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：隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，高大空間建筑作為一種建筑形式越來越常見，而隨著帶來的一個問題即是此類建筑的空調(diào)設(shè)計與驗證的問題?？沾罂臻g建筑由于體積較大，采用常規(guī)建筑適用的集總參數(shù)法來設(shè)計往往會帶來較大的誤差，在這個背景之下，如何驗證已有的設(shè)計則有了特別的意義。本文正是以某車站候車大廳這一典型高大建筑作為研究對象，采用CFD模擬方法對其內(nèi)部溫度、速度場進(jìn)行了具體分析，并根據(jù)模擬結(jié)果對現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行評價，提出修改意見供設(shè)計人員參考。關(guān)鍵字：CFD，熱環(huán)境，高大空間建筑引言分層空調(diào)是高大空間典型的氣流組織方式，然而在其設(shè)計中存在著一個驗證的問題—即在設(shè)計階段去了解所取參數(shù)是否能夠滿足設(shè)計要求的問題。驗證問題對于空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計十分重要，不合理的參數(shù)可能會導(dǎo)致兩個問題：一是空調(diào)系統(tǒng)無法保證舒適性要求；另一個則是舒適性得到滿足而節(jié)能性較差。驗證問題實質(zhì)上是一個預(yù)測問題：即在空調(diào)系統(tǒng)尚未安裝之前預(yù)測該系統(tǒng)所造成的高大空間的熱環(huán)境能否滿足要求。該問題是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中的共有問題，對于高大空間來說，由于其熱環(huán)境受浮升力影響較大等原因使得該問題相對普通空調(diào)系統(tǒng)來說更加復(fù)雜。越來越多的實例[1][2]證明計算流體方法（CFD）是解決這一問題的最佳選擇。在本文中采用CFD模擬方法對某車站候車大廳——高達(dá)空間建筑的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行分析研究，并根據(jù)模擬結(jié)果對于現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。模擬對象介紹模擬的對象為某鐵路客站候車大廳。候車大廳是某客站主體建筑的主要組成部分。該客站主體建筑由南北的售票大廳及中間的候車大廳組成。（如圖1所示，黃線區(qū)域為南北售票大廳而紅線區(qū)域為候車大廳）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候車大廳平面示意圖候車大廳東西向長度為409.7m，南北向長度為72m,高度為33.95m。如圖2紅線包圍區(qū)域為候車大廳的截面示意圖。圖2候車大廳南北剖面示意圖大廳東西兩端樓梯圍欄周圍設(shè)有置換送風(fēng)口，大廳中部南北相對設(shè)有球形風(fēng)口，屋頂設(shè)有排風(fēng)口。候車大廳東西兩端主要依靠置換送風(fēng)來滿足制冷要求。而在中間部分由于跨度較大，則采用噴口送風(fēng)加機(jī)械排風(fēng)的方式來滿足大空間的空調(diào)要求（如圖3）。圖3候車大廳噴口送風(fēng)加機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)示意圖機(jī)械排風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合的混合系統(tǒng)的設(shè)置可排除余熱、降低上部空氣溫度和屋頂內(nèi)表面溫度，以減少非空調(diào)區(qū)向空調(diào)區(qū)的對流熱轉(zhuǎn)移和輻射熱轉(zhuǎn)移，從而減少空調(diào)區(qū)冷負(fù)荷達(dá)到節(jié)能效果。CFD模型模型的簡化3．1.1典型區(qū)域的選取由于候車大廳建筑尺寸相對較大、風(fēng)口較多，對整個候車大廳進(jìn)行CFD建模將由于網(wǎng)格數(shù)太多而使計算量非常大，并不現(xiàn)實，因此考慮分區(qū)建模。東端區(qū)域扮候車大廳東西炮兩端的置換通罷風(fēng)風(fēng)速較低，靠對中間段影響騰區(qū)域較有限而鼻中間段球形噴捉口分布較規(guī)律則，因此在模擬知可只取候車大過廳東西兩端及剩中間段典型單翁元區(qū)域來代替漲整個候車大廳肝作為研究區(qū)域西。同時考慮到工大廳本身布置世上南北完全對瘋稱而東西段近霞似對稱的特點喪，所有的典型們區(qū)域都可只取福南北向的一半湊來考慮而東西淹兩端可只取一手段作為代表（喚如下圖所示）歡。東端區(qū)域中間段區(qū)域2中間段區(qū)域2己圖稠4CF怪D詞典型區(qū)域選取旦如鏟圖系5真所示，黃色線客包圍的區(qū)域為斥選取的東側(cè)區(qū)麗域（以下簡稱塔為區(qū)菊域余1安），區(qū)秩域擦1傳中同時有置換劑通風(fēng)及噴口送貼風(fēng)的作用就。誰聾粉色線包圍的午區(qū)域為中間段援區(qū)域（以下簡丹稱為區(qū)乓域況2徒），該區(qū)域只管有噴口送風(fēng)作侮用。探觀邊界條件的簡軌化仇采河由于候車大廳朝南北部與售票母大廳相連，而船售票大廳為空巨調(diào)區(qū)域且其送太風(fēng)方式為下送榜風(fēng)，因此可以倍認(rèn)為售票大廳帽與候車大廳之科間沒有任何質(zhì)赴量及能量的交液換。故從簡化炭模型的角度考調(diào)慮可將上述區(qū)他域毛1壺的南邊界面及侮區(qū)鐮域胞2卡，鹽3盾，閃4穩(wěn)的北邊界面均暑設(shè)為絕熱面。墊士模型具體實現(xiàn)藏本文主要采用觀Airpak綠軟件作害為汽CF瘡D畝模擬的主要工孝具灣在使溉用孔Airpa孟k當(dāng)建模過程中室象內(nèi)熱環(huán)境的影發(fā)響要素在軟件提中具體實現(xiàn)方陰式是影響建模寧質(zhì)量的主要問縫題。對于候車根大廳熱環(huán)境來韻說，最主要的乳影響要素有：粱置換及噴射送歇風(fēng)，屋頂排風(fēng)么系統(tǒng)以及太陽游輻射影響。下皺面將分別進(jìn)行顛討論。殃置換、噴射送夢風(fēng)及屋頂排風(fēng)血系統(tǒng)的模擬實盒現(xiàn)害所謂送排風(fēng)系早統(tǒng)的實現(xiàn)，俘在張Airpa累k牢中實質(zhì)上就是境送排風(fēng)口的實痛現(xiàn)。臘在伸Airpa委k并中，可模擬風(fēng)失口的模塊主要較有較Openin信g糞s昨，鎖vent予s俱及葬fan鐮s甚。其喜中催openin頂g脈可模擬計算區(qū)笨域內(nèi)或邊界處進(jìn)的送排風(fēng)口，效用戶可設(shè)定風(fēng)扯口的出風(fēng)溫度錄，速度及靜壓傘；刻vents盛尼可以模擬計算旺區(qū)域邊界處的既送排風(fēng)口，它皮所定義風(fēng)口可梢視為自由入口花或出口，在模殺擬中會根據(jù)風(fēng)壽口處的壓力降拘來自動計算風(fēng)激量準(zhǔn)；兔fan鈴s位主要模擬送排糞風(fēng)機(jī)，分為兩稅種，一種為定甜流量風(fēng)機(jī)，用攻戶可直接定義晃風(fēng)機(jī)的體積或引質(zhì)量流量，對屬于送風(fēng)口來說乘還可定義其出浸風(fēng)溫度，另一每種為變流量風(fēng)泄機(jī)，用戶可定賄義風(fēng)量與風(fēng)口方靜壓之間的關(guān)翼系。躲肢彼對于置換、噴謙射風(fēng)口來說，否由于其位于計田算區(qū)域的內(nèi)部銷且需要定義其寧送風(fēng)溫度與速乘度，所以可采美用布Openin紗g餓s鉛來進(jìn)行模擬；忽而對于排風(fēng)口址來說，由于其跨位于計算區(qū)域壞的邊界處，且悼只需要定義其去排風(fēng)量而無需冬定義其排風(fēng)溫退度，故采健用雜fan儉s量來模擬較為合艱適。背2)劉匹太陽輻射的模慮擬實現(xiàn)規(guī)在搜Airpa工k制中本身自帶有誕相應(yīng)的太陽輻條射模塊制即籮Solar漸LoadM鹽ode毛l追。在該模塊中賓，用戶首先需豆要定義建筑所掌在地區(qū)的經(jīng)緯浸度信息、模擬勇日期及輻射相頃關(guān)參數(shù)如入射攜角度等。然后升對于計算區(qū)域遙內(nèi)所有對象，董用戶可定義該衰對象的太陽輻戴射特性。在模療擬中孝，細(xì)Airpa從k便會根據(jù)地區(qū)所融在位置，模擬喪時間及輻射參類數(shù)等計算出模段擬時間建筑所醋在地區(qū)的太陽進(jìn)輻射量，同時阿根據(jù)計算區(qū)域忍內(nèi)對象的太陽余輻射特性來分守別考慮太陽輻幼射對該對象附緞近熱環(huán)境的影蔬響。皂然而在實際模毯擬過程中以，蘿Solar語LoadM分ode揀l談的實際效果并瞎不理想，模擬茅的結(jié)果與現(xiàn)實轉(zhuǎn)的差距較大。返因此在本文中渠考慮使用間接療模擬的方式。犧具體方法如下寬：蹦關(guān)蹦首先通棄過欄Airpa驅(qū)k完自帶的宏命令唉中撿的艱Solar勞Flu歪x賴工具，輸入激所在地區(qū)的經(jīng)摔緯度信息、模蜓擬日期等參數(shù)伍以直接獲得所捧在地區(qū)的太陽鹽輻射強(qiáng)度相關(guān)蒼參數(shù)。然后在博計算區(qū)域中需鋼要考慮太陽輻警射的邊界處設(shè)宋置邊界條件為醒自定義外熱流獨，而外熱流的澇強(qiáng)度則設(shè)為計崖算得到的太陽褲輻射強(qiáng)度。法模擬結(jié)果證明督采用這種模擬遇方式得到的結(jié)流果相較董于手Solar鏡LoadM敞od借e刮的結(jié)果要更為奔接近實際過程作。但需要指出些的是對于采用燙這種方法時需壺對相應(yīng)邊界處億的網(wǎng)格細(xì)化，壘否則可能會在礙邊界出現(xiàn)不真火實的高溫區(qū)域廳。曾4嚴(yán)．描打模擬結(jié)果分析礦4.1詢還區(qū)勒域彼1野區(qū)域名1清的平面示意圖便如鵝圖即1菜7烏所示。母圖罷5膠秀區(qū)殼域嗎2考平面示意圖篩豎直面溫度分禁布管圖蔥6老賤區(qū)鏈域潔2X=帳12m脂橫截面溫度分棵布云圖戒圖乞7醫(yī)枕區(qū)拖域劉2X=中44m然橫截面溫度分轟布云圖兼圖烤8測厲賴區(qū)李域訴2X=鋒66m古橫截面溫度分海布云圖全圖犧9嫌蠶區(qū)劈域出2X=卡80m幫橫截面溫度分嶼布云圖廟從以上豎直橫臭截面的溫度分馬布我們可以發(fā)籌現(xiàn)：區(qū)域羨2縮呈現(xiàn)隨噴口送懇風(fēng)方向的溫度到梯度。在置換夜通風(fēng)風(fēng)口附近趕垂直方向上的車溫度分層比較冰很明顯，而在馳其他位置基本郵沒有垂直方向策的溫度分布。輝水平面溫度分耐布怎圖臟10趴慨區(qū)猶域柏2Z=脅1.5m夜鐘溫度橫截面分小布云圖綢從以上水平橫奧截面的溫度分辱布我們可以發(fā)單現(xiàn)：人員活動餅區(qū)域的水平面割從北到南溫度脫值逐漸變大，葬南部局部溫度廉甚至?xí)_(dá)到揮30篇℃異，古這主要是因為豬噴口送風(fēng)制冷怪導(dǎo)致送風(fēng)方向秧的溫度梯度。擊而置換通風(fēng)的犁效果不是很明龜顯。速度分布蔥圖抄11詢驕區(qū)亦域兼2Z=掩1.5m答橫截面速度矢過量圖瓣從以上速度分文布的平面圖可像以看出，區(qū)域扒2夏人員活動區(qū)域桑的平面內(nèi)，各信位置風(fēng)速相對犁于區(qū)域馬1堆較小，噴口送計風(fēng)對其速度場暗的影響不是很勇明顯。而置換緒通風(fēng)風(fēng)口對其勞附近流場影響濾較大，附近最也大的風(fēng)速接近紹0.7m降/槽s喬，仍大于置換怪通風(fēng)舒適性要茂求，可能會導(dǎo)賊致產(chǎn)生吹風(fēng)感席。而噴口送風(fēng)擴(kuò)區(qū)域風(fēng)速基本且都小于鄭0.1m輛/牧s默，滿足舒適性味要求。目4.2穗遍區(qū)宏域蝕2沫區(qū)域何2景的平面示意圖罩如笨圖煩2依7農(nóng)所示。茂圖應(yīng)12胳郵區(qū)服域次3鉗平面示意圖悅豎直面溫度分寬布況圖償13捕派區(qū)炊域滾3X=繁0轉(zhuǎn).5窮m即橫截面溫度分群布云圖但圖瓣14裙遼區(qū)擺域啄3漫X挖=格4m害競橫截面溫度分誕布云圖盤圖鉛15掛碼區(qū)沒域拖3X=讓8m筍橫截面溫度分屈布云圖圍圖畏16紀(jì)毫區(qū)梅域突3X=朋12m搞橫截面溫度分柜布云圖喂圖黑17音膛區(qū)霞域澡3X=歸16m紛橫截面溫度分產(chǎn)布云圖麻圖雹18仁墻區(qū)牌域說3X=貴20m捐橫截面溫度分菊布云圖竊從以上豎直橫峽截面的溫度分蜓布我們可以發(fā)尖現(xiàn)：區(qū)域膠3挺豎直方向溫度產(chǎn)分布在局部出掏現(xiàn)了倒置，即容上部區(qū)域的溫碗度反而低于下征部區(qū)域的溫度鬼，說明送風(fēng)沒馳有與周圍空氣寄進(jìn)行充分的熱仍交換，也就會狂造成供應(yīng)的冷廈量沒有得到充史分的利用。分賀析其原因，可司能是由于該部再分噴口送風(fēng)風(fēng)講速較低，送出發(fā)的冷空氣受室獲內(nèi)負(fù)荷影響直錫接上升。岡水平面溫度分深布數(shù)圖拉19露蠻區(qū)侵域蝦3Z=升1.5m殖橫截面溫度分圍布云圖丙從以上水平橫鈔截面的溫度分月布可以發(fā)現(xiàn)：騎區(qū)域員3亦人員活動區(qū)域粱的水平面溫度孤大致隨噴口送額風(fēng)方向?qū)哟畏之a(chǎn)布，噴口送風(fēng)翼效果較為理想再。速度分布棒圖望20閃降區(qū)蒙域把3Z=舌1.5m掩橫截面速度矢處量圖女從以上速度分壞布的平面圖可很以看出，區(qū)域弱3商人員活動區(qū)域咳的風(fēng)速大部分沖區(qū)域小于馳0.5m管/宮s最，局部區(qū)域滲會達(dá)到初0.6m縱/滅s貧以上，總體而煩言風(fēng)速滿足舒腦適性要求。結(jié)論財通過簡CFD訓(xùn)模擬分析，候同車大廳空調(diào)送艘風(fēng)系統(tǒng)基本能伸滿足大廳內(nèi)的重溫度、速度要鴿求和舒適度要陡求，但也存在膛以下的幾個問豬題：偏1咬)撕筍置換通風(fēng)區(qū)域數(shù)與噴口區(qū)域之序間的局部區(qū)域執(zhí)可能會出現(xiàn)較拋高的溫