞室內美觀，但是如果不設排風管的話，室內氣流組織可能又不理想。經(jīng)過CFD數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn)取消排風管，只在側墻上直接設排風口是完全可以滿足要求的。4、結論圍繞考察圍護結構內表面結露情況這一模擬目的，從工程角度出發(fā)，選用三維穩(wěn)定場模型，將池面當作具有均勻散濕強度的散濕源處理，對輻射傳熱進行了簡化處理，忽略了觀眾、圍護結構漏風、照明、凝結相變的影響。根據(jù)模型的對稱性，僅模擬了游泳館的南半部。模擬經(jīng)過這樣簡化后，大大縮短了模擬周期。根據(jù)數(shù)值模擬結果，分析比較了設計相對濕度不同的兩個方案的熱環(huán)境和圍護結構內表面的結露情況，結合經(jīng)濟性考慮，最終選擇了設計空氣溫度為28，設計相對濕度為50%的方案。此次數(shù)值模擬結果還表明。取消排風管。只在側墻上直接設排風口是完全可以滿足要求的。隨著國內經(jīng)濟的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的建筑形式和空間結構，給暖通專業(yè)提出越來越多的挑戰(zhàn)，而隨著CFD軟件的成熟及費用的降低，給設計帶來了極大方便，使各種設想有了較為可靠的證實手段。CFD數(shù)據(jù)模擬在杭州某游泳館通風空調設計中的應用，說明了CFD數(shù)據(jù)模擬是通風空調設計方案優(yōu)化選擇簡便而有效的手段。相信在今后的工程實際中，CFD數(shù)值模擬會得到越來越多的運用。參考