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)口動量邊界條件、熱源位置等的關(guān)系。從這些數(shù)值模擬實踐中總結(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引言實際工程問題中大量存在通風(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)測迅速、信息量大、成本低等特點，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[1]指出，對出口邊界條件作如下定性要求：(1)應(yīng)當(dāng)對出口邊界附近，尤其是離開出口邊界較遠處的流場沒有影響；(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算區(qū)域而盡可能少地反射回來；(3)無論設(shè)置在何處，應(yīng)對其他區(qū)域中的數(shù)值解沒有影響。關(guān)于通常計算區(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、對流邊界條件等?？傊?，針對各類不同的情況，對出流邊界條件提出了各種不同的要求或看法，其中文獻[3]對此有較好的總結(jié)：當(dāng)出口邊界上無回流時，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，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τ谇惑w或建筑室內(nèi)通風(fēng)的模擬及計算，出口邊界處理存在特殊的困難，即是否回流不能簡單地依經(jīng)驗判別；室內(nèi)出風(fēng)口位置距送風(fēng)口位置過近，容易引起氣流輸運短路，導(dǎo)致射流過程不充分；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)系卻鮮見于各類文獻和技術(shù)資料之中。本文即以此為出發(fā)點，并以各類實例及分析予以說明和探討。2物理及數(shù)學(xué)模型的簡單描述現(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(面積熱流強度為Q0)長度為LH；出回風(fēng)口具體的位置關(guān)系由圖1的HW1、HW2給定。為了簡化分析，僅討論最簡單的二維空氣對流問題，即認(rèn)為流場內(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?；谶@些假設(shè)，基本流動控制方程為Navier-Stokes方程及能量方程。滿足質(zhì)量守恒、動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作為長度、速度及溫度的特征尺度，具體參數(shù)的無因次化及獲得的無因次控制參數(shù)按如下方法進行：(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)、動力粘度、熱擴散系數(shù)及熱膨脹系數(shù)等熱物性參數(shù)。速度邊界條件：壁面上取無滑移條件(速度矢量為零)；送風(fēng)口取定值；出風(fēng)口有三類取法：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)點插值方法給定或令二階導(dǎo)數(shù)為零：{φ=UOutlet,VOutlet}康顯而易見尸，邊界處觸理辦法值由挺A艱至螺C補，逐漸復(fù)修雜，即出拼口邊界數(shù)森值需更多哲的流場內(nèi)靈節(jié)點來給謝定。市溫度邊界往條件：入章口及熱源街按定值給井定，其他坐都按絕熱制邊界處理堪。狗按上述無拍因次辦法多，可以將傲入口速度域及熱源熱悅邊界簡化歌為：淹U劇In叼=Pr·隸Re智Inle侍t害·H/H合In鹿,(R隙e聚Inle諸t兩=u奮in駐·H煎in毛/慢ν水)孟2.1頭今離散及計柔算方法貼控制方程須組驗(2)-猶(5么)桌的離散采嘗用控制容帥積法嗚[4]驚，速度控廁制容積與區(qū)壓力、溫旺度控制容們積交錯布付置；方程裙組中對流努項采衡用末QUIC那K治格式，擴赤散項采用等中心差分惜格式。各攜離散代數(shù)哭方程的內(nèi)糾迭代采用攤?cè)龑顷嚳缢泔灧ㄇ?TDM歐A綿)練和逐點松當(dāng)弛斃法醫(yī)(SOR必)獵相結(jié)合的償逐線松弛匪算央法各(Suc賢cess虛ive炮Line周arU晉nder壤Rel耽axat追ion飼)頓；動量方嘴程與壓力擁修正方程臟的耦合采市用暮SIMP舍L獸E表思想升[4]仰。威3聽壇等溫送風(fēng)騰及分析飼等溫情況喘下有兩種慣常見的送浮回風(fēng)形版式展(踩同側(cè)送側(cè)覺回、異側(cè)醉送側(cè)娛回惑)砍，現(xiàn)在分軌別討論這常兩種情況螺。廊3.1北方同側(cè)送側(cè)食回豈按芽圖杏1錘所示，出仔口位置位導(dǎo)于左邊界騾，高度宿為群H船1冷,郵胃出風(fēng)口風(fēng)筋速終U魔Outl灶et1省按作A譜、外B河及良C扶三類條件狐給定。出尚風(fēng)口位置匪、空腔幾途何形狀由蔬參畢數(shù)坦R獎W1答(避(姿H猛W1勁+H術(shù)In框)/H唇)疫、膚R喊HL皂(H/L決)工設(shè)定。艙R救W1糠=0.8魄75,魔A僵類出口邊球界僚R鑒W1終=0.庸50,氧A晶類出口邊況界似R屯W1親=0.3描25,勤A礎(chǔ)類出口邊窄界婆R囑W1可=0.2橡5,猜A慢類出口邊鼻界跨R兇W1濫=0.2批5,馬B邁類出口邊店界刷R批W1綠=0.2糊5,塔C誓類出口邊難界摔R攤W1由=0.1恰25,澆A修類出口邊咸界驚R秧W1影=0.1客25,碧B禮類出口邊耕界鍵R跟W1率=0.1酷25,贊C岔類出口邊元界永圖切2曾溫空腔內(nèi)流市場分布的繁部分結(jié)治果陣(赴Re輕Inle剪t集=200隨,R銀HL白=1.0繼,R霜W1鳳=0.1猾2濁5帝～辱0.87浪5)釣為便于分牽析，蝕令寄H納1席等樂于妨H上In趙(比未作特別穗說明，下扎同閃)略，這樣計利算了定入撲口雷諾籃數(shù)胖(傭Re供Inle排t陽=200更)斃下方形空兩腔盞(逃R懸HL譯=1.0紗)惠內(nèi)不同出遼風(fēng)口位若置壺(沃R狐W1劈=0.1燕2乘5所～胖0.87限5賀)帳的流場，哈如束圖寒2昏所示。察首先，出勒流口位置慌參數(shù)臟取姓0.87翁5診，出流邊爪界右按棗A眨、今B準(zhǔn)或尺C棗類方法都搞能使流場結(jié)發(fā)展充腰分鼠(爬由緞圖責(zé)3活，三種情籃況下軸向企射流分布伶相由同義)主，完全是藝由于出流善口遠離入猾流口、對剩核心流場夾影響小所文致。當(dāng)出治流位置稍辛微上移以逃靠近入流表口，情況餡基本相同售(褲R籮W1饅=0.泥500放)牢，即出流碑邊界謀按擴A妖、昨B耽或匠C譽類方法時警軸向射流閃分布相刑同列(漸圖忠3飛)鼠；這種情霸況一直持角續(xù)鋸到指R貌W1賺=0.樂32辯5酬。舒當(dāng)龍R調(diào)W1軌=0.報25備0漸時，即出掃流口邊界油條件的不縮同取法對壺流場結(jié)構(gòu)碎開始產(chǎn)生槽細(xì)微影響叫：盡管三減種方法不科同，但都奧保證了該姓位置出流卻時入口射腳流的最充擺分普(誼圖緒3巾中看1突，奉2增及糧3偏)臨；但采用破方祥法決B患時，出流沃流量并不撇充麗分除(啟圖菌2階)抬，可專見熟B撥類邊界在優(yōu)此時應(yīng)慎鄭用。繞當(dāng)身R趣W1倒減到最小治時推(0.1才25棍)瞎，采用方欠法歪A慧做出流邊升界，發(fā)生箏了很強的圓氣流短路條現(xiàn)暈象渣(療圖呆3百中斗4由)側(cè)，謠而邪B恢類方法可湖以保證入南口射流充符分心(飄與鐘R虜W1斑=0.泉25顫0術(shù)時的相孟同趟)孤，但出流謝流量并不刺充分攀。造C底類方法居駝于兩者之克間。這說牙明，對于椒出流邊界粗條件的選無取，不能這盲目地照粉搬，而是窯需要系統(tǒng)垃全面地權(quán)堪衡。地1終A騾類出口邊諒界氏2雄B部類出口邊浩界鑄3宣C柜類出口邊藝界愁4Rw鼻1=0.鋪12估5口時三類不久同出口邊疊界僅圖脊3鮮耕入口中心厲水平軸線惡射流速度悶分布比鑒較夾(惑1,2孫,3,己4)把3.2嶼御異側(cè)送側(cè)子回傘按仙圖捉1殘所示，出瘡口位置位廈于右邊界罪，高度揮為兵H印2尿,彩句出風(fēng)口風(fēng)跳速分U宜Outl擊et1莊按沒A升、汪B青及疊C加三類條件點給定。這閱樣計算了鍵定入口雷草諾紅數(shù)卡(辟Re愧Inle千t斃=200他)雷下方形空近腔歲(栽R脾HL鑰=1.0散)騰內(nèi)不同出悉風(fēng)口位符置印(衡R輝W2白=H銳W2招/H=盞0.12滋5物～悔0.87住5墨)惰的流場，筍如失圖敵4物所示。筒由于異側(cè)將回風(fēng)，致快使流場大球范圍內(nèi)受殼出流條件早干預(yù)較少集，覺故才A揚類甩及鹽C謎類都能滿傍足出口流稍量及射流恢的充分，棄而儉B貢類大體上艇能滿足該登要求，但叼仍不能使忽出流充分濟，故射流某衰減上有矩差挽異牌(喚圖拿5茄中碧4唐)罷，這種差嗚異隨著出宴流口位置嚷接近入流呼口而增加幻。管R狗W2速=0.8摸75,雖A息類出口邊烏界她R咱W2毫=0.3朗25,改A內(nèi)類出口邊范界辟R社W2貓=0.1泄25,江A洗類出口邊容界梨圖登4較蛾空腔內(nèi)流礙場分布的衫部分結(jié)休果姐(決Re缸Inle究t朋=200式,R劫HL趕=1.0可,R竄W2絡(luò)=0.1銷2鋸5摔～衛(wèi)0.87趟5)剝1浸A方類出口邊澆界休2簡B倉類出口邊倦界寧3列C事類出口邊如界傭4Rw另1=0.糞12棋5懂時三類不蠶同出口邊錢界襯圖樓5螺尤入口中心穴水平軸線罵射流速度嶄分布比宅較奮(襖1,2軋,3,牽4)綢4摩河非等溫送稅風(fēng)及分析肉室內(nèi)分布松熱源，且篇熱源的位斧置發(fā)生變讀化道(晃熱源最左害端距離左安墻的垂直墾寬度傅為倦0嚼、裙1/4邁L踐、列2/4澆L遍、問3/4章L聽等四種類學(xué)型水)肚，熱源長照度曠L揭H坐取細(xì)為霸1/4幻L徒；回風(fēng)口形位置固定筒于左墻或世右墻緞面織(緣圖柿1帥，即非等統(tǒng)溫情況下瞞的兩種常含見的送回斜風(fēng)形式，金同側(cè)送側(cè)芝回及異側(cè)吼送側(cè)組回蹤)域，現(xiàn)在分床別討論這梳兩種情況鳥。庫4.1皺昨同側(cè)送側(cè)嬌回牽按而圖帶1嫩所示，出沾口位置位擊于左邊界沿，高度宇為拳H鉗1期,稱抖出風(fēng)口風(fēng)仇速原U適Outl叮et1山按童A脹、顯B奔及決C淚三類條件截給定。出嘆風(fēng)口位置妻、空腔幾扯何形狀由眼參湖數(shù)罰R梢W1機(獨(混H溉W1蝦+H必In傻)/H財)戒、啄R決HL冊(H/L帥)石設(shè)定像為扶0.12憐5兆及鐵0.盯5帶，因為上噸節(jié)的分析工發(fā)現(xiàn)，該撫位置容易燕引起氣流膊輸運短路勻。熱源強補度設(shè)揀為借Ra=1糧0蠻6瞇，入流雷搏諾數(shù)據(jù)取尼Re崗Inle口t宴=50勒0員?；娜缭搱D劉6備所示為不歷同熱源位妨置時所獲吧得的溫度厲場分布，鄰可以發(fā)現(xiàn)激隨著熱源蜂的右移，兇腔體內(nèi)溫踏度水平普懂遍增高，捧這是由于辛熱源的熱鏈量為氣流哀對流輸運江所帶動，遣并且更加磁容易融入餃腔體內(nèi)的沈?qū)α鬟\動堂，這樣給呆出口動量霜邊界的設(shè)不置也增加罩了難度；承而熱源在舒入口附近極時，也同滋樣出現(xiàn)了榴問題，尤剝其對價于喂B榆類邊界條婦件。砌圖期7敢可以論證謎這一觀點母的合理性怎。金熱源距離忌左犯墻紙0拋熱源距離腥左帆墻羨1/4L釀熱源距離扔左授墻無2/4L都熱源距離念左遷墻今3/4L否圖礙6演狼不同熱源劃位置時熱州場分布情阻況巾(猴R蠅W1杯=0.1爺25,塘Ra=1嫩0邁6墨,Re殃inle略t瞧=500疾,采茄出口紫選內(nèi)A準(zhǔn)類邊興界獻)靈熱源距離途左巾墻葵0里熱源距離嫌左招墻少1/4L般熱源距離童左齒墻富2/4L京熱源距離請左犁墻衡3/4L唐圖究7隙譯不同熱源盆位置時入儲口中心軸已線的速度戚衰村減逢(織R注W1呼=0.1貍25,暈Ra=1用0穩(wěn)6句,Re大inle月t難=500岔,迫取出口老選檔A煌、就B葉或目C敲類邊掉界扣)暴4.2智萌異側(cè)送側(cè)漢回鏟按抖圖軌1潛所示，出察口位置位色于右邊界膚，高度技為蘿H豐2宣,莖還出風(fēng)口風(fēng)牛速盆U迅Outl慈et1沒按少A匙、魂B御及魚C作三類條件君給定。出斃風(fēng)口位置嚷、空腔幾叮何形狀由敏參版數(shù)醫(yī)R袖W2落(圣(乒H選W2方)/H年)資、孝R絡(luò)HL迫(H/L池)筋設(shè)定雙為雷0.12養(yǎng)5攝及蹤0.停5脂，因虎為除3.吧2蝶節(jié)的分析輸發(fā)現(xiàn)，該梨位置容易農(nóng)引起氣流考輸運短路框。熱源強享度設(shè)撐為栗Ra=1蛾0渡7恩，入流雷羽諾數(shù)綿取愈Re面Inle蔑t迷=50離0樣。次如順圖損8漠所示為不續(xù)同熱源位藝置時所獲艘得的溫度烈場分布，辰由于氣流冷穿越空腔鏟上部，可逗以發(fā)現(xiàn)盡燥管隨著熱前源的右移掏，腔體內(nèi)抱溫度水平斃基本不變率，熱力驅(qū)琴動僅在局駁部產(chǎn)生作問用，這樣腦給出口動軍量邊界的涼設(shè)置應(yīng)該旬不會受熱吃源位置有材太大的影個響。禮圖合9扣可以論證取這一結(jié)論浴。從舒圖梳9敘可以看到捷，除了熱攻源靠近入揚流口位置擠，其他情路形，邊界刑條件的選擦取對射流藍影響并不利大，但腎是燈A勤類送及制C承類基本較喘接近，載而魄B擺類有些差跨異，這一寸點更主要禿地反映在孕熱源離左毀墻最近時嘗的射流分遍布情形。巾熱源距離鞋左飛墻雅0訊熱源距離霉左休墻惑1/4L鞋熱源距離睜左沖墻僅2/4L轟熱源距離悲左匪墻脊3/4L抹圖施8烤熄不同熱源劃位置時熱付場分布情斗況巨(籌R脂W1叼=0.1咱25,魯Ra=1卡0且6程,Re命inle隔t層=500吩,圈日出口互選加A鋸類邊聾界館)較熱源距離掉左象墻杏0期熱源距離是左塊墻協(xié)1/4L鈴熱源距離交左德墻黨2/4L距熱源距離爽左妨墻屠3/4L昆圖盒9樸王不同熱源群位置時入亮口中心軸劫線的速度遲衰鉗減根(嗚R吼W2債=0.1帝25,思Ra=1第0狹7耐,Re趣inle結(jié)t競=500究,續(xù)排出口乞選概A抖、些B顏或車C塵類邊聯(lián)界演)參考文獻帆[1]繭Sani菠RL功,Gr條esho肢PM弄.Re