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。

1 體育館模型建立及模擬分析

1.1 體育館簡介及物理模型建立

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。

1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

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

1.3 溫度場及速度場分析

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

2 優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化方案

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。

2.2 優(yōu)化后速度場、溫度場分析

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

2.3 實驗驗證

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

3 結(jié)語

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。