張 媛，賈永博，王鐵權(quán)，路 顏

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

現(xiàn)代生活中人在室內(nèi)所停留的時(shí)間接近90%[1-2]，室內(nèi)環(huán)境的好壞直接影響到人們的身心健康，目前在室內(nèi)設(shè)計(jì)中主要考慮的是室內(nèi)環(huán)境的溫度[3-5]，通風(fēng)以及污染物釋放對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)這些因素的研究受到多方面限制，室內(nèi)的溫度及速度分布規(guī)律難以揭示，這也給室內(nèi)設(shè)計(jì)工作帶來(lái)很大的困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)的計(jì)算流體力學(xué)受到越來(lái)越多的關(guān)注，隨著各大軟件及模型的完善[6-7]，CFD軟件已經(jīng)在建筑設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文采用FLUENT軟件，在考慮太陽(yáng)輻射和室內(nèi)環(huán)境之間熱交換的情況下，對(duì)辦公室內(nèi)溫度、速度分布及氣體流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，所得結(jié)果以期對(duì)室內(nèi)暖通設(shè)計(jì)及舒適性改善提供參考價(jià)值和科學(xué)依據(jù)。

1 模型建立

1.1 幾何模型建立

模型選用本校會(huì)議室模型，主要包括空調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口及出口，窗戶為透明玻璃，模型中建立簡(jiǎn)易的三維人體幾何模型，采用FLUENT首先對(duì)僅考慮太陽(yáng)輻射計(jì)算得到會(huì)議室外墻溫度分布，在采用S2S表面輻射模型得到辦公室內(nèi)部溫度分布。幾何模型如圖1所示，具體參數(shù)如下：

1)會(huì)議室：幾何尺寸7 m×5 m×3.4 m；

2) 排風(fēng)口：幾何尺寸0.8 m×0.5 m；

3)進(jìn)風(fēng)口：幾何尺寸0.8 m×0.5 m；

4)窗戶：幾何尺寸1.5m×1.2 m；

5)門：幾何尺寸2.7m×1.05 m。

圖1 辦公室三維幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)定

圖2為模型整體網(wǎng)格劃分圖和室內(nèi)局部網(wǎng)格劃分圖，本模型采用混合網(wǎng)格，在通風(fēng)的進(jìn)出口及門窗采用局部加密的方式，而在室內(nèi)整體適當(dāng)減少網(wǎng)格數(shù)量從而在保證精確度前提下減小運(yùn)算量。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

Fig.2 The grid division graph

邊界條件：

1)空調(diào)進(jìn)風(fēng)口速度為2 m/s，溫度為22℃；

2)會(huì)議室內(nèi)人體溫度為36℃；

3)直接太陽(yáng)輻射為1423W/m2；漫射太陽(yáng)輻射為200W/m2，光譜分?jǐn)?shù)為0.5；

4)采用西安地區(qū)經(jīng)緯度：經(jīng)度:108.93 緯度:34.27；

5)時(shí)間為6月21號(hào)上午十點(diǎn)。

1.3 數(shù)學(xué)模型

會(huì)議室內(nèi)環(huán)境的模擬主要分析溫度及速度的影響，基于的數(shù)學(xué)方程有：能量守恒方程；質(zhì)量守恒方程；動(dòng)量守恒方程，各控制方程如(1)～(3)所示[8-9]，本文主要熱傳導(dǎo)主要受熱包括了對(duì)流及輻射兩部分，對(duì)于整個(gè)傳熱過程遵循能量守恒定律，求解溫度場(chǎng)中同時(shí)將輻射傳熱項(xiàng)與傳熱相結(jié)合對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行求解，同時(shí)整個(gè)過程其動(dòng)量守恒可基于動(dòng)量守恒方程對(duì)于速度場(chǎng)的變化分布特點(diǎn)進(jìn)行求解。

(1)能量守恒方程：

(1)

(2)

(3)動(dòng)量守恒方程：

(3)

式中：P為靜壓；η為流體動(dòng)力粘度； λ流體導(dǎo)熱系數(shù)。

輻射模型選擇DO模型及S2S多表面輻射換熱模型，輻射控制方程為：

(4)

(5)

其中，qout,k為離開表面的總輻射熱流，εk為發(fā)射率，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，qin,k為從周圍物體發(fā)出的入射輻射熱流。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 溫度場(chǎng)

圖3 會(huì)議室外墻溫度分布圖

圖4 會(huì)議室內(nèi)墻溫度分布圖

圖3、圖4分別為會(huì)議室外墻體溫度分布圖及內(nèi)墻體溫度分布圖，由于會(huì)議室外墻主要受太陽(yáng)輻射的影響，可以看出外墻溫度最高點(diǎn)位于通風(fēng)口最上方處，為36℃，玻璃處最高溫度為31℃，這主要是由于此處位于太陽(yáng)直射位置及此位所處外部通風(fēng)口死角，空氣流動(dòng)性也比較差共同作用使得此處的溫度明顯高于外墻其他位置。在會(huì)議室內(nèi)墻由于考慮到人體及玻璃等表面輻射作用，溫度的分布相較于外墻發(fā)生了明顯的變化，溫度的最高點(diǎn)位于玻璃窗上，為30.4℃，內(nèi)墻的溫度相對(duì)分布比較均勻，最大溫差在10℃左右。

圖5為室內(nèi)空間溫度分布截面圖，分析中分別截取Z=0.8 m和Y=2.5 m兩個(gè)面，由于室內(nèi)溫度很大程度上受外部太陽(yáng)輻射影響，而輻射主要通過設(shè)置的玻璃窗進(jìn)行熱量的傳遞，所以在靠近窗戶附近的溫度相比較略微升高，從圖中可以看出整個(gè)房間內(nèi)溫度基本在25℃以下，僅在通風(fēng)口處溫度比較低，在靠近人體頭部位置溫度基本在22.1～ 23.1℃之間這樣的溫度基本在人體較為舒適的溫度范圍之內(nèi)。

圖5 室內(nèi)空間溫度分布截面圖

2.2 速度場(chǎng)

圖6 室內(nèi)速度分布圖

圖6 、圖7分別為室內(nèi)速度分布圖及氣體流動(dòng)軌跡圖，從圖中可以從通風(fēng)口處流進(jìn)的氣體流經(jīng)室內(nèi)空間上部后在對(duì)面頂墻處形成一個(gè)回流，然后再循環(huán)流動(dòng)到四周，明顯可以看出在通風(fēng)口及回流處的人體模型部位氣體流動(dòng)速度比較快，空氣流動(dòng)速度基本在0.2 m/s以下，會(huì)議室內(nèi)通風(fēng)口處及門拐角處風(fēng)速較低，可適當(dāng)增加通風(fēng)口數(shù)目來(lái)改善此處通風(fēng)情況。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)一般需要根據(jù)房間空間的大小合理設(shè)計(jì)通風(fēng)口的位置，將通風(fēng)口設(shè)置于房間一角應(yīng)距離人體垂直具體2.5 m以上，可以在有效保證室內(nèi)空氣流動(dòng)的充分性同時(shí)降低局部位置風(fēng)速過大，從而避免直接對(duì)室內(nèi)活動(dòng)人體造成影響。

圖7 室內(nèi)氣體流動(dòng)軌跡圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用了數(shù)值模擬的方法對(duì)西安地區(qū)一處會(huì)議室進(jìn)行通風(fēng)及溫度分析，研究結(jié)果可以看出太陽(yáng)輻射及室內(nèi)的熱對(duì)流都會(huì)對(duì)室內(nèi)溫度產(chǎn)生影響。玻璃窗位置，通風(fēng)口位置也會(huì)對(duì)室內(nèi)的溫度及空氣流動(dòng)產(chǎn)生影響。 本文通過對(duì)會(huì)議室典型舒適度參數(shù)的分析，為實(shí)際房屋的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。