賈學(xué)斌

【摘 要】采用計(jì)算流體力學(xué)方法模擬分析比較吸頂式空調(diào)不同送風(fēng)方式條件下不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)流線。發(fā)現(xiàn)原方案下，氣流與周圍的熱空氣進(jìn)行熱交換的范圍有限；設(shè)置合適的導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)能夠延長(zhǎng)氣流到達(dá)地面的時(shí)間，加大高速氣流兩側(cè)的漩渦范圍，使得更多冷氣流停留在空間，與室內(nèi)高溫氣體進(jìn)行熱交換，加速室內(nèi)氣體降溫；建議導(dǎo)流罩角度選取15°。研究結(jié)果可為室內(nèi)吸頂式空調(diào)房間的送風(fēng)方式提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】吸頂式空調(diào)；數(shù)值模擬；氣流組織；送風(fēng)形式；導(dǎo)流

0 引言

在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的現(xiàn)代，室內(nèi)區(qū)域已經(jīng)成為絕大多數(shù)人長(zhǎng)時(shí)間停留的場(chǎng)所，空調(diào)作為其必不可少的設(shè)施，發(fā)揮著重要作用。隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)室內(nèi)溫度的舒適性和空氣品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。人們更希望時(shí)刻處在一個(gè)健康、舒適的空間。目前，為提高室內(nèi)空氣氣流品質(zhì)，進(jìn)行了一些研究。文獻(xiàn)[1]應(yīng)用CFD模擬軟件對(duì)夏季中央空調(diào)房間中常用的上送上回送風(fēng)形式進(jìn)行模擬研究，分析空調(diào)送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)氣流溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響，進(jìn)而討論房間的舒適性。文獻(xiàn)[2]采用數(shù)值計(jì)算軟件FLUENT模擬冬季室內(nèi)氣流組織的分布狀況，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析不同的送風(fēng)速度對(duì)室內(nèi)活動(dòng)區(qū)溫度和速度的影響。文獻(xiàn)[3]利用fluent軟件通過(guò)置換通風(fēng)和側(cè)送風(fēng)兩種送風(fēng)方式下辦室內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、CO2濃度場(chǎng)所進(jìn)行的數(shù)值模擬分析。文獻(xiàn)[4]介紹了一種下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，利用Airpark軟件對(duì)該設(shè)計(jì)方法下的空調(diào)房間進(jìn)行數(shù)值模擬分析。文獻(xiàn)[5]針對(duì)相同室內(nèi)條件、不同氣流組織形式下的各種模型，運(yùn)用暖通空調(diào)專用數(shù)值模擬軟件Airpark，對(duì)室內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。然而隨著室內(nèi)吸頂式空調(diào)的大范圍使用，對(duì)于其送風(fēng)方式很少考慮，這勢(shì)必有可能未將空調(diào)利用效率最大化，從而影響室內(nèi)氣流組織和舒適性。因此本文將以吸頂式空調(diào)為例，采用計(jì)算流體力學(xué)方法模擬研究空調(diào)不同的送風(fēng)形式對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響，進(jìn)而得到一種較為合理的送風(fēng)方式，為提高空調(diào)送風(fēng)效率，節(jié)約能源消耗提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

室內(nèi)空調(diào)的送、回風(fēng)是一個(gè)復(fù)雜的湍流過(guò)程[6]，需要采用合適的湍流模型進(jìn)行模擬。本文主要考慮空調(diào)送風(fēng)的瞬態(tài)過(guò)程，因此選用基于Realizable k-epsilon的分離渦湍流模型（Detached Eddy Simulation，DES）[7]。該方法結(jié)合了大渦模擬（LES）方法和雷諾時(shí)均模擬（RANS）方法兩者的優(yōu)點(diǎn)，在近壁區(qū)采用RANS模型，而遠(yuǎn)離壁面區(qū)采用LES模型，很好的解決了RANS模型求解精度不高，LES模型求解計(jì)算量大的問(wèn)題。而近壁區(qū)選用可實(shí)現(xiàn)的k-epsilon方程，能更準(zhǔn)確地計(jì)算含有旋流、逆壓梯度邊界層及分離流的流場(chǎng)。

同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)模擬房間進(jìn)行如下假設(shè)：（1）室內(nèi)空氣為不可壓縮氣體；（2）忽略墻壁及室內(nèi)物體的輻射熱；（3）房間內(nèi)的門窗等密閉性好。

2 幾何模型

采用的房間尺寸為7m×5m×2.9m，忽略屋內(nèi)家具、裝飾等物品，只保留房間的空間結(jié)構(gòu)?？照{(diào)置于房間頂部中心。整個(gè)系統(tǒng)采用上送上回方式，即空調(diào)送風(fēng)口位于正中央，風(fēng)口為正四邊形，尺寸為0.5m×0.5m，四側(cè)分別布置一個(gè)回風(fēng)口，具體的結(jié)構(gòu)見圖1。為改變空調(diào)的送風(fēng)方式，采用在送風(fēng)口外設(shè)置一段導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)，垂直高度為0.1m。導(dǎo)流罩與垂直面的夾角a分別取15°和30°。同時(shí)在導(dǎo)流罩內(nèi)部沿長(zhǎng)度、寬度方向上設(shè)置兩塊隔板，隔板的夾角與導(dǎo)流罩的相同；在送風(fēng)口的中心位置處，則增設(shè)一個(gè)十字形的隔板，隔板垂直于水平面，示意圖見圖2。

3 邊界條件與計(jì)算網(wǎng)格

采用CFD商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，假設(shè)室內(nèi)的溫度為305.16K（32℃）計(jì)算所需的邊界條件定義如下：（1）入口邊界：送風(fēng)口設(shè)定為速度入口（Velocity-inlet），給定垂直頂部向下1m/s的風(fēng)速，氣流的溫度設(shè)定為297.16K，即24℃。（2）出口邊界：為保證室內(nèi)外壓力平衡，在出口（回風(fēng)口）設(shè)定為壓力出口。（3）固體壁面：房間四周壁面、地面邊界采用無(wú)滑移速度邊界，各壁面均設(shè)為零熱流條件，即絕熱邊界。

整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散。在送風(fēng)口、回風(fēng)口等溫度梯度大的地方進(jìn)行網(wǎng)格加密。整個(gè)體網(wǎng)格數(shù)達(dá)到202萬(wàn)。

在本文中，由于采用非定常計(jì)算方法，因此選取計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.005s，每一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)迭代30次?？傆?jì)步長(zhǎng)數(shù)為6000步，計(jì)算時(shí)間為30s。4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 溫度場(chǎng)

為了能夠清楚地比對(duì)原方案與優(yōu)化方案對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)氣流的影響，選取中心平面（寬度方向的中心處）的不同時(shí)刻的溫度進(jìn)行分析，見圖3。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：沿著氣流流動(dòng)地方溫度較低；隨著溫度傳遞，氣流溫度逐漸與室內(nèi)溫度接近。原方案下，當(dāng)送風(fēng)時(shí)間達(dá)到10s時(shí)，氣流到達(dá)地面，并向兩側(cè)流動(dòng)，冷空氣主要位于靠近地面10cm左右高度的區(qū)域。而設(shè)置一個(gè)15°的導(dǎo)流罩以后，其促進(jìn)氣流向兩側(cè)的流動(dòng)，而不是像原方案一樣，只集中向下送風(fēng)；15°導(dǎo)流罩方案雖然延長(zhǎng)了氣流到達(dá)地面的時(shí)間，但使得更多冷氣流停留在空間，與室內(nèi)高溫氣體進(jìn)行熱交換，從而能夠加速室內(nèi)降溫。當(dāng)設(shè)置一個(gè)30°的導(dǎo)流罩時(shí)，送風(fēng)口氣流分成3部分，兩側(cè)冷氣流往兩側(cè)流動(dòng)，中間部分向下流動(dòng)，氣流大部分位于室內(nèi)空間；但由于空調(diào)回風(fēng)口與兩側(cè)的冷氣流很接近，使得氣流未向下流動(dòng)就被排到室外，這將大大降低空調(diào)的使用效率。因此從不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)來(lái)看，設(shè)置合適導(dǎo)流罩能夠更好地冷卻室內(nèi)空氣，加速降低室內(nèi)溫度，但如果導(dǎo)流罩角度設(shè)置不合理時(shí)，將大大增加空調(diào)能耗，造成資源的浪費(fèi)。

4.2 流線

圖4為原方案和不同送風(fēng)方式在中心平面（寬度方向的中心處）的不同時(shí)刻的流線圖，采用速度進(jìn)行渲染。

從流線圖可知：不同時(shí)刻瞬態(tài)流場(chǎng)基本具有對(duì)稱性；氣流從送風(fēng)口流出，經(jīng)過(guò)整個(gè)室內(nèi)流動(dòng)，最終從回風(fēng)口流出；在高速冷氣流的兩側(cè)均形成一個(gè)漩渦，帶動(dòng)周圍氣流發(fā)生熱交換；原方案下的氣流未到達(dá)地面時(shí)，漩渦較小，發(fā)生熱交換有限；到達(dá)地面時(shí)，漩渦主要貼近地面，使得其與地面的熱交換增強(qiáng)，但空間氣流的熱交換效果一般；在15°的導(dǎo)流罩方案下，其空間漩渦較大，能較好地帶動(dòng)周圍的氣流進(jìn)行熱交換；在30°的導(dǎo)流罩方案下，氣流分為3部分，兩側(cè)的部分在頂部接近回風(fēng)口處進(jìn)行熱交換，使得效率下降，向下的部分，量少，熱交換有限。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)吸頂式空調(diào)上送上回氣流組織進(jìn)行瞬態(tài)模擬，分析比較不同送風(fēng)方式下不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)流線，得到以下結(jié)論：

（1）不同時(shí)刻的室內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)基本具有對(duì)稱性；在高速冷氣流的兩側(cè)均形成一個(gè)漩渦，促進(jìn)帶動(dòng)了周圍氣流發(fā)生熱交換。

（2）原方案下，氣流垂直向下流動(dòng)，與周圍的熱空氣進(jìn)行熱交換的范圍有限；同時(shí)當(dāng)氣流到達(dá)地面時(shí)，主要貼近地面，直接降低室內(nèi)空氣的熱交換效率。

（3）設(shè)置合適的導(dǎo)流罩能夠延長(zhǎng)氣流到達(dá)地面的時(shí)間，使得更多的冷氣流能夠停留在空間，與室內(nèi)高溫氣體進(jìn)行熱交換，從而能夠加速室內(nèi)氣體降溫；導(dǎo)流罩角度設(shè)置不合理將造成冷空氣直接從回流口流出，從而大大增加空調(diào)能耗，造成資源的浪費(fèi)；建議導(dǎo)流罩角度選取15°。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王敬歡，黃虎，張進(jìn)賢，陳澤民.空調(diào)房間不同送風(fēng)角度的數(shù)值模擬[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版，2011，11（2）：53-57.

[2]周靜，李異.送風(fēng)速度對(duì)冬季空調(diào)房間環(huán)境影響的數(shù)值分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12（1）：157-159.

[3]楊蘇，楚廣明，逯廣林.空調(diào)房間氣流組織的數(shù)值模擬研究[J].節(jié)能，2014（1）：22-26.

[4]劉行安，張國(guó)強(qiáng)，何雪強(qiáng).下送風(fēng)空調(diào)房間的數(shù)值模擬[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2012，31（2）：56-59.

[5]袁東升，田慧玲，高建成.氣流組織對(duì)空調(diào)房間空氣環(huán)境影響的數(shù)值模擬[J].建筑節(jié)能，2008，36（9）：9-13.

[6]羅挺，許雅娟，劉益.空調(diào)房間湍流流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].四川環(huán)境，2005，24（2）：87-89.

[7]Fluent Inc. FLUENT Users Guide[Z]. 2006.

[責(zé)任編輯：湯靜]

【摘 要】采用計(jì)算流體力學(xué)方法模擬分析比較吸頂式空調(diào)不同送風(fēng)方式條件下不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)流線。發(fā)現(xiàn)原方案下，氣流與周圍的熱空氣進(jìn)行熱交換的范圍有限；設(shè)置合適的導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)能夠延長(zhǎng)氣流到達(dá)地面的時(shí)間，加大高速氣流兩側(cè)的漩渦范圍，使得更多冷氣流停留在空間，與室內(nèi)高溫氣體進(jìn)行熱交換，加速室內(nèi)氣體降溫；建議導(dǎo)流罩角度選取15°。研究結(jié)果可為室內(nèi)吸頂式空調(diào)房間的送風(fēng)方式提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】吸頂式空調(diào)；數(shù)值模擬；氣流組織；送風(fēng)形式；導(dǎo)流

0 引言

在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的現(xiàn)代，室內(nèi)區(qū)域已經(jīng)成為絕大多數(shù)人長(zhǎng)時(shí)間停留的場(chǎng)所，空調(diào)作為其必不可少的設(shè)施，發(fā)揮著重要作用。隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)室內(nèi)溫度的舒適性和空氣品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。人們更希望時(shí)刻處在一個(gè)健康、舒適的空間。目前，為提高室內(nèi)空氣氣流品質(zhì)，進(jìn)行了一些研究。文獻(xiàn)[1]應(yīng)用CFD模擬軟件對(duì)夏季中央空調(diào)房間中常用的上送上回送風(fēng)形式進(jìn)行模擬研究，分析空調(diào)送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)氣流溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響，進(jìn)而討論房間的舒適性。文獻(xiàn)[2]采用數(shù)值計(jì)算軟件FLUENT模擬冬季室內(nèi)氣流組織的分布狀況，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析不同的送風(fēng)速度對(duì)室內(nèi)活動(dòng)區(qū)溫度和速度的影響。文獻(xiàn)[3]利用fluent軟件通過(guò)置換通風(fēng)和側(cè)送風(fēng)兩種送風(fēng)方式下辦室內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、CO2濃度場(chǎng)所進(jìn)行的數(shù)值模擬分析。文獻(xiàn)[4]介紹了一種下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，利用Airpark軟件對(duì)該設(shè)計(jì)方法下的空調(diào)房間進(jìn)行數(shù)值模擬分析。文獻(xiàn)[5]針對(duì)相同室內(nèi)條件、不同氣流組織形式下的各種模型，運(yùn)用暖通空調(diào)專用數(shù)值模擬軟件Airpark，對(duì)室內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。然而隨著室內(nèi)吸頂式空調(diào)的大范圍使用，對(duì)于其送風(fēng)方式很少考慮，這勢(shì)必有可能未將空調(diào)利用效率最大化，從而影響室內(nèi)氣流組織和舒適性。因此本文將以吸頂式空調(diào)為例，采用計(jì)算流體力學(xué)方法模擬研究空調(diào)不同的送風(fēng)形式對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響，進(jìn)而得到一種較為合理的送風(fēng)方式，為提高空調(diào)送風(fēng)效率，節(jié)約能源消耗提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

室內(nèi)空調(diào)的送、回風(fēng)是一個(gè)復(fù)雜的湍流過(guò)程[6]，需要采用合適的湍流模型進(jìn)行模擬。本文主要考慮空調(diào)送風(fēng)的瞬態(tài)過(guò)程，因此選用基于Realizable k-epsilon的分離渦湍流模型（Detached Eddy Simulation，DES）[7]。該方法結(jié)合了大渦模擬（LES）方法和雷諾時(shí)均模擬（RANS）方法兩者的優(yōu)點(diǎn)，在近壁區(qū)采用RANS模型，而遠(yuǎn)離壁面區(qū)采用LES模型，很好的解決了RANS模型求解精度不高，LES模型求解計(jì)算量大的問(wèn)題。而近壁區(qū)選用可實(shí)現(xiàn)的k-epsilon方程，能更準(zhǔn)確地計(jì)算含有旋流、逆壓梯度邊界層及分離流的流場(chǎng)。

同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)模擬房間進(jìn)行如下假設(shè)：（1）室內(nèi)空氣為不可壓縮氣體；（2）忽略墻壁及室內(nèi)物體的輻射熱；（3）房間內(nèi)的門窗等密閉性好。

2 幾何模型

采用的房間尺寸為7m×5m×2.9m，忽略屋內(nèi)家具、裝飾等物品，只保留房間的空間結(jié)構(gòu)?？照{(diào)置于房間頂部中心。整個(gè)系統(tǒng)采用上送上回方式，即空調(diào)送風(fēng)口位于正中央，風(fēng)口為正四邊形，尺寸為0.5m×0.5m，四側(cè)分別布置一個(gè)回風(fēng)口，具體的結(jié)構(gòu)見圖1。為改變空調(diào)的送風(fēng)方式，采用在送風(fēng)口外設(shè)置一段導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)，垂直高度為0.1m。導(dǎo)流罩與垂直面的夾角a分別取15°和30°。同時(shí)在導(dǎo)流罩內(nèi)部沿長(zhǎng)度、寬度方向上設(shè)置兩塊隔板，隔板的夾角與導(dǎo)流罩的相同；在送風(fēng)口的中心位置處，則增設(shè)一個(gè)十字形的隔板，隔板垂直于水平面，示意圖見圖2。

3 邊界條件與計(jì)算網(wǎng)格

采用CFD商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，假設(shè)室內(nèi)的溫度為305.16K（32℃）計(jì)算所需的邊界條件定義如下：（1）入口邊界：送風(fēng)口設(shè)定為速度入口（Velocity-inlet），給定垂直頂部向下1m/s的風(fēng)速，氣流的溫度設(shè)定為297.16K，即24℃。（2）出口邊界：為保證室內(nèi)外壓力平衡，在出口（回風(fēng)口）設(shè)定為壓力出口。（3）固體壁面：房間四周壁面、地面邊界采用無(wú)滑移速度邊界，各壁面均設(shè)為零熱流條件，即絕熱邊界。

整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散。在送風(fēng)口、回風(fēng)口等溫度梯度大的地方進(jìn)行網(wǎng)格加密。整個(gè)體網(wǎng)格數(shù)達(dá)到202萬(wàn)。

在本文中，由于采用非定常計(jì)算方法，因此選取計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.005s，每一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)迭代30次?？傆?jì)步長(zhǎng)數(shù)為6000步，計(jì)算時(shí)間為30s。4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 溫度場(chǎng)

為了能夠清楚地比對(duì)原方案與優(yōu)化方案對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)氣流的影響，選取中心平面（寬度方向的中心處）的不同時(shí)刻的溫度進(jìn)行分析，見圖3。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：沿著氣流流動(dòng)地方溫度較低；隨著溫度傳遞，氣流溫度逐漸與室內(nèi)溫度接近。原方案下，當(dāng)送風(fēng)時(shí)間達(dá)到10s時(shí)，氣流到達(dá)地面，并向兩側(cè)流動(dòng)，冷空氣主要位于靠近地面10cm左右高度的區(qū)域。而設(shè)置一個(gè)15°的導(dǎo)流罩以后，其促進(jìn)氣流向兩側(cè)的流動(dòng)，而不是像原方案一樣，只集中向下送風(fēng)；15°導(dǎo)流罩方案雖然延長(zhǎng)了氣流到達(dá)地面的時(shí)間，但使得更多冷氣流停留在空間，與室內(nèi)高溫氣體進(jìn)行熱交換，從而能夠加速室內(nèi)降溫。當(dāng)設(shè)置一個(gè)30°的導(dǎo)流罩時(shí)，送風(fēng)口氣流分成3部分，兩側(cè)冷氣流往兩側(cè)流動(dòng)，中間部分向下流動(dòng)，氣流大部分位于室內(nèi)空間；但由于空調(diào)回風(fēng)口與兩側(cè)的冷氣流很接近，使得氣流未向下流動(dòng)就被排到室外，這將大大降低空調(diào)的使用效率。因此從不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)來(lái)看，設(shè)置合適導(dǎo)流罩能夠更好地冷卻室內(nèi)空氣，加速降低室內(nèi)溫度，但如果導(dǎo)流罩角度設(shè)置不合理時(shí)，將大大增加空調(diào)能耗，造成資源的浪費(fèi)。

4.2 流線

圖4為原方案和不同送風(fēng)方式在中心平面（寬度方向的中心處）的不同時(shí)刻的流線圖，采用速度進(jìn)行渲染。

從流線圖可知：不同時(shí)刻瞬態(tài)流場(chǎng)基本具有對(duì)稱性；氣流從送風(fēng)口流出，經(jīng)過(guò)整個(gè)室內(nèi)流動(dòng)，最終從回風(fēng)口流出；在高速冷氣流的兩側(cè)均形成一個(gè)漩渦，帶動(dòng)周圍氣流發(fā)生熱交換；原方案下的氣流未到達(dá)地面時(shí)，漩渦較小，發(fā)生熱交換有限；到達(dá)地面時(shí)，漩渦主要貼近地面，使得其與地面的熱交換增強(qiáng)，但空間氣流的熱交換效果一般；在15°的導(dǎo)流罩方案下，其空間漩渦較大，能較好地帶動(dòng)周圍的氣流進(jìn)行熱交換；在30°的導(dǎo)流罩方案下，氣流分為3部分，兩側(cè)的部分在頂部接近回風(fēng)口處進(jìn)行熱交換，使得效率下降，向下的部分，量少，熱交換有限。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)吸頂式空調(diào)上送上回氣流組織進(jìn)行瞬態(tài)模擬，分析比較不同送風(fēng)方式下不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)流線，得到以下結(jié)論：

（1）不同時(shí)刻的室內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)基本具有對(duì)稱性；在高速冷氣流的兩側(cè)均形成一個(gè)漩渦，促進(jìn)帶動(dòng)了周圍氣流發(fā)生熱交換。

（2）原方案下，氣流垂直向下流動(dòng)，與周圍的熱空氣進(jìn)行熱交換的范圍有限；同時(shí)當(dāng)氣流到達(dá)地面時(shí)，主要貼近地面，直接降低室內(nèi)空氣的熱交換效率。

（3）設(shè)置合適的導(dǎo)流罩能夠延長(zhǎng)氣流到達(dá)地面的時(shí)間，使得更多的冷氣流能夠停留在空間，與室內(nèi)高溫氣體進(jìn)行熱交換，從而能夠加速室內(nèi)氣體降溫；導(dǎo)流罩角度設(shè)置不合理將造成冷空氣直接從回流口流出，從而大大增加空調(diào)能耗，造成資源的浪費(fèi)；建議導(dǎo)流罩角度選取15°。

【參考文獻(xiàn)】

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[7]Fluent Inc. FLUENT Users Guide[Z]. 2006.

[責(zé)任編輯：湯靜]

【摘 要】采用計(jì)算流體力學(xué)方法模擬分析比較吸頂式空調(diào)不同送風(fēng)方式條件下不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)流線。發(fā)現(xiàn)原方案下，氣流與周圍的熱空氣進(jìn)行熱交換的范圍有限；設(shè)置合適的導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)能夠延長(zhǎng)氣流到達(dá)地面的時(shí)間，加大高速氣流兩側(cè)的漩渦范圍，使得更多冷氣流停留在空間，與室內(nèi)高溫氣體進(jìn)行熱交換，加速室內(nèi)氣體降溫；建議導(dǎo)流罩角度選取15°。研究結(jié)果可為室內(nèi)吸頂式空調(diào)房間的送風(fēng)方式提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】吸頂式空調(diào)；數(shù)值模擬；氣流組織；送風(fēng)形式；導(dǎo)流

0 引言

在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的現(xiàn)代，室內(nèi)區(qū)域已經(jīng)成為絕大多數(shù)人長(zhǎng)時(shí)間停留的場(chǎng)所，空調(diào)作為其必不可少的設(shè)施，發(fā)揮著重要作用。隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)室內(nèi)溫度的舒適性和空氣品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。人們更希望時(shí)刻處在一個(gè)健康、舒適的空間。目前，為提高室內(nèi)空氣氣流品質(zhì)，進(jìn)行了一些研究。文獻(xiàn)[1]應(yīng)用CFD模擬軟件對(duì)夏季中央空調(diào)房間中常用的上送上回送風(fēng)形式進(jìn)行模擬研究，分析空調(diào)送風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)氣流溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響，進(jìn)而討論房間的舒適性。文獻(xiàn)[2]采用數(shù)值計(jì)算軟件FLUENT模擬冬季室內(nèi)氣流組織的分布狀況，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析不同的送風(fēng)速度對(duì)室內(nèi)活動(dòng)區(qū)溫度和速度的影響。文獻(xiàn)[3]利用fluent軟件通過(guò)置換通風(fēng)和側(cè)送風(fēng)兩種送風(fēng)方式下辦室內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、CO2濃度場(chǎng)所進(jìn)行的數(shù)值模擬分析。文獻(xiàn)[4]介紹了一種下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，利用Airpark軟件對(duì)該設(shè)計(jì)方法下的空調(diào)房間進(jìn)行數(shù)值模擬分析。文獻(xiàn)[5]針對(duì)相同室內(nèi)條件、不同氣流組織形式下的各種模型，運(yùn)用暖通空調(diào)專用數(shù)值模擬軟件Airpark，對(duì)室內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。然而隨著室內(nèi)吸頂式空調(diào)的大范圍使用，對(duì)于其送風(fēng)方式很少考慮，這勢(shì)必有可能未將空調(diào)利用效率最大化，從而影響室內(nèi)氣流組織和舒適性。因此本文將以吸頂式空調(diào)為例，采用計(jì)算流體力學(xué)方法模擬研究空調(diào)不同的送風(fēng)形式對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響，進(jìn)而得到一種較為合理的送風(fēng)方式，為提高空調(diào)送風(fēng)效率，節(jié)約能源消耗提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

室內(nèi)空調(diào)的送、回風(fēng)是一個(gè)復(fù)雜的湍流過(guò)程[6]，需要采用合適的湍流模型進(jìn)行模擬。本文主要考慮空調(diào)送風(fēng)的瞬態(tài)過(guò)程，因此選用基于Realizable k-epsilon的分離渦湍流模型（Detached Eddy Simulation，DES）[7]。該方法結(jié)合了大渦模擬（LES）方法和雷諾時(shí)均模擬（RANS）方法兩者的優(yōu)點(diǎn)，在近壁區(qū)采用RANS模型，而遠(yuǎn)離壁面區(qū)采用LES模型，很好的解決了RANS模型求解精度不高，LES模型求解計(jì)算量大的問(wèn)題。而近壁區(qū)選用可實(shí)現(xiàn)的k-epsilon方程，能更準(zhǔn)確地計(jì)算含有旋流、逆壓梯度邊界層及分離流的流場(chǎng)。

同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)模擬房間進(jìn)行如下假設(shè)：（1）室內(nèi)空氣為不可壓縮氣體；（2）忽略墻壁及室內(nèi)物體的輻射熱；（3）房間內(nèi)的門窗等密閉性好。

2 幾何模型

采用的房間尺寸為7m×5m×2.9m，忽略屋內(nèi)家具、裝飾等物品，只保留房間的空間結(jié)構(gòu)?？照{(diào)置于房間頂部中心。整個(gè)系統(tǒng)采用上送上回方式，即空調(diào)送風(fēng)口位于正中央，風(fēng)口為正四邊形，尺寸為0.5m×0.5m，四側(cè)分別布置一個(gè)回風(fēng)口，具體的結(jié)構(gòu)見圖1。為改變空調(diào)的送風(fēng)方式，采用在送風(fēng)口外設(shè)置一段導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)，垂直高度為0.1m。導(dǎo)流罩與垂直面的夾角a分別取15°和30°。同時(shí)在導(dǎo)流罩內(nèi)部沿長(zhǎng)度、寬度方向上設(shè)置兩塊隔板，隔板的夾角與導(dǎo)流罩的相同；在送風(fēng)口的中心位置處，則增設(shè)一個(gè)十字形的隔板，隔板垂直于水平面，示意圖見圖2。

3 邊界條件與計(jì)算網(wǎng)格

采用CFD商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，假設(shè)室內(nèi)的溫度為305.16K（32℃）計(jì)算所需的邊界條件定義如下：（1）入口邊界：送風(fēng)口設(shè)定為速度入口（Velocity-inlet），給定垂直頂部向下1m/s的風(fēng)速，氣流的溫度設(shè)定為297.16K，即24℃。（2）出口邊界：為保證室內(nèi)外壓力平衡，在出口（回風(fēng)口）設(shè)定為壓力出口。（3）固體壁面：房間四周壁面、地面邊界采用無(wú)滑移速度邊界，各壁面均設(shè)為零熱流條件，即絕熱邊界。

整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散。在送風(fēng)口、回風(fēng)口等溫度梯度大的地方進(jìn)行網(wǎng)格加密。整個(gè)體網(wǎng)格數(shù)達(dá)到202萬(wàn)。

在本文中，由于采用非定常計(jì)算方法，因此選取計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.005s，每一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)迭代30次。總計(jì)步長(zhǎng)數(shù)為6000步，計(jì)算時(shí)間為30s。4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 溫度場(chǎng)

為了能夠清楚地比對(duì)原方案與優(yōu)化方案對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)氣流的影響，選取中心平面（寬度方向的中心處）的不同時(shí)刻的溫度進(jìn)行分析，見圖3。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：沿著氣流流動(dòng)地方溫度較低；隨著溫度傳遞，氣流溫度逐漸與室內(nèi)溫度接近。原方案下，當(dāng)送風(fēng)時(shí)間達(dá)到10s時(shí)，氣流到達(dá)地面，并向兩側(cè)流動(dòng)，冷空氣主要位于靠近地面10cm左右高度的區(qū)域。而設(shè)置一個(gè)15°的導(dǎo)流罩以后，其促進(jìn)氣流向兩側(cè)的流動(dòng)，而不是像原方案一樣，只集中向下送風(fēng)；15°導(dǎo)流罩方案雖然延長(zhǎng)了氣流到達(dá)地面的時(shí)間，但使得更多冷氣流停留在空間，與室內(nèi)高溫氣體進(jìn)行熱交換，從而能夠加速室內(nèi)降溫。當(dāng)設(shè)置一個(gè)30°的導(dǎo)流罩時(shí)，送風(fēng)口氣流分成3部分，兩側(cè)冷氣流往兩側(cè)流動(dòng)，中間部分向下流動(dòng)，氣流大部分位于室內(nèi)空間；但由于空調(diào)回風(fēng)口與兩側(cè)的冷氣流很接近，使得氣流未向下流動(dòng)就被排到室外，這將大大降低空調(diào)的使用效率。因此從不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)來(lái)看，設(shè)置合適導(dǎo)流罩能夠更好地冷卻室內(nèi)空氣，加速降低室內(nèi)溫度，但如果導(dǎo)流罩角度設(shè)置不合理時(shí)，將大大增加空調(diào)能耗，造成資源的浪費(fèi)。

4.2 流線

圖4為原方案和不同送風(fēng)方式在中心平面（寬度方向的中心處）的不同時(shí)刻的流線圖，采用速度進(jìn)行渲染。

從流線圖可知：不同時(shí)刻瞬態(tài)流場(chǎng)基本具有對(duì)稱性；氣流從送風(fēng)口流出，經(jīng)過(guò)整個(gè)室內(nèi)流動(dòng)，最終從回風(fēng)口流出；在高速冷氣流的兩側(cè)均形成一個(gè)漩渦，帶動(dòng)周圍氣流發(fā)生熱交換；原方案下的氣流未到達(dá)地面時(shí)，漩渦較小，發(fā)生熱交換有限；到達(dá)地面時(shí)，漩渦主要貼近地面，使得其與地面的熱交換增強(qiáng)，但空間氣流的熱交換效果一般；在15°的導(dǎo)流罩方案下，其空間漩渦較大，能較好地帶動(dòng)周圍的氣流進(jìn)行熱交換；在30°的導(dǎo)流罩方案下，氣流分為3部分，兩側(cè)的部分在頂部接近回風(fēng)口處進(jìn)行熱交換，使得效率下降，向下的部分，量少，熱交換有限。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)吸頂式空調(diào)上送上回氣流組織進(jìn)行瞬態(tài)模擬，分析比較不同送風(fēng)方式下不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)流線，得到以下結(jié)論：

（1）不同時(shí)刻的室內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)基本具有對(duì)稱性；在高速冷氣流的兩側(cè)均形成一個(gè)漩渦，促進(jìn)帶動(dòng)了周圍氣流發(fā)生熱交換。

（2）原方案下，氣流垂直向下流動(dòng)，與周圍的熱空氣進(jìn)行熱交換的范圍有限；同時(shí)當(dāng)氣流到達(dá)地面時(shí)，主要貼近地面，直接降低室內(nèi)空氣的熱交換效率。

（3）設(shè)置合適的導(dǎo)流罩能夠延長(zhǎng)氣流到達(dá)地面的時(shí)間，使得更多的冷氣流能夠停留在空間，與室內(nèi)高溫氣體進(jìn)行熱交換，從而能夠加速室內(nèi)氣體降溫；導(dǎo)流罩角度設(shè)置不合理將造成冷空氣直接從回流口流出，從而大大增加空調(diào)能耗，造成資源的浪費(fèi)；建議導(dǎo)流罩角度選取15°。

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[責(zé)任編輯：湯靜]