康智強(qiáng) 李繼成* 邵冬晨 錢偉樂
(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)
近年來,國內(nèi)外學(xué)者對體育館內(nèi)氣流組織實測和模擬進(jìn)行了大量研究,從而提高體育館內(nèi)人員的舒適性。潘林波[1]采用數(shù)值模擬的方法,對體育館進(jìn)行氣流組織模擬研究,通過實測驗證選出最佳方案。Seduikyte等[2]通過實測和CFD模擬相結(jié)合的方法對立陶宛考納斯籃球訓(xùn)練館進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)使用相同的加熱輸出并結(jié)合置換通風(fēng),可滿足設(shè)計要求。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),側(cè)送側(cè)回的送風(fēng)方式舒適性相對最優(yōu),因此,側(cè)送側(cè)回的送風(fēng)方式為大多數(shù)嚴(yán)寒地區(qū)體育館的首選[3-6]。本文以沈陽建筑大學(xué)體育館為例,對體育館內(nèi)氣流組織進(jìn)行模擬優(yōu)化研究。
體育館比賽大廳模型如圖1所示。
圖1 體育館比賽大廳模型
沈陽建筑大學(xué)體育館是一個多功能體育館,初步空調(diào)方案采用側(cè)送側(cè)回,南北側(cè)和東側(cè)各使用12個Ф600 mm球形噴口。東側(cè)送風(fēng)速度4.0 m/s,送風(fēng)溫度19.0 ℃,送風(fēng)角度為向下5.0°;南北兩側(cè)送風(fēng)速度2.8 m/s,送風(fēng)溫度19.0 ℃,送風(fēng)角度為向下15.0°;回風(fēng)口設(shè)置在送風(fēng)口下方2.8 m處。
采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對體育館進(jìn)行模擬研究。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比其他模型,有較大幅度改進(jìn),目前標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在實際中得到廣泛應(yīng)用[7]。
k方程:
σk=1.0,σt=1.3,c1=1.44,c2=1.92。
利用ICEM軟件將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對送風(fēng)口、回風(fēng)口、觀眾席等關(guān)鍵部位進(jìn)行加密處理。將送風(fēng)口設(shè)置為速度入口,回風(fēng)口設(shè)置為自由出流,將人體熱源和體育館內(nèi)其他熱源簡化在觀眾席壁面[8]。體育館模型網(wǎng)格外觀如圖2所示。
圖2 體育館模型網(wǎng)格外觀
比賽場地8.00 m 以下的氣流速度為0.10~0.40 m/s,分布較為均勻,比賽場地人員活動區(qū)域風(fēng)速為0.05~0.30 m/s。因此,比賽場地的氣流速度不滿足進(jìn)行羽毛球比賽的風(fēng)速要求。觀眾席上方0.50 m處氣流速度分布在0.10~0.30 m/s之間,觀眾無明顯吹風(fēng)感。比賽大廳溫度為24.0~26.5 ℃,觀眾席的溫度為25.0~32.0 ℃左右,比賽場地人員活動區(qū)域溫度在24.0~25.5 ℃之間。整個比賽大廳除觀眾席部分區(qū)域外,溫度基本滿足體育館的設(shè)計要求。
典型截面的溫度、速度分布云圖如圖3所示。
圖3 典型截面溫度、速度分布云圖
通過模擬分析可知,初步空調(diào)方案比賽場地風(fēng)速過高,不滿足進(jìn)行羽毛球比賽的要求,且觀眾席溫度過高。根據(jù)體育館的實際使用情況進(jìn)行調(diào)整,具體優(yōu)化方案為:東側(cè)送風(fēng)溫度調(diào)整為18.0 ℃,送風(fēng)角度改為向下10.0°,送風(fēng)速度調(diào)整為3.5 m/s;南北兩側(cè)送風(fēng)溫度調(diào)整為18.0 ℃,送風(fēng)角度改向下20.0°,送風(fēng)速度調(diào)整為2.4 m/s。
整個場地8.000 m以下的風(fēng)速為0.050~0.200 m/s,比賽大廳風(fēng)速為0.015~0.170 m/s;觀眾席上方氣流速度為0~0.250 m/s。比賽大廳溫度分布在24.5~26.5 ℃,活動區(qū)域溫度分布在24.5~27.0 ℃;觀眾席的溫度為24.5~26.5 ℃,優(yōu)化后的體育館滿足設(shè)計要求。
優(yōu)化后典型截面速度和溫度分布云圖如圖4所示。
圖4 優(yōu)化后典型截面速度、溫度分布云圖
對沈陽建筑大學(xué)體育館進(jìn)行實測驗證,選取體育館典型截面x=23.3 m處進(jìn)行溫度與速度的測量。實測值與模擬值基本吻合,證明本文選擇的數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。速度、溫度實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比如圖5、圖6所示。
圖5 實測速度與模擬速度對比
本文從送風(fēng)溫度、送風(fēng)角度、送風(fēng)速度3個方面總結(jié)出體育館氣流組織優(yōu)化策略。體育館進(jìn)行羽毛球比賽時,需要著重考慮送風(fēng)速度對羽毛球比賽的影響,此時送風(fēng)速度應(yīng)較原送風(fēng)速度略有下降,將南北兩側(cè)送風(fēng)速度由2.8 m/s降至2.4 m/s,東側(cè)送風(fēng)速度由4.0 m/s調(diào)整為3.5 m/s;原設(shè)計方案觀眾席部分區(qū)域溫度過高,此時應(yīng)將送風(fēng)溫度降低,將南北兩側(cè)送風(fēng)溫度由原來的19.0 ℃降至18.0 ℃,東側(cè)送風(fēng)溫度由原來的19.0 ℃調(diào)整為18.0 ℃;原設(shè)計方案后排觀眾席降溫效果不明顯,此時應(yīng)增大送風(fēng)角度,南北側(cè)送風(fēng)角度由原來的向下15.0°增大為20.0°;東側(cè)送風(fēng)角度由原來的向下5.0°改為向下10.0°。優(yōu)化后,整個體育館溫度、速度分布均勻,體育館內(nèi)人員感覺相對舒適,滿足設(shè)計要求。