杜芳莉 魏朝暉

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健身房有效通風(fēng)氣流組織的研究

杜芳莉 魏朝暉

（西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院 西安 710077）

隨著生活水平的提高，人們對生活質(zhì)量有了更高的要求，工作之余，越來越多的人走進健身房。通過對健身房內(nèi)人處于靜止和運動狀態(tài)時空調(diào)送風(fēng)氣流流型有效模擬，分析了兩種不同狀態(tài)氣流分布的規(guī)律和特點，通過對穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)氣流組織進行深入對比，得出兩種不同狀態(tài)氣流組織的差異，為以后健身房空調(diào)系統(tǒng)有效氣流組織方案的設(shè)計提供便利。

健身房；空氣調(diào)節(jié)；氣流組織；氣流模擬

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對生活質(zhì)量有了更高的要求，運動健身也不例外，城市居民的休閑時間已經(jīng)超過了工作時間。為了滿足城市居民的休閑娛樂的要求，一些有規(guī)模、有體系的連鎖化健身俱樂部已遍及我們身邊，越來越多的人走進健身房。隨著健身房內(nèi)健身人群的增多，健身房是否能為健身者提供良好的室內(nèi)空氣衛(wèi)生環(huán)境越來越受到重視。據(jù)相關(guān)研究報道，我國健身俱樂部有一半以上空氣衛(wèi)生質(zhì)量未達到國家規(guī)定的室內(nèi)空氣衛(wèi)生指標(biāo)。其中一氧化碳、二氧化碳、細菌、懸浮顆粒是健身房空氣污染的主要成分。因此，如何合理設(shè)計健身房內(nèi)的氣流組織形式，為人們創(chuàng)造良好的健身環(huán)境，促進人們的身心健康，具有理論與現(xiàn)實意義。

1 健身房建模及劃分網(wǎng)格

在健身房空調(diào)系統(tǒng)中，室內(nèi)氣流組織的合理性，對健身房內(nèi)的空氣品質(zhì)、健身人員的身體狀況、空調(diào)效果及能耗有重大的影響。所以尋找合適的健身房氣流組織形式以滿足人體衛(wèi)生、空調(diào)節(jié)能和舒適性的需要是非常重要的。眾所周知，空調(diào)房間的氣流組織，是指確定合適的送（回）風(fēng)口形式、位置、規(guī)格、數(shù)量和送（回）風(fēng)量、風(fēng)速、溫度等參數(shù)，以最小的風(fēng)量獲得最佳的通風(fēng)效果[1]。而這些參數(shù)直接關(guān)系著健身房內(nèi)的溫濕度參數(shù)、潔凈度及人體舒適感覺，直接影響健身房室內(nèi)空氣品質(zhì)及空調(diào)的效果，是健身房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中必須著重考慮的重要環(huán)節(jié)。

本文采用Fluent軟件模擬三維較復(fù)雜的健身房內(nèi)人體在靜止和劇烈運動時周圍氣流的流動形式，對各種參數(shù)進行分析評價，為空調(diào)的送風(fēng)氣流組織設(shè)計方案提供理論依據(jù)，以便使得空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計人員根據(jù)健身房人體活動時實際情況設(shè)計出合理的氣流組織既滿足室內(nèi)健身人員的熱舒適性要求、又能給健身者提供良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)，進而達到節(jié)約能源的目的。一般而言，CFD通常包含如下幾個主要環(huán)節(jié)：建立數(shù)學(xué)模型、數(shù)值算法求解、結(jié)果可視化，具體步驟如下。

1.1 物理模型的建立

本課題針對健身房中動感單車房進行氣流組織進行模擬，由于計算機配置的限制，選取一個經(jīng)過簡化的動感單車房為模擬對象，房間尺寸為：350cm×300cm×280cm（長×寬×高），分別針對人處于靜止?fàn)顟B(tài)和劇烈運動時兩種狀態(tài)房間的氣流進行模擬，動感單車位于房間中部，尺寸為120cm×50cm×110cm（長×寬×高）；坐姿人的尺寸（以動感單車車座為基礎(chǔ)）：40cm×50cm×90cm，方形燈：35cm×35cm×8cm（長×寬×高）；送風(fēng)口：350cm×1cm（長×寬），距離側(cè)墻20cm；回風(fēng)口設(shè)在房間的側(cè)墻上，且距離屋頂20cm，其尺寸為：35cm×20cm（長×寬）；人體運動時的散熱量160W。首先在Gambit里建立物理模型，具體模型如下圖1所示。

圖1 動感單車房物理模型

1.2 網(wǎng)格的劃分及邊界條件處理

對氣流組織問題進行數(shù)值計算時，其中很重要的一步就是對所建立的物理模型進行網(wǎng)格劃分，即要對空間上連續(xù)的計算區(qū)域進行剖分，把它劃分成為許多個子區(qū)域，并確定每個區(qū)域中的節(jié)點[2]。流動問題數(shù)值計算結(jié)果最終的精度及計算過程的效率，主要取決于所生成的網(wǎng)格和所采用算法[3]。高質(zhì)量網(wǎng)格是實現(xiàn)數(shù)值模擬成功的首要條件，過密過疏的網(wǎng)格都是應(yīng)該避免的。

本文重點分析當(dāng)人在動感單車房處于靜止和進行劇烈運動時其周圍的氣流組織分布情況。首先采用Fluent公司的Gambit軟件建立幾何模型，整個計算空間29.4m3，考慮到健身房健身器材的復(fù)雜性，本文采用混合網(wǎng)格對計算區(qū)域進行離散，對送風(fēng)口、回風(fēng)口以及動感單車周圍進行網(wǎng)格加密，共劃分網(wǎng)格計算節(jié)點數(shù)245226個，離散單元942278個，如圖2所示。

圖2 動感單車房網(wǎng)格劃分圖

1.3 湍流模型

對于動感單車房間，由于豎壁貼附射流送風(fēng)速度低，房間的對流強度并不十分強烈，室內(nèi)的熱源是空氣流動的主要驅(qū)動力，因此房間氣流是自然對流和強制對流同時存在的混合對流形式。對于具有混合對流特征的房間來說，在前人的文獻中，標(biāo)準-模型、RNG-模型、Re alizable-模型這三種湍流模型都有一定的應(yīng)用，湍流模型不同對通風(fēng)房間的數(shù)值計算結(jié)果有一定的影響。

因為涉及動感單車房的氣流流動為湍流，而-模型是以是針對充分發(fā)展的湍流才有效的，也就是說，它是高Re數(shù)的湍流模型所以采用-雙方程模型對動感單車房進行模擬，該模型是目前使用最廣泛的湍流模型，在湍動能方程的基礎(chǔ)上，又引入一個關(guān)于湍動耗散率的方程[4]。

1.4 控制方程。

動感單車空調(diào)房間里的氣流屬于常溫常壓下的低速流動，可以看作是不可壓縮流體，但是由于空氣溫差而產(chǎn)生的自然對流對室內(nèi)空氣的流場和溫度場的影響是不可以被忽略的。這里引入了著名的Boussinesq假設(shè)，可以大大地簡化所討論的問題。Boussinesq假設(shè)提出：流體中的粘性耗散忽略不計；除密度外其它物性為常數(shù)；密度的變化對慣性力項、壓力差項和粘性力項的影響可忽略不計，僅考慮密度的變化對動量方程中與體積力有關(guān)的項，其余各項中的密度仍作為常數(shù)[5]。模擬采用的數(shù)學(xué)模型表達式如下：

2 健身房氣流組織模擬

本文采用通用CFD軟件fluent 6.3進行模擬，用控制容積法離散微分方程組，采用SIMPLE算法求解速度壓力偶合方程。擴散項采用中心差分的離散格式，動量方程與能量方程的離散格式選用一階迎風(fēng)格式[7]。Fluent選用已標(biāo)定殘差來控制方程的收斂精度，模擬時各計算殘差曲線都趨水平以保證各參數(shù)值的穩(wěn)定[8]。

選用空氣流動的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及-方程，采用豎壁貼附射流，風(fēng)口類型為條縫形，風(fēng)口尺寸為350（長）cm×1（寬）cm，風(fēng)口離側(cè)墻壁距離為20cm，當(dāng)送風(fēng)口溫度為20℃，送風(fēng)氣流速度為1m/s，針對人在動感單車房處于靜止和進行劇烈運動兩種不同狀態(tài)時對空調(diào)室內(nèi)氣流流型進行模擬分析，并在Fluent軟件中以直觀的方式表示出了兩種不同狀態(tài)下動感單車房內(nèi)氣流的溫度場和速度場（氣流流型圖），分析討論其在相同參數(shù)下的氣流分布的規(guī)律、特點及其適用場合。其中人處于靜態(tài)時動感單車房內(nèi)溫度場三維空間氣流流型模擬如圖3所示。

圖3 人處于靜態(tài)時單車房內(nèi)溫度場三維空間氣流流型

當(dāng)人體在靜止?fàn)顟B(tài)時動感單車房內(nèi)的溫度場Y-Z平面及X-Z平面的氣流模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 人處于靜態(tài)時單車房內(nèi)溫度場X-Z平面及Y-Z平面氣流流型

當(dāng)人體在靜止?fàn)顟B(tài)時動感單車房內(nèi)速度場Y-Z面及X-Z面的氣流模擬結(jié)果如下圖5所示。

圖5 人處于靜態(tài)時單車房內(nèi)速度場X-Z平面及Y-Z平面氣流流型

當(dāng)人體在劇烈運動時，由于計算機的配置及計算速度限制，模擬人體運動第34s時動感單車房內(nèi)溫度場X-Z面及Y-Z面氣流結(jié)果如下圖6所示。

圖6 人在劇烈運動時單車房內(nèi)溫度場X-Z平面及Y-Z平面氣流流型

當(dāng)人體在劇烈運動時，人體運動第34s時動感單車房內(nèi)速度場X-Z面及Y-Z面氣流模擬結(jié)果如下圖7所示。

圖7 人在劇烈運動時單車房內(nèi)速度場X-Z平面及Y-Z平面氣流流型

3 健身房數(shù)值模擬結(jié)論及分析

本文采用Fluent軟件以直觀的方式顯示了動感單車房內(nèi)當(dāng)人處于靜止?fàn)顟B(tài)和運動狀態(tài)時兩種不同的氣流流型，將數(shù)值計算結(jié)果進行處理，并分析了兩種不同狀態(tài)氣流分布的規(guī)律和特點，通過對穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)氣流組織進行深入對比，得出兩種不同狀態(tài)氣流組織的差異，為以后健身房空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方案提供便利。從以上兩種人處于兩種不同狀態(tài)時的氣流模擬圖時可得出如下結(jié)論：

（1）非穩(wěn)態(tài)靠近人體的溫度比穩(wěn)態(tài)的溫度高；

（2）越接近房子頂棚穩(wěn)態(tài)的比非穩(wěn)態(tài)的熱量擴散的范圍大；

（3）穩(wěn)態(tài)從射流入口出來的氣流貼附射程比非穩(wěn)態(tài)的距離長；

（4）穩(wěn)態(tài)時人體靠近送風(fēng)口側(cè)的速度非常高，兩側(cè)速度相差比較大；而非穩(wěn)態(tài)人體兩側(cè)速度差不多，但比穩(wěn)態(tài)的低；

（5）非穩(wěn)態(tài)比穩(wěn)態(tài)人體周圍的溫度梯度大；

（6）從圖中還可以看出，豎壁貼附射流送風(fēng)方式造成房間氣流組織的不均勻，室內(nèi)部分風(fēng)速差異明顯，穩(wěn)態(tài)時氣流速度場速度分布在0-1m/s，速度場影響面??；非穩(wěn)態(tài)時氣流速度場速度分布在0-0.6m/s，速度場影響面大。

[1] 吳顯慶,錢付平,闞竟生,等.通風(fēng)方式對室內(nèi)熱舒適性影響的數(shù)值模擬[J].制冷與空調(diào),2015,29(1):16-21.

[2] 晉歡歡.射流通風(fēng)室內(nèi)氣流組織的數(shù)值研究[D].重慶:重慶大學(xué),2013.

[3] 許敏,沈致和.合肥市某辦公建筑空調(diào)動態(tài)負荷模擬分析[J].制冷與空調(diào),2015,29(6):696-698.

[4] 高志明.體育館空調(diào)氣流組織數(shù)值模擬及節(jié)能優(yōu)化研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012

[5] 王松,王子云,梁園,等.某公路隧道火災(zāi)煙氣流動和人員疏散模擬分析[J].制冷與空調(diào),2015,29(4):374-379.

[6] 孫燕.高大中庭空調(diào)氣流組織的數(shù)值模擬研究[D].濟南:山東建筑大學(xué),2013.

[7] 胡勇,侯艷,許志浩,等.基于Phoenics的地板送風(fēng)孔板風(fēng)口和旋流風(fēng)口的數(shù)值模擬對比[J].制冷與空調(diào),2014, 28(1):72-74.

[8] 姚林,彭小勇,劉振昊.不同氣流組織下空調(diào)客房熱舒適性的數(shù)值模擬[J].制冷與空調(diào),2012,26(1):101-106.

Research on the Air Flow Organization of Effective Ventilation in Gymnasium

Du Fangli Wei Zhaohui

( Xi’an Aeronautical University, Department of Energy and Architecture, Xi’an, 710077 )

With the improvement of the living standard, people have higher demand for the quality of life, more and more people into the gym in the spare time of work. This article effectively simulate the flow of air supply when people are in a state of stationary and moving in the gym, We analyzed the regularity and characteristics of two kinds of airflow distribution in different states, We obtained the difference of two kinds of air flow organization through the deep comparison of steady state and unsteady air flow organization, It provides convenience for the design of air conditioning system of the gymnasium in the future.

gymnasium; Air conditioning; Air flow organization; Air flow simulation

1671-6612（2017）03-336-05

G710

A

杜芳莉（1975.05-），女，碩士研究生，副教授，E-mail：dufangli75@163.com

2016-03-17