高大空间气流组织的数值模拟与实验研究

【摘要】：高大空间气流组织分布、预测不同设计方案的空调效果一直是工程设计人员的难题。随着计算机的高速度化以及计算流体动力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)的发展,应用CFD技术模拟预测高大空间气流组织、热舒适以及优化设计方案成为可能。本文通过采用CFD数值模拟与现场测试相结合的方法对高大空间空调系统的热舒适性与气流组织分布特性进行研究,以期研究结果能对实际空调工程设计具有指导价值。 本研究以北京市某大型公共建筑的高大中庭分层空调为研究对象,根据建筑的实际尺寸及空调设计参数,建立分层空调设计方案下的计算模型,采用PHOENICS软件对分层空调设计方案下的热舒适性和气流组织进行了三维数值模拟研究,并将研究成果应用到实际工程中。模拟计算运用k -ε两方程紊流模型与SIMPLE算法,近壁区采用壁面函数法考虑墙壁边界条件。其次,对高大中庭的气流组织评价展开研究,在前人工作的基础上发展和丰富了高大中庭类建筑气流组织的评价方法。 本文针对夏季分层空调设计方案,详细分析了气流组织分布特性,并对不同工况下温度场、速度场的不同影响因素进行了分析。针对冬季工况探讨了送风角度、送风速度、送风温差、送风间距对室内热环境的影响。为了进一步验证CFD方法模拟研究的可靠性,对于所研究的高大中庭进行了现场实验测试,并在测试气候条件下进行了数值模拟,以模拟所得结果与实验测试结果作对比,以期能够表明CFD研究方法的正确性和切实可行性。 研究结果表明: 1.送风速度的大小对形成稳定的气流隔断面有重要影响,当送风速度在4～4.5m/s时才能够形成稳定的气流隔断面,有效防止非空调区向空调区的热对流。 2.顶部排风对于降低非空调区的温度效果明显,有利于减小非空调区向空调区的传热量,节能效果显著;可是排风量太大会加强空调区与非空调区的热对流,反而会造成能量浪费,对于此类高大中庭,排风比宜控制在30%左右。 3.通过对不同的气流组织进行数值模拟和定量分析、评价,最终确定了比较合理的气流组织方案,为实际工程设计提供了参考。 4.通过实测值和模拟值的对比,验证了CFD方法的可靠性,证明CFD方法能够为高大空间类建筑空调系统优化设计、预测气流组织分布和热舒适评价等提供可靠的理论依据和指导方法。