分區(qū)通風(fēng)氣流組織cfd模擬研究

分區(qū)通風(fēng)氣流組織cfd模擬研究

0空調(diào)氣流組織方案由于計(jì)算機(jī)的批處理和高度的改進(jìn)以及計(jì)算水流（cpd）的發(fā)展，使用cpd方法逐漸在大型建筑面積的環(huán)境設(shè)計(jì)中推廣，解決了室內(nèi)氣流組織、熱環(huán)境等問題。本文針對體育館設(shè)計(jì)使用的分區(qū)送風(fēng)的空調(diào)氣流組織方案,采用Fluent公司推出的專用軟件Airpak2.0對某體育館內(nèi)的溫度場和速度場進(jìn)行了數(shù)值模擬;并對模擬結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析,可供大中型多功能室內(nèi)體育館的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。1室內(nèi)高爾夫球場省際圖1為某體育館外觀圖,它的比賽大廳包括比賽區(qū)和觀眾席(看臺),也是該體育館的核心。該體育館舉行過各種球類比賽以及大型演唱會,可容納6600人,是中型綜合性多功能室內(nèi)體育館,屬于高大空間建筑。該體育館設(shè)計(jì)參數(shù)如下:夏季負(fù)荷3100kW,冬季負(fù)荷1570kW;夏季送風(fēng)量399000m3/h,新風(fēng)量117420m3/h,回風(fēng)量281500m3/h;夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26℃,比賽場相對濕度55%,觀眾席相對濕度60%;冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度20℃,相對濕度40%。基于體育館比賽場和觀眾席對溫、濕度的不同要求),設(shè)計(jì)采用分區(qū)送風(fēng)的方式(對觀眾席和比賽區(qū)分區(qū)送風(fēng)和回風(fēng),以適應(yīng)兩區(qū)不同的要求),這種方式多用于大中型綜合體育館、游泳館等。2模型的構(gòu)建2.1旋流斷裂器回采回風(fēng)體育館長95m(x方向),寬85m(z方向),高23.5m(y方向)。如圖2,3所示,比賽場的送風(fēng):頂部設(shè)置3條送風(fēng)管道,共48個(gè)Φ630mm的旋流風(fēng)口,間距為4.5m,觀眾席下方側(cè)壁回風(fēng),x方向設(shè)置16個(gè)1760mm×440mm的回風(fēng)口,間距8m,z方向設(shè)置12個(gè)800mm×440mm的回風(fēng)口,間距5.8m,室內(nèi)回風(fēng)連接空調(diào)機(jī)組回風(fēng)口。觀眾席的送風(fēng)由空調(diào)機(jī)房處理,利用4439個(gè)Φ125mm旋流風(fēng)口座位席下送風(fēng),62個(gè)630mm×500mm的回風(fēng)口設(shè)在屋頂四周的頂棚,間距為3.8m。2.2控制方程式2.2.1物質(zhì)常數(shù)守固定方程連續(xù)方程微元體中流體質(zhì)量的增加=流入該微元體的凈質(zhì)量2.2.2變量守備法微元體中流體動量的增加=作用在微元體上各種力之和2.2.3能量守固定方程微元體中熱力學(xué)能的增加=進(jìn)入微元體的凈熱流量+體積力與表面力對微元體做的功2.2.4標(biāo)準(zhǔn)k-3的雙方程序模式1)湍流動能輸運(yùn)方程2)湍流動能耗散率輸運(yùn)方程2.3濕球溫度和人員負(fù)荷1)外墻、內(nèi)墻、地面、屋頂?shù)谋诿嫫骄鶞囟扔蓪?shí)測數(shù)據(jù)確定。2)頂部送風(fēng)的旋流風(fēng)口送風(fēng)參數(shù)以及座位送風(fēng)口送風(fēng)參數(shù)均由實(shí)測數(shù)據(jù)確定。3)夏季室外計(jì)算干球溫度34.60℃,室外計(jì)算濕球溫度28.60℃。4)人體負(fù)荷按輕勞動強(qiáng)度時(shí),26℃條件下成年男子的顯熱散熱量60.5W/人計(jì)算;人員總負(fù)荷為310244W,根據(jù)固定座位分布在體育館周圍的觀眾席。盡管體育館多備有臨時(shí)座椅,但是因?yàn)閼?yīng)用情況不能確定,所以不在模擬計(jì)算的考慮之內(nèi)。5)照明總負(fù)荷為261kW,簡化成8組長×寬×高為95m×0.85m×0.25m的模塊,其中6組的負(fù)荷為36kW,2組的負(fù)荷為22.5kW,與風(fēng)管同高。3cpd模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.1a型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)采用美國某大型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集器(2686A),可以運(yùn)行具有20～120個(gè)通道的獨(dú)立數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。2686A型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有最佳的實(shí)驗(yàn)室精度,以及快速變化的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域所需的堅(jiān)固性和靈活性。測量時(shí),把熱電偶與數(shù)據(jù)采集器連接,數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接,用溫度傳感器測量溫度,數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)采集器中,并在計(jì)算機(jī)上輸出數(shù)據(jù)。另外還使用罩式測風(fēng)量儀、紅外測溫儀、阿斯曼溫度計(jì)(干濕球溫度計(jì))、多功能電子微壓計(jì)、熱線風(fēng)速儀等等。3.2測量的邊界條件數(shù)據(jù)3.2.1出風(fēng)溫度及濕度3.2.2頂部旋流風(fēng)口實(shí)測出風(fēng)量為0.331m3/s,風(fēng)速為3.44m/s,出風(fēng)溫度為14.5℃,相對濕度為86%;座位送風(fēng)口風(fēng)量為0.013m3/s,出風(fēng)溫度為20℃,相對濕度為74.3%。3.3將模擬結(jié)果與測量結(jié)果進(jìn)行比較在測量邊界條件的同時(shí)也對比賽場的溫度場、速度場進(jìn)行了實(shí)測;另外根據(jù)實(shí)測的邊界條件對比賽場的溫度場、速度場進(jìn)行了模擬。3.3.1cfd模擬計(jì)算結(jié)果對比實(shí)驗(yàn)測試和CFD模擬計(jì)算的速度比較如圖4所示,可以看出,在距地面1m處比賽場的氣流速度基本一致,具有較為準(zhǔn)確的判斷,模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差范圍小于0.1m/s,CFD模擬計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場測試有很高的吻合度。如果考慮到實(shí)驗(yàn)的條件、儀器精確度的誤差范圍以及各空調(diào)送風(fēng)口風(fēng)量的不平均度,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)據(jù)之間存在一定的差值是可以接受的。如果實(shí)驗(yàn)條件能夠改進(jìn),可以預(yù)見,兩者之間的差值會減小。3.3.2測試的穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)測試和CFD模擬計(jì)算的溫度比較如圖5所示,可以看出,實(shí)驗(yàn)值和模擬值的溫度場誤差極小,在體育館氣流主體區(qū)域相差不會超過1℃,尤其高度接近9m處,溫度增長緩慢,這是因?yàn)樵摬糠謱儆隗w育場館的氣流真空區(qū),熱量較為穩(wěn)定,周圍氣流對該區(qū)域的干擾也較少。由于在底部和頂部區(qū)域的測量存在測試儀器準(zhǔn)確度的誤差,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)據(jù)之間存在一定的差值還是可以接受的。通過對比實(shí)測邊界條件下的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),證明了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,也證明了CFD模擬的可靠性。4碗色、公平的區(qū)域選擇體育館比賽大廳無論規(guī)模大小,通常都具有空間大、比賽場地位置低、觀眾席逐漸升高的“碗型”特征,并且風(fēng)口離空調(diào)區(qū)域(特別是比賽區(qū))較遠(yuǎn)。所謂的氣流組織設(shè)計(jì),就是合理組織通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)的空氣流動,使得室內(nèi)空氣分布令人舒適和滿意。4.1上跨壓口較小,以下回風(fēng)較低,且又較穩(wěn)定,這也與現(xiàn)有氣流組織不符由圖6可以看出,體育館室內(nèi)高度2m以下的速度均在0.5m/s以下,頂部旋流風(fēng)口的實(shí)測出口風(fēng)速在3.44m/s左右,在頂部旋流風(fēng)口和頂部回風(fēng)口的附近區(qū)域速度比較大,而頂部下方高空區(qū)的氣流真空區(qū)氣流流速低,這是因?yàn)轫敳克惋L(fēng)沒有按照設(shè)計(jì)者的主觀想象由觀眾席下部側(cè)壁回風(fēng),而是由頂部回風(fēng),而觀眾席的送風(fēng)卻從下部側(cè)壁回風(fēng),也就是說實(shí)際的氣流組織與設(shè)計(jì)者的主觀意圖不相符。觀眾席前幾排的速度大于后幾排,有的超過0.15m/s,這也是因?yàn)橛^眾席的送風(fēng)由側(cè)壁回風(fēng)口回風(fēng)引起的,后排的送風(fēng)需要經(jīng)過前排才能到達(dá)回風(fēng)口,所以前排風(fēng)速較高。4.2旋流斷口溫度圖7是x=13.8m,z=33.1m處,也即旋流風(fēng)口正下方溫度隨著高度的變化。從圖7可以看出,垂直高度在1m以上處,溫度基本恒定在20.6℃附近,大約在高度20m處溫度開始下降,直至旋流風(fēng)口的出口溫度為14.5℃。對于其他位置如兩送風(fēng)口之間,如圖8所示,在垂直高度20m處溫度開始上升,直至頂棚的壁溫為止,這是因?yàn)樘幱趦娠L(fēng)口之間的斷面,由于旋流風(fēng)口的特點(diǎn),氣流向下射流,在20～23.5m的區(qū)域沒有被送風(fēng)冷卻,而是受到頂棚高溫的影響溫度逐步升高,如圖9所示,陰影區(qū)沒有冷射流冷卻。目前的這種氣流組織,體育館比賽場2m以上和觀眾席距臺階地面2m以上的空間溫度較低,但實(shí)際上這種對多余空間的冷卻是一種能源上的浪費(fèi),如果采取側(cè)送下回的氣流組織方式,可以避免此情況的發(fā)生。4.3熱舒適指數(shù)的模擬結(jié)果和分析4.3.1平均熱感覺指數(shù)pmv式中M為人體能量代謝率,取58.2W/m2;TL為人體熱負(fù)荷,按輕勞動強(qiáng)度、26℃條件下成年男子顯熱散熱量計(jì)算,W/人。4.3.2比賽場采集區(qū)域ppd的分布由圖10可知,比賽場2m以下的PMV分布在-0.3～0.1之間,觀眾席的PMV略高于比賽場,在-0.3左右,總體感覺微冷。由圖11可知,在比賽場2m以下活動區(qū)域的PPD分布是7.5%～15%,觀眾席為7.5%左右。ISO7730對PMV的推薦值在-0.5～+0.5之間,相當(dāng)于允許有10%的人感覺不滿意,所以現(xiàn)場條件下活動區(qū)域的PPD基本滿足設(shè)計(jì)的要求。5分區(qū)黨務(wù)工作有利于滿足用戶舒適性要求5.1模擬預(yù)測了該體育館的氣流組織,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,證明模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,在此基礎(chǔ)上對體育館進(jìn)行深入模擬研究,結(jié)果為觀眾區(qū)PMV為-0.3,PPD為7.5%,基本都能滿足人體舒適性要求。5.2采用分區(qū)送風(fēng)的方式對觀眾區(qū)和比賽區(qū)分別送風(fēng)和回風(fēng),既滿足了比賽要求,又基本滿足了人員的舒適性要求。分區(qū)送風(fēng)的氣流組織能有效地降低體育館室內(nèi)的空氣溫度,溫度場分布比較均勻,但比賽場和觀眾席中人員活動區(qū)域的空氣被冷卻的同時(shí),體育館比賽場2m以上和觀眾席距臺階地面2m以上的非空調(diào)區(qū)域也被冷卻,浪費(fèi)了能量。5.3體育館設(shè)計(jì)工況的模擬數(shù)據(jù)表