某車站候車大廳熱環(huán)境cfd模擬

某車站候車大廳熱環(huán)境CFD模擬研究摘要：隨著我國國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的的發(fā)展，高大大空間建筑作作為一種建筑筑形式越來越越常見，而隨隨著帶來的一一個(gè)問題即是是此類建筑的的空調(diào)設(shè)計(jì)與與驗(yàn)證的問題題?？沾罂臻g間建筑由于體體積較大，采采用常規(guī)建筑筑適用的集總總參數(shù)法來設(shè)設(shè)計(jì)往往會(huì)帶帶來較大的誤誤差，在這個(gè)個(gè)背景之下，如如何驗(yàn)證已有有的設(shè)計(jì)則有有了特別的意意義。本文正正是以某車站站候車大廳這這一典型高大大建筑作為研研究對象，采采用CFD模擬方方法對其內(nèi)部部溫度、速度度場進(jìn)行了具具體分析，并并根據(jù)模擬結(jié)結(jié)果對現(xiàn)有空空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)價(jià)，提出修改改意見供設(shè)計(jì)計(jì)人員參考。關(guān)鍵字：CFDD，熱環(huán)境，高高大空間建筑筑引言分層空調(diào)是高大大空間典型的的氣流組織方方式，然而在在其設(shè)計(jì)中存存在著一個(gè)驗(yàn)驗(yàn)證的問題—即在設(shè)計(jì)階階段去了解所所取參數(shù)是否否能夠滿足設(shè)設(shè)計(jì)要求的問問題。驗(yàn)證問問題對于空調(diào)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)十十分重要，不不合理的參數(shù)數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致致兩個(gè)問題：：一是空調(diào)系系統(tǒng)無法保證證舒適性要求求；另一個(gè)則則是舒適性得得到滿足而節(jié)節(jié)能性較差。驗(yàn)驗(yàn)證問題實(shí)質(zhì)質(zhì)上是一個(gè)預(yù)預(yù)測問題：即即在空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)尚未安裝之之前預(yù)測該系系統(tǒng)所造成的的高大空間的的熱環(huán)境能否否滿足要求。該該問題是空調(diào)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中中的共有問題題，對于高大大空間來說，由由于其熱環(huán)境境受浮升力影影響較大等原原因使得該問問題相對普通通空調(diào)系統(tǒng)來來說更加復(fù)雜雜。越來越多多的實(shí)例[1][22]證明計(jì)算流流體方法（CFD）是解決這這一問題的最最佳選擇。在本文中采用CCFD模擬方法對對某車站候車車大廳——高達(dá)空間建建筑的室內(nèi)熱熱環(huán)境進(jìn)行分分析研究，并并根據(jù)模擬結(jié)結(jié)果對于現(xiàn)有有的空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)提出了相應(yīng)應(yīng)的改進(jìn)建議議。模擬對象介紹模擬的對象為某某鐵路客站候候車大廳。候候車大廳是某某客站主體建建筑的主要組組成部分。該該客站主體建建筑由南北的的售票大廳及及中間的候車車大廳組成。（如圖1所示，黃線區(qū)域?yàn)槟媳笔燮贝髲d而紅線區(qū)域?yàn)楹蜍嚧髲d）座位區(qū)球形噴口所在位置置換風(fēng)口所在位置N座位區(qū)球形噴口所在位置置換風(fēng)口所在位置N圖1候車大廳廳平面示意圖圖候車大廳東西向向長度為409.77m，南北向長長度為72m,高度為33.955m。如圖2紅線包圍區(qū)區(qū)域?yàn)楹蜍嚧蟠髲d的截面示示意圖。圖2候車大廳廳南北剖面示示意圖大廳東西兩端樓樓梯圍欄周圍圍設(shè)有置換送送風(fēng)口，大廳廳中部南北相相對設(shè)有球形形風(fēng)口，屋頂頂設(shè)有排風(fēng)口口。候車大廳廳東西兩端主主要依靠置換換送風(fēng)來滿足足制冷要求。而而在中間部分分由于跨度較較大，則采用用噴口送風(fēng)加加機(jī)械排風(fēng)的的方式來滿足足大空間的空空調(diào)要求（如如圖3）。圖3候車大廳廳噴口送風(fēng)加加機(jī)械排風(fēng)系系統(tǒng)示意圖機(jī)械排風(fēng)與空調(diào)調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合合的混合系統(tǒng)統(tǒng)的設(shè)置可排排除余熱、降降低上部空氣氣溫度和屋頂頂內(nèi)表面溫度度，以減少非非空調(diào)區(qū)向空空調(diào)區(qū)的對流流熱轉(zhuǎn)移和輻輻射熱轉(zhuǎn)移，從從而減少空調(diào)調(diào)區(qū)冷負(fù)荷達(dá)達(dá)到節(jié)能效果果。CFD模型模型的簡化3．1.1典典型區(qū)域的選選取由于候車大廳建建筑尺寸相對對較大、風(fēng)口口較多，對整整個(gè)候車大廳廳進(jìn)行CFD建模將由于于網(wǎng)格數(shù)太多多而使計(jì)算量量非常大，并并不現(xiàn)實(shí)，因因此考慮分區(qū)區(qū)建模。東端區(qū)域候車大廳東西兩兩端的置換通通風(fēng)風(fēng)速較低低，對中間段段影響區(qū)域較較有限而中間間段球形噴口口分布較規(guī)律律，因此在模模擬可只取候候車大廳東西西兩端及中間間段典型單元元區(qū)域來代替替整個(gè)候車大大廳作為研究究區(qū)域。同時(shí)時(shí)考慮到大廳廳本身布置上上南北完全對對稱而東西段段近似對稱的的特點(diǎn)，所有有的典型區(qū)域域都可只取南南北向的一半半來考慮而東東西兩端可只只取一段作為為代表（如下下圖所示）。東端區(qū)域中間段區(qū)域2中間段區(qū)域2圖4CFD典典型區(qū)域選取取如圖5所示，黃黃色線包圍的的區(qū)域?yàn)檫x取取的東側(cè)區(qū)域域（以下簡稱稱為區(qū)域1），區(qū)域1中同時(shí)有置置換通風(fēng)及噴噴口送風(fēng)的作作用。粉色線包圍圍的區(qū)域?yàn)橹兄虚g段區(qū)域（以以下簡稱為區(qū)區(qū)域2），該區(qū)域域只有噴口送送風(fēng)作用。邊界條件的簡簡化由于候候車大廳南北北部與售票大大廳相連，而而售票大廳為為空調(diào)區(qū)域且且其送風(fēng)方式式為下送風(fēng)，因因此可以認(rèn)為為售票大廳與與候車大廳之之間沒有任何何質(zhì)量及能量量的交換。故故從簡化模型型的角度考慮慮可將上述區(qū)區(qū)域1的南邊界面面及區(qū)域2，3，4的北邊界面面均設(shè)為絕熱熱面。模型具體實(shí)現(xiàn)現(xiàn)本文主要采用AAirpakk軟件作為CFD模擬的主要要工具在使用Airpaak建模過程中中室內(nèi)熱環(huán)境境的影響要素素在軟件中具具體實(shí)現(xiàn)方式式是影響建模模質(zhì)量的主要要問題。對于于候車大廳熱熱環(huán)境來說，最最主要的影響響要素有：置置換及噴射送送風(fēng)，屋頂排排風(fēng)系統(tǒng)以及及太陽輻射影影響。下面將將分別進(jìn)行討討論。置換、噴射送風(fēng)風(fēng)及屋頂排風(fēng)風(fēng)系統(tǒng)的模擬擬實(shí)現(xiàn)所謂送排風(fēng)系統(tǒng)統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，在在Airpaak中實(shí)質(zhì)上就就是送排風(fēng)口口的實(shí)現(xiàn)。在在Airpaak中，可模擬擬風(fēng)口的模塊塊主要有Openiings，vents及fans。其中openiing可模擬計(jì)算算區(qū)域內(nèi)或邊邊界處的送排排風(fēng)口，用戶戶可設(shè)定風(fēng)口口的出風(fēng)溫度度，速度及靜靜壓；ventss可以模擬計(jì)計(jì)算區(qū)域邊界界處的送排風(fēng)風(fēng)口，它所定定義風(fēng)口可視視為自由入口口或出口，在在模擬中會(huì)根根據(jù)風(fēng)口處的的壓力降來自自動(dòng)計(jì)算風(fēng)量量；fans主要模擬送送排風(fēng)機(jī)，分分為兩種，一一種為定流量量風(fēng)機(jī)，用戶戶可直接定義義風(fēng)機(jī)的體積積或質(zhì)量流量量，對于送風(fēng)風(fēng)口來說還可可定義其出風(fēng)風(fēng)溫度，另一一種為變流量量風(fēng)機(jī)，用戶戶可定義風(fēng)量量與風(fēng)口靜壓壓之間的關(guān)系系。對于置換換、噴射風(fēng)口口來說，由于于其位于計(jì)算算區(qū)域的內(nèi)部部且需要定義義其送風(fēng)溫度度與速度，所所以可采用Openiings來進(jìn)行模擬擬；而對于排排風(fēng)口來說，由由于其位于計(jì)計(jì)算區(qū)域的邊邊界處，且只只需要定義其其排風(fēng)量而無無需定義其排排風(fēng)溫度，故故采用fans來模擬較為為合適。2)太陽陽輻射的模擬擬實(shí)現(xiàn)在Airpakk中本身自帶帶有相應(yīng)的太太陽輻射模塊塊即SolarrLoaddModeel。在該模塊塊中，用戶首首先需要定義義建筑所在地地區(qū)的經(jīng)緯度度信息、模擬擬日期及輻射射相關(guān)參數(shù)如如入射角度等等。然后對于于計(jì)算區(qū)域內(nèi)內(nèi)所有對象，用用戶可定義該該對象的太陽陽輻射特性。在在模擬中，Airpaak會(huì)根據(jù)地區(qū)區(qū)所在位置，模模擬時(shí)間及輻輻射參數(shù)等計(jì)計(jì)算出模擬時(shí)時(shí)間建筑所在在地區(qū)的太陽陽輻射量，同同時(shí)根據(jù)計(jì)算算區(qū)域內(nèi)對象象的太陽輻射射特性來分別別考慮太陽輻輻射對該對象象附近熱環(huán)境境的影響。然而在實(shí)際模擬擬過程中，SolarrLoaddModeel的實(shí)際效果果并不理想，模模擬的結(jié)果與與現(xiàn)實(shí)的差距距較大。因此此在本文中考考慮使用間接接模擬的方式式。具體方法法如下：首先通過過Airpaak自帶的宏命命令中的SolarrFluxx工具，輸入入所在地區(qū)的的經(jīng)緯度信息息、模擬日期期等參數(shù)以直直接獲得所在在地區(qū)的太陽陽輻射強(qiáng)度相相關(guān)參數(shù)。然然后在計(jì)算區(qū)區(qū)域中需要考考慮太陽輻射射的邊界處設(shè)設(shè)置邊界條件件為自定義外外熱流，而外外熱流的強(qiáng)度度則設(shè)為計(jì)算算得到的太陽陽輻射強(qiáng)度。模擬結(jié)果證明采采用這種模擬擬方式得到的的結(jié)果相較于于SolarrLoaddModee的結(jié)果要更更為接近實(shí)際際過程。但需需要指出的是是對于采用這這種方法時(shí)需需對相應(yīng)邊界界處的網(wǎng)格細(xì)細(xì)化，否則可可能會(huì)在邊界界出現(xiàn)不真實(shí)實(shí)的高溫區(qū)域域。4．模擬結(jié)果果分析4.1區(qū)域11區(qū)域1的平面示示意圖如圖17所示。圖5區(qū)域22平面示意圖圖豎直面溫度分布布圖6區(qū)域22X=122m橫截面溫度度分布云圖圖7區(qū)域22X=444m橫截面溫度度分布云圖圖8區(qū)域22X=666m橫截面溫度度分布云圖圖9區(qū)域22X=800m橫截面溫度度分布云圖從以上豎直橫截截面的溫度分分布我們可以以發(fā)現(xiàn)：區(qū)域域2呈現(xiàn)隨噴口口送風(fēng)方向的的溫度梯度。在在置換通風(fēng)風(fēng)風(fēng)口附近垂直直方向上的溫溫度分層比較較很明顯，而而在其他位置置基本沒有垂垂直方向的溫溫度分布。水平面溫度分布布圖10區(qū)域域2Z=1..5m溫度橫截面面分布云圖從以上水平橫截截面的溫度分分布我們可以以發(fā)現(xiàn)：人員員活動(dòng)區(qū)域的的水平面從北北到南溫度值值逐漸變大，南南部局部溫度度甚至?xí)_(dá)到到30℃，這主要是因因?yàn)閲娍谒惋L(fēng)風(fēng)制冷導(dǎo)致送送風(fēng)方向的溫溫度梯度。而而置換通風(fēng)的的效果不是很很明顯。速度分布圖11區(qū)域域2Z=1..5m橫截面速度度矢量圖從以上速度分布布的平面圖可可以看出，區(qū)區(qū)域2人員活動(dòng)區(qū)區(qū)域的平面內(nèi)內(nèi)，各位置風(fēng)風(fēng)速相對于區(qū)區(qū)域1較小，噴口口送風(fēng)對其速速度場的影響響不是很明顯顯。而置換通通風(fēng)風(fēng)口對其其附近流場影影響較大，附附近最大的風(fēng)風(fēng)速接近0.7m//s，仍大于置置換通風(fēng)舒適適性要求，可可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)產(chǎn)生吹風(fēng)感。而而噴口送風(fēng)區(qū)區(qū)域風(fēng)速基本本都小于0.1m//s，滿足舒適適性要求。4.2區(qū)域22區(qū)域2的平面示示意圖如圖27所示。圖12區(qū)域33平面示意圖圖豎直面溫度分布布圖13區(qū)域域3X=00.5m橫截面溫度度分布云圖圖14區(qū)域域3X=4m橫截面溫度度分布云圖圖15區(qū)域域3X=88m橫截面溫度度分布云圖圖16區(qū)區(qū)域3X=112m橫截面溫度度分布云圖圖17區(qū)域域3X=116m橫截面溫度度分布云圖圖18區(qū)域33X=200m橫截面溫度度分布云圖從以上豎直橫截截面的溫度分分布我們可以以發(fā)現(xiàn)：區(qū)域域3豎直方向溫溫度分布在局局部出現(xiàn)了倒倒置，即上部部區(qū)域的溫度度反而低于下下部區(qū)域的溫溫度，說明送送風(fēng)沒有與周周圍空氣進(jìn)行行充分的熱交交換，也就會(huì)會(huì)造成供應(yīng)的的冷量沒有得得到充分的利利用。分析其其原因，可能能是由于該部部分噴口送風(fēng)風(fēng)風(fēng)速較低，送送出的冷空氣氣受室內(nèi)負(fù)荷荷影響直接上上升。水平面溫度分布布圖19區(qū)域域3Z=11.5m橫截面溫度度分布云圖從以上水平橫截截面的溫度分分布可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)：區(qū)域3人員活動(dòng)區(qū)區(qū)域的水平面面溫度大致隨隨噴口送風(fēng)方方向?qū)哟畏植疾?，噴口送風(fēng)風(fēng)效果較為理理想。速度分布圖20區(qū)域域3Z=1.5m橫截面速度度矢量圖從以上速度分布布的平面圖可可以看出，區(qū)區(qū)域3人員活動(dòng)區(qū)區(qū)域的風(fēng)速大大部分區(qū)域小小于0.5m//s，局部區(qū)域域會(huì)達(dá)到0.6m//s以上，總體體而言風(fēng)速滿滿足舒適性要要求。結(jié)論通過CFD模擬擬分析，候車車大廳空調(diào)送送風(fēng)系統(tǒng)基本本能滿足大廳廳內(nèi)的溫度、速速度要求和舒舒適度要求，但但也存在以下下的幾個(gè)問題題：1)置換通通風(fēng)區(qū)域與噴噴口區(qū)域之間間的局部區(qū)域域可能會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)較