空调房间气流组织模拟及优化.docx

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1、毕业设计说明书 作 者： 学 号： 学 院： 系(专业)： 热能与动力工程 题 目： 空调房间气流组织数值模拟和优化 指导者： 讲师 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2012 年 6 月 2 日毕业设计（论文）中文摘要 题 目 空调房间气流组织数值模拟和优化摘要：气流组织对空调室内的空气环境、空气品质有着重要的影响，直接关系着室内的温度、区域流速及空调能耗，是空气调节的一个重要环节。有效地通风和合理的气流组织对于改善室内空气品质，保证实现健康建筑、健康舒适性空调有着重要的意义。影响空调房间气流组织的主要因素是入口风速、进风口的位置、进回风口的相对位置等，本文

2、首先使用Gambit软件建立物理模型和网格划分，并用Fluent软件进行数值模拟，以直观的方式表示各不同气流组织方案下的气流的温度场和速度场，分析得出对于办公室等类似的空调房间，侧送侧回、上送下回、上送上回、下送上回等四种气流组织都比较适合的。但是侧送侧回和上送上回的气流组织形式更优。关键词：气流组织 数值模拟 紊流模型 温度场 速度场毕业设计（论文）外文摘要Title Numerical simulation of air-conditioned room air distribution and optimization AbstractAirflow-organizing in air-

3、conditioned indoor air environment, air quality has an important effect is directly related to the indoor temperature, area, flow rate and air-conditioning energy consumption is an important part of the air-conditioned. Effective ventilation and airflow organization has an important significance for

4、 improving indoor air quality, to ensure the realization of healthy buildings, healthy comfort air conditioning.The main factors to affect the flow in room inlet velocity, the location of the air inlet into the return air relative position Firstly, the establishment of a physical model and mesh usin

5、g Gambit software, and numerical simulations using Fluent software, said in an intuitive way the temperature field and velocity field of airflow under different air distribution program, analyzing the draw for office and other similar air-conditioned room, Side of the send side back, on sending the

6、next time, on to send back, next to send back to the four air distribution are more appropriate. But the better Side of the send side back and on to send back on the air current forms of organization.Keywords：Airflow-organizing;Numerical simulation; Turbulence model;Temperature field;Velocity field.

7、目 次 1 引言11.1 研究的背景及意义11.2 国内外的研究成果11.3 本文的主要内容和工作 22 空调房间的气流组织形式 32.1气流组织的介绍 3 2.2常用的气流组织形式32.2.1侧送侧回42.2.2上送下回42.2.3 上送上回42.2.4 下送上回53 气流组织和室内舒适性的评价指标53.1 技术指标5 3.2 经济性指标7 3.3 适性空调室内空气计算参数8 4 空调房间的数值模拟过程8 4.1 物理模型的建立8 4.2网格的划分11 4.3数学模型11 4.4在Fluent里的参数 13 4.5解算结果及后处理14 5 数值模拟结果分析15 5.1 侧送侧回的结果及分析1

8、5 5.2 异侧下送上回的结果及分析 17 5.3 上送上回的结果及分析19 5.4 上送下回的结果及分析20 结论 22 参考文献 23致谢251 引言11 研究的背景及意义 随着经济的发展和科技的进步，人们的物质生活水平不断提高，空调的使用越来越普及，人们对居住和工作环境的要求也越来越高，因此对通风空调技术也提出了更高的要求。在空调房间内，气流组织是通风和空调系统的重要组成部分，气流组织直接影响室内空调效果，是关系着房间工作区的温度、湿度基数、精度及区域温差、工作区的气流速度及清洁程度和人们舒适感的重要因素，是一切空调工程设计中必须考虑和重视的问题。有效地通风和合理的气流组织对于改善室内空

9、气品质，实现工作环境健康舒适性有着重要的意义。因此人们希望在建筑规划设计阶段就能详细了解由空调通风所形成的室内空气速度场、温度场、湿度场以及有害物浓度场等的分布情况，从而制定出最佳的气流组织方案1。空调房间内的空气分布与送/回风口的尺寸、形式、数量及位置，送风参数（送风温度，风速），房间的大小及污染源的位置和性质等有关。这些参数直接影响空调室内调节效果，影响室内的温度，风速和室内人员的舒适度，是空气调节的一个重要环节，也是空调设计过程中要重点考虑的一个环节。由于影响空气分布的因素较多，加上实际工程中的具体条件的多样性，因此难于用简单的理论或经验表达式来综合上述诸多因素的影响。目前，在空间气流分

10、布计算方面，较多采用依赖于实验的经验式，由于实验条件的不同，在各种实验结果间存在一定的差异，但在总体规律性方面却基本雷同2。1.2 国内外的研究成果鉴于空调房间的气流组织形式对能源的损耗、室内空气的品质和人体健康舒适性有着至关重要的作用。国外从20世纪20年代就对此领域展开了研究，如对等温、非等温射流运动规律的研究，送风方式与舒适度关系的研究，各类建筑物不同送/回风方式的研究，室内空气品质的研究等。在国内，天津大学的马九贤教授于80年代组织建造了国内第一个专门用来对空调房间内气流情况进行研究的实验室，并取得了一定的研究成果，为进一步进行房间气流的研究奠定了基础3。文献45得出下送风气流组织的送

11、风口形式、送风进口与人体距离、送风速度和送风温度对人体热舒适的影响。文献6利用C02作为示踪气体，研究了空气龄与质点换气效率、房间换气次数之间的关系。 Nielsen等人对空调房间模型内二维流动进行了模拟实验7。Zhang G、Morsing和Bjerg等人在Nielsen研究的基础上改变模型房间长宽高等比例进行了模型实验8。J.D. Posner等人采用RNG k-模型模拟预测模型室的测量9。随着计算机技术的发展，CFD技术开始用于空调房间的气流分析。1974年，丹麦的Nielsen首次将CFD技术应用于空调工程，数值模拟空调房间室内空气流动情况，利用流函数和涡旋公式求解封闭二维流动方程。C

12、hen Qingyan则在1988年利用CFD技术对建筑物能耗、室内空气流动情况以及室内空气品质等问题进行了分析和研究。在2000年Topp、Nielsen和Davidson在全方位通风的房间内，利用CFD方法模拟了在等温壁条件下的空气流动情况10。 国内也有众多的研究者利用CFD技术对空调房间气流组织进行优化和研究。1988年，张建忠分析了数值模拟方法在通风空调领域的应用情况，还对常见的工业敞口槽通风问题作了数值计算分析，把问题简化为二维稳定不可压缩的粘性流动11。文献12利用实验和数值模拟方法研究了空洞建筑上送风情况下空调室内的流场分步情况，指出送风温度和风速是对温度分层高度有重要影响。上

13、述文献虽对空调房间气流组织进行了大量的研究，但只是对工程上某种具体的气流形式的研究没有对不同气流组织形式进行系统、详细地比较。关于空调室内气流组织下的温度详细分布的文献未见报道。1.3 本文的主要内容和工作本文以计算流体力学和数值传热学为理论基础，对空调房间的气流组织形式和室内空气三维湍流流动的数值模拟方法进行分析，使用Gambit建立夏季空调房间常见的四种气流组织模型，采用FLUENT软件以直观的方式显示了四种气流组织方案的气流流型，分析讨论其气流分布规律、特点，并将数值计算结果进行处理，并将各种不同送气流组织形式下的温度场和速度场进行对比，总结各种气流组织形式的优缺点。本文内容安排1、简述

14、气流组织研究的背景及意义，并简单介绍国内外气流组织研究现状。2、介绍空调房间气流组织及常用的气流组织形式。3、介绍空调室内舒适性的评价指标和气流组织的评价指标。4、使用Gambit建立气流组织模拟的物理模型，并对其进行适当简化，对物理模型进行网格划分，确定Fluent软件中的参数设置，应用Fluent软件，对常见的四种气流组织形式进行模拟计算。5、对模拟结果进行分析，得出结论。2 空调房间的气流组织形式2.1 气流组织的介绍狭义的气流组织指的是上（下、侧、中）送上（下、侧、中）回或置换送风、个性化送风等具体的送回风形式，即气流组织形式；广义的室内气流组织，是指一定的送风口形式和送风参数所带来的

15、室内气流分布。经过一定处理过后的空气，经过空调系统进入空调房间，与室内空气进行热湿交换后由回风口排出。显然，空调房间的速度场、温度场的均匀性和稳定性与室内空气的流动情况密切相关。气流组织设计的目的就是合理的组织室内空气的流动和分布，使室内工作区空气的温度、湿度、风速和洁净度能更好地满足室内人员的舒适感要求。只有合理的气流组织才能充分发挥送风的冷却和加热作用，均匀地消除室内的冷(热)、湿负荷，并有效的排除有害物和悬浮在空气中的灰尘,满足室内人员对新鲜空气的需求。好的通风系统不仅要能够给室内体统一个健康、舒适的环境，而且要有很高的经济性。因此，根据室内环境等的特点和需要，采取最恰当的通风系统和气流

16、组织形式，实现优质高效运行，就显得尤为重要。2.2 常用的气流组织形式在实际工程中，常用的气流组织形式有：侧送侧回、上送下回、上送上回、下送上回等。2.2.1 侧送侧回图2-1 侧送侧回气流分布侧送侧回的送风口布置在房间的侧墙上部，气流横向送出，气流吹到对面墙上后下落到工作区，以较低速度流过工作区，再通过布置在同侧墙下方的回风口排出。侧送侧回形式中，工作区处于回流区，由于气流在到达工作区之前，已经和房间内空气进行了比较充分的混合，使房间内速度场和温度场都趋于均匀和稳定，因此能保证工作区具有稳定和均匀的气流速度和温度。2.2.2 上送下回图2-2 上送下回气流分布 这种气流组织形式是将送风口布置

17、在房间上部，回风口布置在下部。该气流组织的优点是送风气流不直接进入工作区，有较长的与室内空气混掺的距离，能够形成比较均匀的速度场和温度场。2.2.3 上送上回图2-3 上送上回气流分布这种气流组织形式是将送风口和回风口布置都在房间上部，气流能充分的流过工作区，对于那些因各种原因不能在房间下部布置回风口的场合是相当合适的。2.2.4 下送上回图2-4下送上回气流分布这种形式的送风口布置在下部，回风口布置在上部，排风温度高于工作区的温度，故具有一定的节能效果，同时有利于改善工作区的空气质量。对于室内余热量大，特别是热源又靠近顶棚的场合，如计算机房，广播电台的演播大厅等，采用这种气流组织形式是非常合

18、适的，对于同侧下送上回的气流组织形式，气流能吹过房间的每个角落，空调效果非常好。但是，下送方式要求降低送风温差，控制工作区内的风速。3 气流组织和室内舒适性的评价指标对以人为主要服务对象的舒适性空调来说，其评价指标主要有技术指标和经济指标两个方面。对大多数空调房问来说，相对湿度在一定范围内(3070)对人体的舒适性影响不明显，因此可以忽略空调房间内湿度的影响，其主要考虑空气温度和气流速度综合作用。下面简要介绍一下常用的评价指标,包括不均匀系数、换气效率、热舒适性指标和经济性指标及舒适性空调室内空气计算参数101314。3.1 技术指标（1） 不均匀系数 不均匀系数即空调房间室内的温度和风速等参

19、数的不均匀性，该方法是在室内工作区内选取n个测点，分别测得各点的风速和温度，求其算术平均值和均方根偏差，再求不均匀系数和和和和式中：n测点数 工作区测点的速度 n个测点的速度算数平均值 n个测点的温度算数平均值 n个测点的速度均方根偏差 n个测点的温度均方根偏差有由上面的定义式可见，越小，表示气流分布的均匀性越好。（2） 换气效率 换气效率是衡量换气效果优劣的一个指标，是气流自身的特性参数，与污染物无关。考察点换气效果的优劣取决于该点的局部平均空气年龄(空气年龄指空气质点从进入房间起至达到某点所需经历的时问)。因此，换气效率可定义为理论上最短的换气时间与实际换气时间之比。换气效率定义式：式中：

20、室内空气理论上的最短换气时间 实际换气时间 室内平均空气龄根据换气效率的定义式可知，对于理想的活塞流，=/2，为100%；全面孔板送风，100%；对于混合流，=，为50%。当换气效率在50%以上时，认为该气流组织有较好的换气效率。换气效率低于50%的送风系统在一定程度上意味着短路送风。由于/2，所以换气效率的值都在0100%之间。即除单向流送风外，任何送风方式的换气效率都小于1（3） 热舒适性指标 常见的热舒适指标有；有效温度ET、吹风感、和PMVPPD指标。 (1)有效温度ET(Effective Temperature)的定义是“将干球温度、湿度、空气流速对人体冷热感的影响的综合数值，该数

21、值等效于产生相同感觉的静止饱和空气的温度”。但有效温度存在的缺陷是过高的估计了湿度在低温下对凉爽和舒适状态的影响。应用最广并成为ASHRAE标准5574中舒适指标的是新有效温度ET。ET指标被定义为一个相对湿度为50的等湿环境中的当量干球温度。该指标只适用于着装轻薄，活动量小，风速低的环境下。 (2)吹风感有效吹风感或称有效吹风温度的定义：建议的舒适标准是： v0.35式中：室内空气温度， 吹风的温度， V吹风的速度，m/s（3）PMVPPD指标 PMVPPD指标，是目前世界上广泛采用的室内环境舒适性评价指标，ISO 7730对PMVPPD指标的推荐值为：PPD时 ，1.0，气流吸收部分余热达

22、到室内温度、且能控制工作区的温度，且排风温度高于室内温度，经济性良好。 当时 ，1.0，送风吸收部分余热达到室内温度且能控制工作区的温度，而排风温度可以高于室内温度，经济性好。5.2 异测下送上回的结果及分析图5-4 异测下送上回Y=2000mm时的速度矢量图图5-5 异测下送上回Y=2000mm时的速度分布图（m/s）图5-6 异测下送上回Y=2000mm时的温度分布图图5.4 是异测下送上回X-Z截面上Y=2000时的速度示意图。从图上可以看出，在入射风口前方呈受限射流的形状，气流受到了办公桌的阻挡，气流受阻后向房顶方向射流，射流区流程不断扩大，射流的速度的衰减程度就减慢。人体工作区处在回

23、流区，速度分布范围：0.029m/s0.33m/s,略大于设计规定。但是在图左边的办公桌的人员脚部可能会感到风速较大。人体工作区域的温度范围：295.60K300.28K。符合设计规定，说明该气流组织对于此房间的温度调节效果很好。从图中不难看出，在两个办公桌之间的等温线比较密集，这是因为，人体和电脑都是热源，向外散发热量。异侧下送上回的1.0，经济性好。5.3 上送上回的结果及分析图5-7 上送上回Y=2000mm时的速度矢量图图5-8上送上回Y=2000mm时的速度分布图图5-9上送上回Y=2000mm时的温度分布图 由图5-8所示，空调房间的气流在入射风口附近的地方呈手半受限射流的形状，在

24、房间顶层附件形成贴附射流，射流中心的速度不断衰减，在射流的尾部时速度为0.56m/s，气流在人体工作区形成小漩涡，人体处在回流区，吹过人体的风速为0.03m/s0.30m/s,满足设定的风速要求（0.3m/s）。人体工作区的温度范围：298.29K301K。也满足设计要求。经济型评价：工作区的温度高于排风温度，1.0，投入的能量没有得到完全的利用，经济性较差。5.4 上送下回的结果及分析图5-10上送下回Y=2000mm时的速度矢量图图5-11 上送下回Y=2000mm时的速度分布图图5-12上送下回Y=2000mm时的温度分布图 图5-11所示，上送下回速度的分布图与上送上回的速度分布图相似

25、，都是气流在入射风口附近的地方呈贴附射流的形状，在房间顶层附件形成贴附射流，射流中心的速度不断衰减，在半受限射流的尾部时速度为0.38m/s，人体同样处在回流区，工作区速度范围：0.05m/s0.36m/s，比规定范围微大。温度范围：298.29K301.36K。在设计规定范围内。经济型评价：由于工作区的温度高于排风温度，1.0，投入的能量没有得到完全的利用，经济性较差。结 论本文运用Fluent对夏季空调房间常见的四种气流组织方式进行了模拟及分析，通过数值模拟的方法，可以直观的图中看出房间内每个点的温度和风速，进而可以对整个空调房间内温度分布和速度分布进行全面的分析和评价。这表明了计算流体力

26、学(CFD)软件FLUENT在暖通空调领域中的通风方案优化和预测方面的应用是可行的。空调房间内的空气的流场取决于送、回风口位置和送风射流。送/回风口设置在房间内的位置不同，空气的流场就不相同。在Fluent运行过程中，调整松弛因子能使计算残差图收敛得更好。侧送侧回是送风口以贴附射流形式进行送风，射流有足够的射程能够送到对面墙上，工作区处在回流区，气流在整个房间截面内形成一个大的回旋气流，房间内的有害气体可以随着气流的挤压流动由回风口排出。由于送风射流在到达工作区之前，已与房间空气进行了比较充分的混合，速度场和温度场都趋与均匀和稳定。异侧下送上回方式本是一个倒置的贴附射流，但由于本文的模型设计，

27、使得它成为了一个半受限射流，气流由送风口进人房间后，由于桌子的阻挡，气流向上运动。但是经过模拟分析，发现这种气流组织形式能够有效的清除余热，使得工作区的温度和速度都能满足设计要求。上送上回方式就是典型的贴附射流形式，气流进人房间后，开始扩散，由于重力的影响，有部分气流向下扩散进人工作区。由于气流不是直接吹过工作区，工作区风速较低，室内人员无吹风感，而且工作区的温度和速度较为稳定。对于那些由于各种原因不能在房间下部布置风口的场合是相当适合的。 上送下回也是贴附射流形式，送风气流不直接进入工作区, 有较长与室内空气混掺的距离, 能够形成均匀的温度场和速度场。综合以上的模拟和分析，我认为对于办公室等

28、类似的空调房间，以上的四种气流组织都比较适合的。但是侧送侧回和上送上回的气流组织形式更优。 参 考 文 献1魏润柏通风工程空气流动理论北京：中国建筑工业出版社，19812周力行湍流两相流动与燃烧的数值模拟北京：清华大学出版社，19913巨永平，马九贤气流运动及其与热舒适关系研究的进展与评述.暖通空调，1999(4):27304王海英，连之伟等下送风气流组织影响因素的实验研究暖通空调，2002，32(5)：20225王海英.下送风空调气流组织的实验研究：硕士学位论文西安：西安建筑科技大学，20006王伟几种房问送、回风方式的空气龄评价：硕士学位论文天津：天津大学，20017Chen QY.Com

29、putational fluid Dynamics for HVAC：Successes and failuresASHARE ，Trans ，1997，103(1)：1781878吴喜平，朱拮低温送风空调室内气流和舒适度的研究华东电力，2000(8)：16189Posner J D，Buchanan C R，Dunn-Rankin D.Measurement and prediction of indoor air flow in a model room.Energy and Buildings,2003,35(5):51552610杜立春.空调房间气流组织的优化研究:硕士学位论文.安徽：

30、安徽理工大学，200411徐丽，翁培奋分层空调房间内气流组织的数值分析.上海大学学报(自然科学版)，2002，8(5)：44745l12王汉青，汤广发等空调建筑上送风气流组织型式下热分层现象的规律研究.南华大学学报(理工版)，2002，16(1)：1613赵荣义等.空气调节.北京：中国建筑工业出版社.2009 14朱颖心等.建筑环境学.北京:中国建筑工业出版社.2006:19420515周沛丽.运用Fluent软件对室内气流组织的模拟研究：硕士学位论文.广东：华南理工大学，200516张智，涂旺荣等空调制热制冷时室内气流及温度的分布数值研究.工程热物理学报，2002，23(4):45746017颜伟顶送四角回风气流组织形式的CFD分析一速度场模拟.建筑热能通风空调，2002，2：363918赖学江，王晓墨空调房间气流组织的模拟研究华中科技大学学报(自然科学版)，2002，30(21）：5I5319赵彬.张昭.李先庭室内不同通送风方式下生物颗粒的分布比较暖通空调与SARS特集：374020彭关中等. 办公室空调房间热环境数值模拟研究.建筑热能通风空调. 200921吕品等. 空调房间室内气流组织的数值模拟研究及应用.安徽理工大学学报. 2005致谢