趙曉麗, 胡松濤, 朱輝, 王剛, 韓立彬

(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院, 青島 266520)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度對室內(nèi)熱環(huán)境具有重要影響[1]。然而在實(shí)際情況中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能往往存在差異,導(dǎo)致各個(gè)壁面的內(nèi)表面溫度不同,從而在室內(nèi)形成不對稱的熱環(huán)境,造成熱輻射的不對稱性或非均勻性[1-2],影響人們的熱舒適和工作效率。這種現(xiàn)象廣泛存在于日常工作和生活中,尤其在玻璃幕墻建筑[3]、太陽能建筑[4-5]以及使用輻射采暖或制冷的建筑[6]中更為常見,但在實(shí)際工程中經(jīng)常會被忽略。建筑室內(nèi)熱輻射不對稱環(huán)境對人體生理響應(yīng)和熱舒適存在直接影響,主要表現(xiàn)為局部皮膚溫度的改變和局部舒適的降低[4,6-8]。即使在中性空氣溫度的房間內(nèi),人體仍然可能會感到明顯不適[2,4,9]。

國內(nèi)外有部分學(xué)者對熱輻射不對稱下的建筑室內(nèi)熱環(huán)境特性進(jìn)行了研究。為了深入了解熱輻射不對稱環(huán)境的特點(diǎn),Lestinen等[10]探究了不對稱熱負(fù)荷分布和低動量天花板擴(kuò)散通風(fēng)的氣流組織特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不對稱的熱負(fù)荷分布產(chǎn)生了大規(guī)模循環(huán)氣流模式,增加了湍流動能和湍流耗散。這表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的差異使得熱交換溫差不同,產(chǎn)生了不對稱的冷/熱負(fù)荷,可能會與對稱環(huán)境中的氣流特性不同。因此,可以考慮通過更為直觀的方法來描述熱輻射不對稱環(huán)境中的物理參數(shù)分布。此外,為了避免試驗(yàn)研究的煩瑣和投入問題,也有學(xué)者采用數(shù)值模擬方法研究室內(nèi)的熱輻射不對稱問題,即通過求解計(jì)算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)中的控制方程組來解決流動和傳熱問題,從而預(yù)測氣體流動和熱環(huán)境參數(shù)的時(shí)空分布。Dong等[7]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn),研究了太陽輻射對輻射供暖系統(tǒng)房間內(nèi)的溫度場、速度場的影響,結(jié)果表明太陽輻射帶來的室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱輻射不對稱對室內(nèi)熱舒適具有顯著影響,熱環(huán)境參數(shù)模擬值和實(shí)測值存在偏差;Yang等[11]通過數(shù)值模擬和調(diào)查,研究了天花板擴(kuò)散通風(fēng)與側(cè)壁輻射供暖系統(tǒng)集成時(shí)的流場分布和人體熱舒適,發(fā)現(xiàn)多孔天花板的非均勻開啟能夠改善室內(nèi)不對稱熱環(huán)境帶來的影響,在一定程度上減少局部熱不適。也有研究提出通過減小空調(diào)送風(fēng)溫差[7]、調(diào)整空調(diào)室內(nèi)機(jī)安裝高度[12],可在一定程度上改善室內(nèi)熱環(huán)境的分布,降低人體在熱輻射不對稱環(huán)境中的熱不適。但是,多數(shù)數(shù)值模擬均基于大量的簡化和假設(shè),如簡化了空調(diào)器的模型,忽略了空調(diào)器內(nèi)部流場(送風(fēng)源頭)的影響,因此模擬值和實(shí)驗(yàn)值存在一定偏差。

目前家用分體式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的核心部件之一為貫流風(fēng)機(jī),其內(nèi)部流動時(shí)刻發(fā)生著渦的脫落、二次流等復(fù)雜流動。然而現(xiàn)有數(shù)值模擬往往將室內(nèi)機(jī)簡化為二維模型[13-14],甚至將其看作一個(gè)塊[15-16],忽略了空調(diào)器結(jié)構(gòu)本身對模擬結(jié)果的影響。雖然有學(xué)者對空調(diào)器內(nèi)部流動進(jìn)行了三維模擬[17],但模擬的準(zhǔn)確性和精確性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。在網(wǎng)格劃分、湍流模型選擇、流動和熱邊界條件設(shè)置,通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或適用范圍進(jìn)行選擇,未充分考慮空調(diào)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和氣體流動特點(diǎn)[13-14,18]。

綜上,建筑室內(nèi)的熱輻射不對稱問題在人們的日常生活中廣泛存在,但以往針對空調(diào)空間的數(shù)值模擬中,未充分考慮其對模擬結(jié)果的影響,導(dǎo)致模擬結(jié)果的精確性仍有待提高。其次,現(xiàn)有研究一般基于大量的模型簡化來進(jìn)行模擬,湍流模型的選擇和網(wǎng)格劃分策略并沒有充分考慮空調(diào)器結(jié)構(gòu)帶來的影響。再次,模型和算法的選擇也需要基于整個(gè)室內(nèi)環(huán)境和空調(diào)內(nèi)機(jī)內(nèi)的流動特性來合理確定。這些都會直接影響數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,導(dǎo)致空調(diào)房間內(nèi)熱環(huán)境的精確仿真難以實(shí)現(xiàn)。基于以上研究現(xiàn)狀,現(xiàn)對空調(diào)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和房間布置進(jìn)行全尺寸建模,采用多類型復(fù)合網(wǎng)格劃分策略,以現(xiàn)場實(shí)測熱流密度值作為熱邊界條件,對比分析現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬的風(fēng)量、溫度場和濕度場差異,驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。以期為熱輻射不對稱空間內(nèi)的熱環(huán)境營造提供依據(jù),也為分體式空調(diào)房間的熱環(huán)境和氣流組織模擬提供一種較精確的方法。

1 試驗(yàn)方法與儀器

1.1 研究對象

研究對象為海信空調(diào)公司青島廠區(qū)的環(huán)境實(shí)驗(yàn)室,尺寸為3 930 mm×4 390 mm×2 930 mm。該環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)部構(gòu)成較為復(fù)雜,內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成了典型的熱輻射不對稱現(xiàn)象,具體室內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)境實(shí)驗(yàn)室示意圖Fig.1 Schematic diagram of environmental laboratory

實(shí)驗(yàn)室三面內(nèi)墻與頂板為普通抹灰標(biāo)準(zhǔn)墻體(240 mm),而另一面內(nèi)墻為聚氨酯夾心板,地面鋪裝實(shí)木地板。此外,由圖1可以看出,實(shí)驗(yàn)室頂部有一尺寸為1 470 mm×1 170 mm×480 mm的方形凸起(用于吸頂式空調(diào)器的性能試驗(yàn)),可能會對氣流組織和溫度分布產(chǎn)生一定影響?？照{(diào)器室內(nèi)機(jī)的正下方有一扇窗戶,與空調(diào)所在墻體相鄰的墻安裝有一扇普通木門。與窗戶相對的墻體上安裝有一面尺寸為1 810 mm×3 620 mm×8 mm的不銹鋼輻射板,用于室內(nèi)的輻射供熱、供冷試驗(yàn),在試驗(yàn)過程中,該輻射板處于非工作狀態(tài)。

1.2 測量儀器

現(xiàn)場測量中分別采用熱流密度計(jì)、熱電偶、溫濕度記錄儀和熱線風(fēng)速儀,測量圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流密度、空氣溫度、空氣相對濕度和氣流速度。測量參數(shù)及儀器信息如表1所示,所有儀器在正式測量之前均經(jīng)過校準(zhǔn)。

表1 測試儀器參數(shù)Table 1 Parameters of test instruments

1.3 測量方法

采用熱電偶實(shí)時(shí)連續(xù)測量室內(nèi)空氣溫度的分布,熱電偶的具體布置如圖2所示。將實(shí)驗(yàn)室按照高度Z方向劃分為365、875、1 425、1 930和2 240 mm共5個(gè)近似等距的平面,每個(gè)平面在同豎向位置處分別布置7×6共42個(gè)熱電偶測點(diǎn),實(shí)驗(yàn)室空間內(nèi)共布置210個(gè)溫度測點(diǎn),實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)溫度變化。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室高度Z為650、1 300、1 950和2 600 mm共4個(gè)高度方向上布置溫濕度記錄儀,測量垂直高度方向上的相對濕度值。

圖2 室內(nèi)空氣溫度測點(diǎn)布置圖Fig.2 Indoor air temperature measuring point layout

此外,將上述溫度測點(diǎn)在Z方向內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的投影點(diǎn)作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流密度測點(diǎn),采用熱流密度計(jì)測量內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)的熱流密度值。在空調(diào)器送風(fēng)口橫軸線上布置6個(gè)等距測點(diǎn),并采用熱線風(fēng)速儀測量各點(diǎn)風(fēng)速。每個(gè)測點(diǎn)間隔10 s記錄一次瞬時(shí)風(fēng)速值,取1 min內(nèi)的平均值作為每個(gè)測點(diǎn)的送風(fēng)風(fēng)速。最后,取其6點(diǎn)風(fēng)速平均值作為空調(diào)平均送風(fēng)風(fēng)速。

以上所有參數(shù)的測量均在空調(diào)連續(xù)運(yùn)行1 h后進(jìn)行,此時(shí)制冷工況視為穩(wěn)態(tài)工況。通過試驗(yàn)測量得到穩(wěn)態(tài)制冷工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流密度值如表2所示,其數(shù)值大小為同位置多次測量的平均值,以此作為數(shù)值模擬的熱邊界條件參數(shù)。由表2可知,實(shí)驗(yàn)室各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流密度值相差較大,房間內(nèi)部存在熱輻射不對稱現(xiàn)象。

表2 現(xiàn)場試驗(yàn)測量得到的各圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流密度值Table 2 Heat flux density value of each building envelope obtained from field experimental measurements

2 數(shù)值模擬研究

2.1 物理模型與網(wǎng)格劃分策略

2.1.1 物理模型

模擬對象的物理模型通過UG NX12.0軟件建立,具體如圖3所示。空調(diào)器室內(nèi)機(jī)的結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)室的門、窗、輻射板、頂部凸起等均為1∶1全尺寸精確建模,從而真實(shí)還原了該環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的空間布局,最大限度地降低了物理模型過度簡化引起的模擬誤差。

圖3 實(shí)驗(yàn)室和空調(diào)器物理模型Fig.3 Laboratory and air conditioner physical models

2.1.2 網(wǎng)格劃分策略

在建立了上述高度還原的物理模型后,采用Meshing來進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格質(zhì)量直接影響仿真精度。網(wǎng)格尺寸和時(shí)間步長減少時(shí),舍入誤差減小,離散誤差增加。因此,在生成網(wǎng)格時(shí)首先應(yīng)確定合適的網(wǎng)格密度,在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上加快殘差的收斂。綜合考慮網(wǎng)格劃分的相容性、協(xié)調(diào)性、逼近精確性、良好的單元形狀、良好的劃分過渡性、自適應(yīng)性和一致性原則[19],同時(shí)考慮到貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)氣流運(yùn)動的復(fù)雜性,將流體區(qū)域劃分為換熱器、房間流域、旋轉(zhuǎn)域、旋轉(zhuǎn)軸和空調(diào)外殼區(qū)域共5個(gè)部分,總體網(wǎng)格數(shù)量為903萬,網(wǎng)格劃分策略如表3所示。房間流體區(qū)域的網(wǎng)格劃分采用“多區(qū)域”繪制方法,實(shí)現(xiàn)分區(qū)精確控制網(wǎng)格質(zhì)量、提升計(jì)算速度[20]。

表3 網(wǎng)格劃分策略Table 3 Meshing strategy

為保證網(wǎng)格劃分的良好過渡,添加類型為“影響范圍”的幾何體尺寸調(diào)整,從而保證重點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)格密度,獲取該區(qū)域更精確的模擬結(jié)果。設(shè)定全局網(wǎng)格尺寸為80 mm,以空調(diào)器中心為基準(zhǔn)點(diǎn),對空調(diào)器內(nèi)部及送風(fēng)口附近流體區(qū)域添加如圖4所示的尺寸調(diào)整。

圖4 “影響范圍”尺寸調(diào)整示意圖Fig.4 Dimension adjustment diagram of “influence region”

幾何尺寸調(diào)整參數(shù)設(shè)置如表4所示。隨著影響半徑的增大,網(wǎng)格單元尺寸線性增加,實(shí)現(xiàn)由空調(diào)至房間流域網(wǎng)格單元的平穩(wěn)過渡。

表4 幾何尺寸調(diào)整參數(shù)表Table 4 Parameters of geometric dimension adjustment

為控制換熱器、旋轉(zhuǎn)域和空調(diào)器進(jìn)風(fēng)口格柵與其他相鄰流體域的網(wǎng)格銜接,保證網(wǎng)格劃分的協(xié)調(diào)性和一致性,對相鄰面添加面尺寸調(diào)整,其中換熱器面尺寸調(diào)整單元尺寸為3 mm,旋轉(zhuǎn)域和回風(fēng)柵單元尺寸為2 mm,經(jīng)過調(diào)整后的空調(diào)器內(nèi)流域的網(wǎng)格效果如圖5所示。經(jīng)上述網(wǎng)格劃分策略生成的整體網(wǎng)格如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)格劃分Fig.6 Grid division of laboratory

2.2 湍流模型選擇

該分體式空調(diào)包含貫流風(fēng)機(jī)、換熱器、進(jìn)風(fēng)格柵、導(dǎo)流片等精細(xì)部件,依靠貫流風(fēng)機(jī)葉片的高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定送風(fēng),氣流特性較復(fù)雜。既包含了空調(diào)器內(nèi)部貫流風(fēng)機(jī)處的轉(zhuǎn)捩流動,又包含了遠(yuǎn)壁面附近的低雷諾流動,此外在房間的中心位置還可能存在大型渦旋。針對這些流動特性,可以選擇的湍流模型包括了k-ε和k-ω模型。

其中,Standardk-ε模型適用于完全發(fā)展的湍流,但對于逆壓梯度、強(qiáng)曲率流動以及射流流動的模擬并不精確[21];而RNGk-ε模型雖然可以模擬渦流、分離流等復(fù)雜流動,但計(jì)算精度有限,計(jì)算資源要求高[22];Standardk-ω模型適用于轉(zhuǎn)捩流和低雷諾數(shù)流動,適合解決研究中貫流風(fēng)機(jī)渦流以及空調(diào)遠(yuǎn)端、房間角落等區(qū)域的低速流體運(yùn)動問題[23]。SSTk-ω模型在近壁面采用Standardk-ω模型,同時(shí)在遠(yuǎn)壁面采用Standardk-ε模型,因此具備了兩者的優(yōu)點(diǎn)[24]。為兼顧該流動和傳熱問題中高雷諾轉(zhuǎn)捩流和遠(yuǎn)場低雷諾數(shù)流動的氣流特性,選擇了SSTk-ω模型。

2.3 邊界條件

2.3.1 貫流風(fēng)機(jī)

在數(shù)值模擬中,對于有明確進(jìn)出口截面的流動,流動邊界條件通過指定速度值和方向來實(shí)現(xiàn)。而空調(diào)器以貫流風(fēng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)為動力源,無法選定某一面設(shè)定速度值。因此在建模階段,在貫流風(fēng)機(jī)葉片周圍單獨(dú)建立圓柱旋轉(zhuǎn)域,按照空調(diào)機(jī)型的設(shè)計(jì)參數(shù),設(shè)定其旋轉(zhuǎn)速度為1 120 r/min(對應(yīng)高風(fēng)速工況),即空調(diào)器貫流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度為1 120 r/min。

2.3.2 換熱器

對于空調(diào)器的換熱核心翅片管,選擇多孔介質(zhì)模型來模擬換熱器中的流動和傳熱問題,即認(rèn)為除孔隙區(qū)域外換熱器內(nèi)部溫度均勻一致。其設(shè)定溫度值來源于空調(diào)公司的數(shù)據(jù),即該型號空調(diào)器制冷工況下?lián)Q熱器的實(shí)測溫度17.17 ℃。

此外,參考文獻(xiàn)[25]中的計(jì)算方法和空調(diào)公司的試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算得到換熱器的黏性阻力系數(shù)為17 000 000 m-2,慣性阻力系數(shù)為338.36 m-1?？紤]到換熱核心中氣流在換熱翅片狹小縫隙內(nèi)流動,因此忽略流體在翅片流道法向(X方向)的流動,可設(shè)置X方向上的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)為Y、Z方向上的1 000倍(甚至更大)。

2.3.3 濕度項(xiàng)

通過組分輸運(yùn)模型來描述空氣與水蒸氣之間的相互作用,從而模擬室內(nèi)的濕度分布。具體而言,通過設(shè)置水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方式為空調(diào)器內(nèi)部貫流風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)域添加濕度“源項(xiàng)”。參考《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》第二版[26]的計(jì)算方法,得到額定制冷工況(室內(nèi)相對濕度40%、溫度27 ℃)下,旋轉(zhuǎn)域和多孔介質(zhì)換熱器的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.008 88。

2.3.4 壁面邊界

假設(shè)實(shí)驗(yàn)室各個(gè)內(nèi)壁面均為靜止無滑移壁面,采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。對于4個(gè)墻面和頂面,熱邊界采用第二類熱邊界條件,各個(gè)面的熱流密度值根據(jù)上文中的實(shí)測結(jié)果(表2)確定。地面假設(shè)為絕熱邊界。

2.4 離散化

CFD中用于求解控制方程組的壓力-速度算法,對收斂速度和計(jì)算資源需求有很大影響。目前的離散方法包括分離算法和耦合算法。分離算法包括壓力耦合方程組的半隱式算法(semi-implicit methods for pressure-linked equations-semi-implicit methods for pressure-linked equations consistent, SIMPLE-SIMPLEC)以及壓力隱式分裂算法(pressure-implicit with splitting of operators, PISO),分別求解速度方程和壓力方程,具有計(jì)算內(nèi)存和CPU占用少、計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn),但是收斂性和魯棒性有待改進(jìn)[27],且PISO算法適合求解瞬態(tài)流動問題。

與分離式求解法不同,Coupled算法是一種隱式耦合算法,特點(diǎn)在于同時(shí)求解速度和壓力參數(shù),迭代穩(wěn)定性好。但計(jì)算效率低、內(nèi)存要求大,在計(jì)算可壓縮流動時(shí)更有優(yōu)勢[27]。針對空調(diào)器內(nèi)部貫流風(fēng)機(jī)、換熱器內(nèi)部流動和傳熱問題復(fù)雜的特點(diǎn),通過計(jì)算精度、穩(wěn)定性、收斂性對比后,最終采用Coupled算法。

考慮到多類型網(wǎng)格相結(jié)合和貫流風(fēng)機(jī)壓力急劇變化的特點(diǎn),擴(kuò)散項(xiàng)梯度插值方法和壓力插值算法分別選用精度較高的最小二乘梯度插值方法和二階迎風(fēng)壓力求解方法。其他物理量如動量、湍流動能、比耗散率、能量等,均采用二階迎風(fēng)格式,以提高數(shù)值模擬計(jì)算精度。

3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比

通過監(jiān)測數(shù)值模擬殘差曲線,認(rèn)為當(dāng)計(jì)算殘差接近設(shè)定值時(shí)(能量方程10-7、其他項(xiàng)10-4)認(rèn)為計(jì)算收斂。選取空調(diào)器送風(fēng)量、室內(nèi)溫度和相對濕度3個(gè)物理量,對比數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果偏差,從而判斷模擬方法的精度。

3.1 送風(fēng)量

在CFD軟件中建立空調(diào)器送風(fēng)口截面,采用表面積分將送風(fēng)口截面上每個(gè)網(wǎng)格的送風(fēng)量數(shù)值相加,得到空調(diào)器送風(fēng)口質(zhì)量流量為0.215 kg/s。查找送風(fēng)溫度對應(yīng)空氣密度值,通過換算得到模擬送風(fēng)量為618.5 m3/h。1.3節(jié)測量得到空調(diào)送風(fēng)口的平均風(fēng)速值,與空調(diào)送風(fēng)口面積相乘,計(jì)算得到實(shí)際送風(fēng)風(fēng)量為578 m3/h。因此,數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測的風(fēng)量相對誤差為7%。

3.2 室內(nèi)空氣溫度分布

基于210個(gè)室內(nèi)溫度測點(diǎn)的測量值,與對應(yīng)位置點(diǎn)的數(shù)值模擬溫度值,參考《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度參數(shù)校準(zhǔn)規(guī)范》(JJF 1101—2019)[28]的計(jì)算方法,分別得到數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測的溫度偏差、溫度均勻度和垂直溫差如表5所示?？梢钥闯?相較實(shí)測數(shù)據(jù),數(shù)值模擬得到的溫度偏差和溫度均勻度更大,模擬值與實(shí)測值之間的相對誤差分別為1.45%和8.06%;而基于模擬值計(jì)算得到的垂直溫差僅低于實(shí)測值垂直溫差0.03 ℃。

表5 數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測溫度分布差異Table 5 Discrepancy in temperature distribution between numerical simulation and field measurement

為確定數(shù)值模擬得到的溫度場與實(shí)測數(shù)據(jù)的偏差,分別計(jì)算了室內(nèi)210個(gè)測點(diǎn)處的相對誤差,相對誤差為模擬值與實(shí)測值的差值與實(shí)測值的百分比,計(jì)算結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?所有室內(nèi)溫度測點(diǎn)的相對誤差均控制在10%以內(nèi),其中98%的測點(diǎn)相對誤差控制在5%以內(nèi)。室內(nèi)溫度場的低誤差率說明本數(shù)值模擬方法可得到較高精度的結(jié)果,模擬結(jié)果可信。

為進(jìn)一步探究空調(diào)送風(fēng)主流域和人員活動區(qū)域內(nèi)空氣溫度的偏差,選取X方向1 070、1 740、2 300和2 910 mm共4個(gè)YZ平面,分析隨著空調(diào)送風(fēng)距離的增加,人員活動區(qū)域(Z方向1 425、875和365 mm共3個(gè)垂直高度方向)的溫度變化趨勢及模擬準(zhǔn)確性,結(jié)果如圖8所示。

圖8表明,隨著空調(diào)送風(fēng)距離的增加,同一高度方向上空氣溫度值逐漸降低,從空調(diào)送風(fēng)口到與之相對的墻壁處,溫度下降1.5～2.5 ℃,并且溫度波動呈現(xiàn)先增大后下降的趨勢,在房間中部溫度波動最大,而空調(diào)送風(fēng)口和墻壁處溫度波動相對較小。這說明空調(diào)送風(fēng)口轉(zhuǎn)捩流和遠(yuǎn)端低雷諾數(shù)流動的數(shù)值模擬結(jié)果較為可靠。3個(gè)高度方向上房間溫度均處于24～26 ℃,越接近地面溫度值越低。相較于X=1 070 mm和X=2 910 mm平面[圖8(a)和圖8(d)],X=1 740 mm和X=2 300 mm平面[圖8(b)和圖8(c)]的溫度波動和模擬偏差更大,說明在空調(diào)送風(fēng)主流區(qū)溫度場的模擬精度更高,總體的相對誤差均低于10%。

3.3 相對濕度分布

在試驗(yàn)測量中,采用溫濕度記錄儀測量得到實(shí)驗(yàn)室中間高度Z方向?yàn)?50、1 300、1 950和2 600 mm處的相對濕度分別為47.65%、54.73%、67.94%和70.08%,說明空調(diào)送風(fēng)口及其射流區(qū)域的相對濕度較高,隨著氣流的擴(kuò)散,相對濕度逐漸接近于制冷工況目標(biāo)相對濕度值。通過模擬軟件導(dǎo)出對應(yīng)位置的相對濕度值,基于此得到相對濕度實(shí)測值和模擬值的差異如表6所示。相較實(shí)測數(shù)據(jù),數(shù)值模擬得到的相對濕度值均偏小,但兩者的相對誤差均小于10%,數(shù)值模擬具有較高精度和可信度。

表6 數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測相對濕度分布差異Table 6 Discrepancy in relative humidity distribution between numerical simulation and field measurement

4 結(jié)論

針對熱輻射不對稱條件下室內(nèi)熱環(huán)境的模擬的精確度問題,通過全尺寸建模和合理設(shè)置模型、邊界、算法等手段,進(jìn)行了全尺寸數(shù)值模擬,并通過現(xiàn)場實(shí)測檢驗(yàn)了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究的創(chuàng)新性在于:對實(shí)驗(yàn)室空間布局和空調(diào)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行全尺寸1∶1建模,減少物理模型引起的模擬誤差;采用多類型復(fù)合網(wǎng)格劃分策略,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格由疏到密的平穩(wěn)過渡,提高網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)降低運(yùn)行內(nèi)存需求;以現(xiàn)場實(shí)測熱流密度值作為熱邊界條件,充分還原熱輻射不對稱環(huán)境的特點(diǎn);根據(jù)流動的特性合理選擇湍流模型。

研究得到的主要結(jié)論如下。

(1)210個(gè)室內(nèi)空氣溫度測點(diǎn)處的模擬值和試驗(yàn)值相對誤差均控制在10%以內(nèi),并有98%測點(diǎn)的相對誤差低于5%,說明了數(shù)值模擬方法可以得到精確的溫度分布。

(2)室內(nèi)空氣相對濕度的4個(gè)模擬值和試驗(yàn)值的相對誤差絕對值分別為0.99%、5.61%、8.21%、9.39%,說明數(shù)值模擬方法可以較精確地預(yù)測室內(nèi)相對濕度的分布。

(3)基于實(shí)測值計(jì)算得到的溫度偏差、溫度均勻度和垂直溫差,與基于模擬值得到的計(jì)算結(jié)果的相對誤差絕對值分別為1.45%、8.06%和7.14%。

以上結(jié)果說明數(shù)值模擬可以精確預(yù)測熱輻射不對稱房間內(nèi)的熱環(huán)境參數(shù),對于類似工程問題中熱環(huán)境的營造、空調(diào)器的改進(jìn)、室內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬具有一定的參考意義。