通風(fēng)空腔出流邊界條件的多方位

通風(fēng)空腔出流邊界條件的多方位探討摘要：本文模擬分析了等溫情況下兩種常見(jiàn)的送回風(fēng)形式(同側(cè)送側(cè)回、異側(cè)送側(cè)回)的各自不同的幾何形狀、出口邊界條件及位置對(duì)氣流分布的影響，并分析了送風(fēng)口氣流射流、短路及其與回風(fēng)口位置、邊界條件的關(guān)系。接著模擬分析了非等溫情況下兩種常見(jiàn)的送回風(fēng)形式(同側(cè)送側(cè)回、異側(cè)送側(cè)回)的各自不同的出口邊界條件及熱源位置對(duì)氣流分布的影響，并分析了送風(fēng)口氣流射流及其與回風(fēng)口動(dòng)量邊界條件、熱源位置等的關(guān)系。從這些數(shù)值模擬實(shí)踐中總結(jié)和發(fā)現(xiàn)了通風(fēng)空腔的出流邊界條件需要多方位分析，沒(méi)有一成不變或全能型的出口邊界條件。關(guān)鍵字：邊界條件多方位射流短路1引言實(shí)際工程問(wèn)題中大量存在通風(fēng)空腔原型，如電子器件包的通風(fēng)冷卻、換熱器的風(fēng)冷、民用及工業(yè)建筑的自然通風(fēng)等。由于氣流數(shù)值模擬具有預(yù)測(cè)迅速、信息量大、成本低等特點(diǎn)，在通風(fēng)領(lǐng)域已應(yīng)用的相當(dāng)廣泛，并且有關(guān)出風(fēng)口物理及數(shù)學(xué)模型、出風(fēng)口邊界處理的探討和研究也特別多[1]-[3]。如文獻(xiàn)[1]指出，對(duì)出口邊界條件作如下定性要求：(1)應(yīng)當(dāng)對(duì)出口邊界附近，尤其是離開(kāi)出口邊界較遠(yuǎn)處的流場(chǎng)沒(méi)有影響；(2)出口邊界應(yīng)當(dāng)是“透明”的，即要求所采取的出口邊界條件能讓上游的信息傳遞出計(jì)算區(qū)域而盡可能少地反射回來(lái)；(3)無(wú)論設(shè)置在何處，應(yīng)對(duì)其他區(qū)域中的數(shù)值解沒(méi)有影響。關(guān)于通常計(jì)算區(qū)域出口邊界條件的設(shè)置有局部單向化假設(shè)、充分發(fā)展假設(shè)、法向或切向局部/整體質(zhì)量守恒、對(duì)流邊界條件等?？傊?，針對(duì)各類(lèi)不同的情況，對(duì)出流邊界條件提出了各種不同的要求或看法，其中文獻(xiàn)[3]對(duì)此有較好的總結(jié)：當(dāng)出口邊界上無(wú)回流時(shí)，可以采用局部單向化或法向一階導(dǎo)數(shù)為零的方法；當(dāng)出口邊界有回流時(shí)，可以采用法向流速按質(zhì)量守恒、切向流速按齊次Neumann條件的方法；無(wú)論采用哪一種方法，出口截面上的法向速度分布必須滿足總體質(zhì)量守恒的條件?？墒菍?duì)于腔體或建筑室內(nèi)通風(fēng)的模擬及計(jì)算，出口邊界處理存在特殊的困難，即是否回流不能簡(jiǎn)單地依經(jīng)驗(yàn)判別；室內(nèi)出風(fēng)口位置距送風(fēng)口位置過(guò)近，容易引起氣流輸運(yùn)短路，導(dǎo)致射流過(guò)程不充分；室內(nèi)熱源的存在使出風(fēng)口的邊界設(shè)置更趨復(fù)雜，簡(jiǎn)單地照搬上述方法不能解決出風(fēng)口邊界的設(shè)置；這些關(guān)于通風(fēng)空腔的出風(fēng)口位置、內(nèi)部熱源干擾等與邊界條件的具體辨證關(guān)系卻鮮見(jiàn)于各類(lèi)文獻(xiàn)和技術(shù)資料之中。本文即以此為出發(fā)點(diǎn)，并以各類(lèi)實(shí)例及分析予以說(shuō)明和探討。2物理及數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)單描述現(xiàn)取某矩形腔體(L×H)，如圖1所示。正常通風(fēng)條件下，空調(diào)冷氣由左側(cè)頂縫(HIn)送入，并由出風(fēng)口排出(出風(fēng)口位置為1或2，高度分別為H1及H2)；熱源(面積熱流強(qiáng)度為Q0)長(zhǎng)度為L(zhǎng)H；出回風(fēng)口具體的位置關(guān)系由圖1的HW1、HW2給定。為了簡(jiǎn)化分析，僅討論最簡(jiǎn)單的二維空氣對(duì)流問(wèn)題，即認(rèn)為流場(chǎng)內(nèi)部不存在任何固體障礙物及源與匯。并作穩(wěn)態(tài)、不可壓縮、等溫及層流假設(shè)。首先對(duì)密度等作Boussinesq假設(shè)，有密度關(guān)系式其中，是空氣的參考密度(文中未作特殊說(shuō)明，指導(dǎo)入的室外空氣的密度以及下文的參考溫度)，β是熱膨脹系數(shù)，定義為。基于這些假設(shè)，基本流動(dòng)控制方程為Navier-Stokes方程及能量方程。滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒的控制方程組如式(2)-(5)所示：控制方程分別采用空腔高度H、(U0)、ΔT0作為長(zhǎng)度、速度及溫度的特征尺度，具體參數(shù)的無(wú)因次化及獲得的無(wú)因次控制參數(shù)按如下方法進(jìn)行：(X,Y)=(x/H,y/H),(U,V)=(u/U0,v/U0),P=P/(ρU02)；Θ=(T-TIn)/ΔT0,ΔT0=Q0H/λf,,其中，ρ、λf、ν、α、β分別代指流體的密度、傳熱系數(shù)、動(dòng)力粘度、熱擴(kuò)散系數(shù)及熱膨脹系數(shù)等熱物性參數(shù)。速度邊界條件：壁面上取無(wú)滑移條件(速度矢量為零)；送風(fēng)口取定值；出風(fēng)口有三類(lèi)取法：A：按整體質(zhì)量守恒給定：UOutlet=Const,VOutlet=0.0B：按充分發(fā)展流假設(shè)：{φ=UOutlet,VOutlet}C：按內(nèi)點(diǎn)插值方法給定或令二階導(dǎo)數(shù)為零：{φ=UOutlet,VOutlet}延顯而易見(jiàn)，邊宋界處理辦法當(dāng)由餐A書(shū)至衫C弄，逐漸復(fù)雜，淚即出口邊界數(shù)正值需更多的流刷場(chǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)來(lái)給侵定。尖溫度邊界條件畜：入口及熱源恒按定值給定，籠其他都按絕熱耍邊界處理。誠(chéng)按上述無(wú)因次飼辦法，可以將肌入口速度及熱匠源熱邊界簡(jiǎn)化屆為：塵U督In厘=Pr·Re更Inlet千·H/H驟In炊,(Re獵Inlet戰(zhàn)=u賤in航·H程in個(gè)/招ν輛)郊2.1爸樣離散及計(jì)算方桌法圣控制方程胃組痛(2)-(5什)梢的離散采用控筐制容積法毀[4]決，速度控制容況積與壓力、溫企度控制容積交肆錯(cuò)布置；方程搬組中對(duì)流項(xiàng)采猛用揉QUIC窯K惰格式，擴(kuò)散項(xiàng)祝采用中心差分鬼格式。各離散調(diào)代數(shù)方程的內(nèi)帳迭代采用三對(duì)蘇角陣算肉法尾(TDMA獸)里和逐點(diǎn)松弛轎法瘦(SOR真)桌相結(jié)合的逐線認(rèn)松弛算句法喘(Succe車(chē)ssive搖Linear痰Under餅Relax熱ation著)揉；動(dòng)量方程與陪壓力修正方程粒的耦合采胳用減SIMPL乓E瑞思想絞[4]朗。從3去終等溫送風(fēng)及分徑析上等溫情況下有鑰兩種常見(jiàn)的送刻回風(fēng)形荷式鵲(議同側(cè)送側(cè)回、坦異側(cè)送側(cè)世回面)喂，現(xiàn)在分別討燥論這兩種情況覺(jué)。蓋3.1塵角同側(cè)送側(cè)回頭按都圖繩1幼所示，出口位幼置位于左邊界私，高度我為躁H籠1失,漠隸出風(fēng)口風(fēng)鋤速?gòu)UU植Outlet爽1紡按添A洲、宴B綱及震C登三類(lèi)條件給定小。出風(fēng)口位置柄、空腔幾何形鴨狀由參循數(shù)魂R見(jiàn)W1猾(蔑(紅H溪W1扣+H桶In定)/H蔥)貌、櫻R色HL揚(yáng)(H/L式)維設(shè)定。男R邊W1于=0.875秧,陪A尋類(lèi)出口邊界鑒R三W1山=0.50梁,孕A宣類(lèi)出口邊界屈R元W1堪=0.325秒,圾A紡類(lèi)出口邊界蚊R披W1筋=0.25,悅評(píng)A術(shù)類(lèi)出口邊界宣R起W1鐵=0.25,搶帝B役類(lèi)出口邊界對(duì)R湊W1蓋=0.25,觸盟C數(shù)類(lèi)出口邊界尋R灶W1孟=0.125蕉,昌A話類(lèi)出口邊界宅R欣W1囑=0.125唇,摟B余類(lèi)出口邊界礎(chǔ)R貨W1廟=0.125暮,撈C怨類(lèi)出口邊界誰(shuí)圖壟2的飽空腔內(nèi)流場(chǎng)分捐布的部分結(jié)果

辨(亞Re奴I(xiàn)nlet壽=200,祖R瘦HL友=1.0,殊R盜W1及=0.12妻5徑～登0.875)育為便于分析，餡令杏H遷1療等誦于建H選In糊(緩未作特別說(shuō)明島，下曠同杰)咱，這樣計(jì)算了耗定入口雷諾柴數(shù)仁(記Re痛Inlet妖=200蟻)現(xiàn)下方形空靈腔漿(葉R債HL戒=1.0唐)耐內(nèi)不同出風(fēng)口鵝位鵝置觸(灰R集W1河=0.12誰(shuí)5既～客0.875瓦)那的流場(chǎng)，如孕圖眾2礦所示。態(tài)首先，出流口趣位置參數(shù)莫取睛0.87共5星，出流邊界拿按冷A浩、昆B產(chǎn)或敵C喝類(lèi)方法都能使寨流場(chǎng)發(fā)展充仍分枝(艷由滋圖捉3撞，三種情況下鋤軸向射流分布搏相纖同腦)冠，完全是由于盟出流口遠(yuǎn)離入榨流口、對(duì)核心捕流場(chǎng)影響小所券致。當(dāng)出流位算置稍微上移以槍靠近入流口，宴情況基本相同拋(嘴R裙W1箱=0.50倚0腿)思，即出流邊界穩(wěn)按頭A瞞、盾B鍬或牧C稍類(lèi)方法時(shí)軸向菜射流分布相太同鎖(賽圖掩3追)撇；這種情況一值直持續(xù)雅到湯R障W1陣=0.32綿5賊。材當(dāng)謎R機(jī)W1身=0.25抽0啞時(shí)，即出流口燥邊界條件的不龜同取法對(duì)流場(chǎng)壟結(jié)構(gòu)開(kāi)始產(chǎn)生午細(xì)微影響：盡皂管三種方法不軍同，但都保證平了該位置出流遼時(shí)入口射流的鈔最充瘋分蹄(車(chē)圖鈴3伏中尖1威，控2轎及丙3誼)補(bǔ)；但采用方房法咬B關(guān)時(shí)，出流流量揭并不充裂分羞(擋圖不2訴)語(yǔ)，可咬見(jiàn)托B臨類(lèi)邊界在此時(shí)在應(yīng)慎用。士當(dāng)準(zhǔn)R拴W1奇減到最小壁時(shí)羨(0.125鋤)遇，采用方智法剝A抵做出流邊界，屋發(fā)生了很強(qiáng)的糠氣流短路現(xiàn)勝象但(勻圖陶3婆中赴4熊)考，刪而懶B咽類(lèi)方法可以保缺證入口射流充旬分譽(yù)(釀與閑R坡W1畜=0.25賢0乓時(shí)的相吊同浙)售，但出流流量旋并不充分余。儲(chǔ)C民類(lèi)方法居于兩醫(yī)者之間。這說(shuō)恰明，對(duì)于出流屠邊界條件的選似取，不能盲目員地照搬，而是廢需要系統(tǒng)全面焦地權(quán)衡。料1A星類(lèi)出口邊界墾2耍B久類(lèi)出口邊界夕3C嬌類(lèi)出口邊界土4Rw1=甩0.12歷5光時(shí)三類(lèi)不同出驅(qū)口邊界昆圖倦3泊喜入口中心水平些軸線射流速度觸分布比局較修(俘1,2,爹3,4)騎3.2奮擊異側(cè)送側(cè)回釋按兩圖腿1票所示，出口位攏置位于右邊界撒，高度匯為禍H蒼2積,弓澤出風(fēng)口風(fēng)創(chuàng)速冷U饒Outlet這1榴按暈A讓、尋B鋼及胃C嫂三類(lèi)條件給定答。這樣計(jì)算了舊定入口雷諾嚴(yán)數(shù)膏(牽Re短Inlet叔=200番)姐下方形空擾腔慨(毫R姜HL故=1.0物)模內(nèi)不同出風(fēng)口程位藝置狹(仔R禁W2器=H蓬W2爭(zhēng)/H=0.蛋12慘5摧～優(yōu)0.875獄)徑的流場(chǎng)，如攔圖骨4姨所示。所由于異側(cè)回風(fēng)誓，致使流場(chǎng)大繁范圍內(nèi)受出流岸條件干預(yù)較少方，托故違A治類(lèi)喝及誰(shuí)C茫類(lèi)都能滿足出及口流量及射流負(fù)的充分，蕩而武B晨類(lèi)大體上能滿港足該要求，但夫仍不能使出流筍充分，故射流門(mén)衰減上有差延異植(撞圖饞5汪中半4鵝)萌，這種差異隨震著出流口位置召接近入流口而煩增加。厘R宵W2辦=0.875燭,虎A廟類(lèi)出口邊界郵R坊W2奪=0.325景,鏈A辨類(lèi)出口邊界輝R湖W2采=0.125獲,貓A顆類(lèi)出口邊界悅圖嗚4動(dòng)兇空腔內(nèi)流場(chǎng)分漏布的部分結(jié)果

鉆(仆Re排Inlet繼=200,膠R秩HL獲=1.0,穿R愉W2于=0.12巷5姑～露0.875)鉤1A堡類(lèi)出口邊界取2既B意類(lèi)出口邊界材3C枕類(lèi)出口邊界提4Rw1=蓮0.12彼5棋時(shí)三類(lèi)不同出稻口邊界討圖蝕5夜障入口中心水平訪軸線射流速度泊分布比磨較疤(脈1,2,偏3,4)富4潤(rùn)秤非等溫送風(fēng)及蜘分析者室內(nèi)分布熱源獅，且熱源的位乘置發(fā)生變勇化爺(括熱源最左端距籍離左墻的垂直棍寬度耀為妻0炎、退1/4慘L闖、箱2/4炒L醫(yī)、卷3/4岡L慨等四種類(lèi)舞型欠)據(jù)，熱源長(zhǎng)罵度覺(jué)L奉H澡取和為把1/4悠L曠；回風(fēng)口位置土固定于左墻或盯右墻角面毫(積圖曬1塘，即非等溫情膠況下的兩種常聲見(jiàn)的送回風(fēng)形南式，同側(cè)送側(cè)蒼回及異側(cè)送側(cè)莊回討)截，現(xiàn)在分別討竹論這兩種情況甲。璃4.1深丘同側(cè)送側(cè)回呈按驕圖貍1艦所示，出口位者置位于左邊界蔽，高度撐為哪H醫(yī)1綱,方匪出風(fēng)口風(fēng)擱速墓U怪Outlet滴1譜按釘A斧、品B雹及貌C蹄三類(lèi)條件給定端。出風(fēng)口位置擦、空腔幾何形勢(shì)狀由參難數(shù)己R比W1返(耳(他H滋W1猜+H莊In鑒)/H擦)光、恒R使HL政(H/L得)源設(shè)定曉為菠0.12施5屋及涉0.孫5俱，因?yàn)樯瞎?jié)的嚴(yán)分析發(fā)現(xiàn)，該宅位置容易引起借氣流輸運(yùn)短路陳。熱源強(qiáng)度設(shè)亞為誕Ra=10線6筆，入流雷諾數(shù)超取蓬Re弟Inlet朋=50紀(jì)0夸。陸如咐圖土6綢所示為不同熱古源位置時(shí)所獲退得的溫度場(chǎng)分尤布，可以發(fā)現(xiàn)集隨著熱源的右氣移，腔體內(nèi)溫含度水平普遍增蹤高，這是由于坦熱源的熱量為柄氣流對(duì)流輸運(yùn)今所帶動(dòng)，并且觀更加容易融入判腔體內(nèi)的對(duì)流翼運(yùn)動(dòng)，這樣給箭出口動(dòng)量邊界塌的設(shè)置也增加薄了難度；而熱拿源在入口附近嬸時(shí)，也同樣出恰現(xiàn)了問(wèn)題，尤卻其對(duì)籃于決B索類(lèi)邊界條件。僻圖玉7美可以論證這一戰(zhàn)觀點(diǎn)的合理性刻。濕熱源距離左乏墻品0敢熱源距離左鞏墻遲1/4L好熱源距離左間墻炮2/4L蠟熱源距離左螞墻喉3/4L乞圖崖6嚇塘不同熱源位置扯時(shí)熱場(chǎng)分布情塌況

灑(胳R帝W1旬=0.125蝴,Ra=1槐0少6她,Re繩inlet置=500,博民出口外選繭A煌類(lèi)邊奔界頑)歷熱源距離左第墻絮0練熱源距離左貴墻貢1/4L葡熱源距離左齊墻促2/4L熊熱源距離左蛙墻沉3/4L究圖數(shù)7世鹿不同熱源位置風(fēng)時(shí)入口中心軸柜線的速度衰減

蒜(葬R徐W1速=0.125轉(zhuǎn),Ra=1宿0滔6楊,Re櫻inlet碼=500,薪門(mén)出口療選態(tài)A席、爹B噴或印C蹤類(lèi)邊甲界壯)豎4.2接怕異側(cè)送側(cè)回嘗按寒圖瑞1拘所示，出口位諒置位于右邊界老，高度奉為介H撕2例,等太出風(fēng)口風(fēng)綢速綱U償Outlet滴1熟按寒A叼、釀B琴及百C混三類(lèi)條件給定連。出風(fēng)口位置泥、空腔幾何形玻狀由參殼數(shù)檢R塊W2瓜(在(橫H受W2汪)/H拒)枯、齊R志HL扯(H/L出)手設(shè)定竭為足0.12賤5婦及挺0.賺5頭，因校為隸3.牛2賺節(jié)的分析發(fā)現(xiàn)霜，該位置容易腦引起氣流輸運(yùn)返短路。熱源強(qiáng)授度設(shè)評(píng)為歷Ra=10誤7矮，入流雷諾數(shù)李取些Re凝Inlet講=50藍(lán)0夕。暗如焰圖逢8摸所示為不同熱顫源位置時(shí)所獲言得的溫度場(chǎng)分姓布，由于氣流闊穿越空腔上部粗，可以發(fā)現(xiàn)盡豐管隨著熱源的倉(cāng)右移，腔體內(nèi)欠溫度水平基本懇不變，熱力驅(qū)椒動(dòng)僅在局部產(chǎn)宰生作用，這樣辟給出口動(dòng)量邊魚(yú)界的設(shè)置應(yīng)該嘆不會(huì)受熱源位提置有太大的影饑響。斧圖交9嗎可以論證這一緒結(jié)論。從成圖國(guó)9閣可以看到，除譽(yù)了熱源靠近入望流口位置，其盯他情形，邊界體條件的選取對(duì)僑射流影響并不支大，但寺是創(chuàng)A加類(lèi)剪及稿C切類(lèi)基本較接近鈔，錦而腹B階類(lèi)有些差異，撒這一點(diǎn)更主要悲地反映在熱源岡離左墻最近時(shí)困的射流分布情燃形。夫熱源距離左伴墻某0伏熱源距離左都?jí)Χd1/4L既熱源距離左歐墻蘇2/4L話熱源距離左蛋墻逝3/4L池圖枝8溪廳不同熱源位置抖時(shí)熱場(chǎng)分布情車(chē)況

窩(另R夫W1襪=0.125講,Ra=1港0深6洪,Re吳inlet役=500,接淡出口渴選獵A購(gòu)類(lèi)邊獅界蘆)隱熱源距離左私墻電0售熱源距離左燈墻劑1/4L亦熱源距離左齒墻愈2/4L享熱源距離左企墻夏3/4L皇圖軟9東眨不同熱源位置間時(shí)入口中心軸抵線的速度衰減

意(瘋R館W2腎=0.125瘡,Ra=1敘0吐7達(dá),Re碧inlet打=500,講度出口酷選欠A臟、貪B燥或折C錢(qián)類(lèi)邊適界希)參考文獻(xiàn)衡[1]Sa帶niRL肥