王 鋒,林 豹,李曉云

(沈陽建筑大學,沈陽110168)

1 引 言

影劇院舞臺空間高大,舞臺上空高度可達18～24m,寬度等于或略小于觀眾廳;觀眾廳上部有工作天橋、柵欄天頂、影片與幕布吊桿,鋼絲電纜錯綜復雜;燈具多,發(fā)熱量大且不穩(wěn)定[1]。舞臺對溫度的要求較高,演員活動量較大,如果溫度太高演員容易出汗,對演員面部的妝影響較大,不利于演出。溫度不能太低,因為夏天演員穿的衣服較薄,活動量較大,易于出汗,如果溫度較低演員容易感冒。另外舞臺幕布對風速要求較高,因為幕布重疊,如大幕、紗幕、邊幕、天幕等等,都不允許吹動[2],且不能受風壓作用而影響啟閉;舞臺布景繁多,形狀各異;由于風速過大會對歌唱演員的嗓子有影響,應使表演區(qū)的風速小于0.5m/s。因此研究舞臺的溫度場、速度場分布有重要意義。

由于FLUENT軟件有強大的計算功能,因此該軟件是目前在模擬氣流組織分布上應用較多的軟件[3]。TECPLOT是Amtec公司推出的一個功能強大的科學繪圖軟件,它不僅可以繪制函數(shù)曲線、二維圖形,而且可以進行三維面繪圖和三維體繪圖,并提供多種圖形格式,同時界面友好、易學易用。本文先用FLUENT軟件對三種不同送回風方案進行模擬分析,再通過TECPLOT對模擬結(jié)果特別是圖片進行分析處理。

目前舞臺氣流組織有以下幾種方式:

(1)舞臺兩側(cè)天橋安裝送風管,向下、向側(cè)臺送風,側(cè)臺回風。優(yōu)點是一般不會吹動幕布,風管布置也比較方便,但是表演區(qū)既無送風又無回風,空調(diào)效果不好。

(2)前天橋下設送風管,向下送風,側(cè)臺回風?？梢灾苯酉虮硌輩^(qū)送風,表演區(qū)空調(diào)效果較好,缺點是建筑布置有困難,容易吹動大幕。

(3)在二三道沿幕之間的上空設送風管向下送風,側(cè)臺回風。風管做成扁高型。適當控制出風速度和角度,送風可直接送達表演區(qū),而不吹動幕布。

本文采用上部回風,作者認為上部回風相比于側(cè)臺回風使氣流更多的沿舞臺上下流動,這樣對幕布的橫向吹動更小,另外由于舞臺上部燈光較多,溫度較高,上部回風能帶走大量熱量,以減少燈光等熱源對表演區(qū)的熱輻射[4],再者回風溫度提高能提高冷凝溫度從而提高空調(diào)機組的效率。對前天橋送風上部回風 (方案一)及幕布間送風上部回風(方案二)進行了模擬分析和比較,并提出另一種氣流組織方式——在前天橋下設送風管向下送風的基礎(chǔ)上增加在幕布間送風上部回風 (方案三),這樣在表演時各自承擔50%的送風的送風量,在表演間歇大幕拉起時前天橋送風口關(guān)閉,幕布間送風口承擔全部送風量。本文對以上三種氣流組織運用FLUENT軟件進行了模擬分析,通過對溫度場、速度場的比較得出最優(yōu)方案。

2 模型的建立及結(jié)果分析

本文采用 k-ε方程湍流模型,k方程、ε方程、能量方程、連續(xù)方程一起構(gòu)成室內(nèi)空氣流動與換熱的基本控制方程。即:標準k-ε模型。也是目前工程中應用最廣、取得成果最多的模型[5]。由于送風速度遠小于聲速,所以假設空氣為不可壓縮透明介質(zhì),不考慮輻射。考慮重力因素,Y方向為-9.8m/s2,送風取速度入口 (velocity-inlet),出口取自由出口 (outflow)。因為舞臺本身南北對稱,所以取對稱面 (symmetry),和觀眾接觸的面取為絕熱壁面,其他邊界面為墻面并設置熱通量,地面承擔20%的負荷,熱流密度為41W/m2,外墻及屋面承擔80%的負荷,熱流密度為64.4W/m2。

本文以濟南某影劇院舞臺夏季送風為例,該舞臺長×寬 (舞臺縱深)×高 (從臺面道屋面):24×18×16m,平面圖參見圖 1。設備燈光負荷為45kW,其他負荷43.9kW,舞臺總負荷為88.9kW。設計參數(shù)為:夏季溫度為26℃,濕度60%,送風溫度為19℃,新風量為0.33 m3/s。模擬采用簡化模型,物理尺寸為:18×12×16(舞臺縱深×舞臺一半長度×臺面至屋面),坐標原點 (0,0,0)位于對稱面左下側(cè)頂點。此區(qū)域模型為舞臺尺寸的二分之一,X指向為東 (舞臺縱深),Z指向為南(舞臺長度方向),Y指向為舞臺上空。80%的冷負荷均勻的分布在外墻及屋面上,20%的冷負荷均勻分布在地面。送風口簡化為小的圓柱體,頂部回風,回風口簡化為高為0.1m,半徑為0.6m的圓柱體。因為溫度分布會因距離圍護結(jié)構(gòu)的遠近而有較大的變化,所以取Z=0切面和Z=-11切面做比較;速度場分析主要考慮對幕布吹動的影響及表演區(qū)的影響,所以取Z=-11切面和Y=2切面作為分析,方案一采用的側(cè)面送風,Y方向速度較小,所以沒有取Y=2平面。

圖1 舞臺平面圖

2.1 方案一

前天橋下設送風管,向下送風,上部回風。可以直接向表演區(qū)送風,如圖2所示。

如圖2所示,此方案在距臺面10m處的前天橋設置送風口,在頂棚設置回風口。送風口選用圓形噴口,共計4個,沿Z軸均勻布置,送風口中心間距為2.4m,噴口直徑為0.8m,送風溫度為19℃,每個送風口送風量為1.25m3/s,方向沿X軸負方向,為速度入口。回風口一個,為圓形回風口,直徑為1.2m,為自由出口。由前面所述劃分網(wǎng)格,整個模型劃分為521397個網(wǎng)格。Z=0平面為對稱面,Z=-11平面為距北面圍護結(jié)構(gòu)1m處的截面。

圖2 方案一風口布置平面圖

(1)溫度場分布

圖3 Z=0切面溫度分布圖

由圖3和圖4可見,整個房間溫度分布比較均勻,溫度高于設計溫度,為30℃左右。溫度最低的地方出現(xiàn)在送風口附近,通過Z=0切面可以看出溫度衰減很快。在距地2m處溫度基本處于30℃,靠近邊界達到32℃左右,對表演區(qū)來說溫度稍高,如果演員活動量較大會明顯有熱感。在靠近墻體及屋面的地方溫度較高,溫度最高的地方在屋面,因為此處靠近燈光熱源。

由圖5可以看出,舞臺大部分空間風速較小,表演區(qū)風速較小,在0.1m/s左右,達到設計要求;在靠近邊界和回風口的風速較大,在靠近送風口處風速也較大,達到0.3m/s左右,對幕布,特別是大幕吹動比較明顯。表演間隙,或開場前應關(guān)閉送風口或減小送風閥的開啟度。

2.2 方案二

將風管設置在側(cè)幕、二、三道沿幕之間的上空,風管做成扁高型,如圖6。

此方案在側(cè)幕和第三道幕之間,大幕和第二道幕間設送風口,噴口距地面10m,模型中簡化為四個直徑為1m的圓柱型送風口,風口X方向中心距6m,Y方向中心距為4m,風速為1.6m/s,送風溫度19℃,為速度入口邊界?；仫L口大小及位置同方案一,為自由出流邊界。整個模型劃分為793051個網(wǎng)格。Z=0為對稱面,Z=-11平面比較靠近圍護結(jié)構(gòu),Y=2為距地面2m的平面。

圖6 方案二風口布置平面圖

(1)溫度場分布

由圖7和圖8可以看出越靠近舞臺中心溫度越低,送風口附近溫度較低,在靠近維護結(jié)構(gòu)和屋面的地方溫度較高,頂棚溫度接近40℃,送風口至回風口的空間溫度較高,特別是靠近圍護結(jié)構(gòu)的溫度梯度變化較大,這是因為圍護結(jié)構(gòu)有熱通量及燈光設備負荷的作用。表演區(qū)的溫度在23℃左右,低于設計溫度,由圖可以看出在靠近觀眾的地方溫度較低,在22℃左右,冷風有可能流向觀眾,對前排觀眾不利,但是舞臺前部還有樂池作為緩沖,對前排觀眾影響不大。

圖7 Z=0切面溫度分布圖

圖8 Z=-11切面溫度分布圖

(2)速度分布

由圖9可見,通過沿X軸速度分布圖可見在X軸上速度值很小,在0.1m/s或更小,梯度變化也很小,對幕布幾乎沒什么影響。

由圖10可以看出,在距地面2 m處,大部分風速在0.1 m/s左右,只有在送風口處風速較大,正下方可達到0.6 m/s,演員會有明顯的吹冷風感[4],對表演有一定影響。在角落和邊界面處風速在0.4 m/s左右,這是由于局部回流的影響。這種送風方式即使在大幕拉起時也能使用,適用性很強。

圖9 Z=0平面沿X軸速度分布圖

圖10 Y=2切面沿Y軸速度分布圖

2.3 方案三

將以上兩種方案結(jié)合起來,在大幕拉起時采用方案二,在表演時采用前天橋和幕布間送風相結(jié)合,各負擔一半的送風量,如圖11所示。

如圖11所示,舞臺內(nèi)送風口分為兩部分,幕布間送風和前天橋送風,幕布間送風口與方案二相同;前天橋送風口傾斜角度為20度,其他與方案一相同。整個模型劃分為747611個網(wǎng)格。Z=0切面為對稱面,Z=-11切面比較靠近北面圍護結(jié)構(gòu)。X=4平面為側(cè)幕的平面,X=7平面為第三道幕布所在平面,X=10為第二道幕布所在平面,X=13為大幕所在平面。前天橋送風口大小及邊界條件同方案一,幕布間送風口大小及邊界條件同方案二。在表演間歇,大幕拉起時,前天橋送風口關(guān)閉,幕布間的送風口承擔所有送風量,溫度場分布、速度場分布如方案二;當在表演時,可以只用前天橋送風,溫度場分布、速度場分布如方案一,也可以同時打開兩種送風口向舞臺送風,前天橋送風口和幕布間送風口各承擔一半的送風量,溫度場及速度場分布及分析如下。

圖11 方案三風口布置平面圖

(1)溫度場分布

由圖10和圖11可以看出在舞臺中部溫度較低,靠近外圍護結(jié)構(gòu)及屋面處溫度較高,溫度梯度變化相對較大。在送風口以下的大部分空間溫度在26℃左右,在送風口處溫度最低為19℃。相對于方案一,整個空間溫度分布更為均勻,送風口以下的空間溫度值也更接近設計值;相對于方案二,由于前天橋送風的影響,舞臺中后部溫度比方案二低,舞臺前部溫度在28℃左右,可以防止冷空氣流向觀眾廳。實際運行中可以調(diào)整幕布間送風和前天橋送風的送風量的大小,也可以調(diào)整前天橋送風口的傾斜角度以達到最佳送風工況。

(2)速度分布

由圖14可以看出越是靠近舞臺中心沿X軸風速越小,這對表演有利。由切面可以看出,靠近舞臺北部邊界時風速也只有0.1m/s左右,對幕布影響很小。沿X軸最大速度出現(xiàn)在前天橋送風口處為1.25m/s,但相比于方案一速度小很多,這是因為送風速度減半。速度梯度變化較大是因為前天橋送風和幕布間送風速度交叉而導致的。在舞臺中后部,沿X軸速度幾乎為0,由圖15可以看出舞臺表演區(qū)的沿Y軸的風速較小,大部分不足0.1m/s,最大值出現(xiàn)在靠近觀眾廳的兩個幕布間送風口下方,為0.2m/s,遠小于0.5m/s,達到設計要求,相比于方案二,風速小很多,對演員來說沒有吹風感;在靠近觀眾廳的地方風速相比于前兩種方案也較小,在0～0.1m/s之間,前排觀眾也不會有吹風感。

3 結(jié)論

本文采用Fluent軟件對影劇院舞臺不同送風方式進行了氣流組織的模擬研究,分析了不同送風形式下的溫度場、速度場,得出以下結(jié)論:

(1)采用前天橋送風時,整個舞臺溫度分布比較均勻,溫度高于設計溫度3～4℃,為30℃左右,表演區(qū)溫度稍高?；仫L口對應的地面由于湍流的作用風速較大,對表演區(qū)有一定影響。在靠近舞臺前部風速較大,對風幕吹動比較明顯。這種送風方案適用于表演時,在表演間歇必須停止。

(2)采用幕布間送風時,舞臺溫度分布較為均勻,X方向速度明顯小于方案一,基本達到要求,只是在送風口下部空間風速稍大,在表演區(qū)演員會明顯感受到,對演出有一定影響。表演區(qū)溫度在20℃左右,人員會感覺較為涼爽。

(3)采用方案三送風時,溫度分布和速度分布都較為均勻,X方向速度很小不會對幕布有影響。表演區(qū)溫度在26℃左右,風速較低在0.1m/s左右,人員會感覺很舒適。但這種送風方式風道設置較為困難,占據(jù)空間較大,特別是舞臺燈光設備本來就非常復雜,所以在實施的過程中應盡量和舞臺工藝人員的合作,爭取采用這種送風形式。

[1]王鴻章,李惠風.影劇院空調(diào)設計[M].北京:中國建筑出版社,1995

[2]范存養(yǎng).大空間建筑空調(diào)建造課題世界及工程實錄[M].北京:中國建筑出版社,2001

[3]韓占中.流體工程仿真計算實例于分析[M].北京:北京理工大學出版社,2009,8

[4]陸亞俊,馬最良,鄒平華.暖通空調(diào)[M].北京:中國建筑出版社,2002

[5]Chen Q.Comparison of Different k-e Models for Indoor Airflow Computations.Numerical Heat Transfer,Part B,Fundamentals,28:353-369