1、重 庆建筑Chongqing Architecture0 引言随着社会的进步 ， 人们对生活质量的追求 ， 除物质生活外 ，对精神 、文化等方面有了越来越高的要求 ，为此需要更多的功能合理 、质量上乘 、环境舒适的公共活动空间 。 对此 ，如何根据建筑结构的要求 ，通过合理的系统设计及设备选择 ，创造一个健康 、舒适 、节能的室内环境 ，是暖通专业一直需要努力的方向 。 而气流组织是室内空调设计的一个重要环节 ，尤其在大空间建筑中 ，它直接影响着空调系统的使用效果 ，因为只有合理的气流组织才能充分发挥送风的冷却和加热作用 ， 均匀地消除室内热量 ， 并有效地排出有害物和悬浮在空气中的灰尘 ，满
2、足室内的舒适性和卫生要求 。本文应用 FLUENT6.2软件 ， 对某会展中心报告厅内的气流组织效果进行了模拟研究 ， 所得结论为报告厅空调系统优化设计 、预测气流组织等提供了理论依据和指导方法 。1 工程概况报告厅建筑面积为 2100m2， 地面离吊顶最高点距离为16.5m，无柱空间跨度为 39m，可容纳 1200人 。2 空调组织方案的确定该报告厅为满足业主所提出的多功能要求 ， 原空调方案考虑其内部可根据业主需要设置临时的舞台 ， 活动座椅等装备 ，气流组织为在两侧设置喷口 ，风口射程为 20m，回风采用在出入口及观众厅后墙面下部设置的风口集中回风的分层空调气流组织模式 。 后报告厅根据
3、业主对其功能的最后确定及装修要求 ，改为有固定主席台及固定阶梯座位 ，并且由于修改了装修方案 ，在大厅两侧增设了耳光调控室 ，侧墙及顶棚均采用了折线形的造型设计 ， 使得原空调方案的侧送下回的空调方式无法实现 。在进行空调方案修改时 ， 我们最先考虑的是在大空间公共建筑中运用比较广泛 ，节能效果显著的分层空调 。 拟采用座椅送风 ，侧墙回风的下送侧回的气流组织形式 ，保证 5m以下空间空调效果 ， 而上部的热气流则可通过在屋顶设置的通风兼排烟系统排出 ；但因项目是在已经完成土建后进行的修改 ，阶梯座位是修建在一层结构板上的 ， 现场条件的限制使得观众席的前十排无法在座椅下设置送风口 ， 该区域
4、的空调效果也无从得到保证 ，因此该方案不具备可行性 。 根据装修和工程的实际情况 ， 只能采用在报告厅顶部及观众厅后部顶送下回的气流组织形式 ，我们考虑在主席台上部设置旋流风口 ，主席台至前十排的观众席上方及观众席后方设置喷口 ， 在观众席的后十排座椅下及主席台下方设置回风口 ， 以期能达到较为合理的送回风循环 。 在经过负荷计算和气流组织设计计算后 ，确定了系统的冷热负荷及送 、 回风量 ， 共选用了 6台风量为12000m3/h及 2台风量为 6000m3/h的柜式空调器作为报告厅的空气处理设备 ，同时在回风管段上段均设置了回风机 ，以保证空调时的回风效果及非空调季节的通风运行 。3 空调
5、组织设计中有可能存在的问题及解决问题的方法和工具在初次的系统设计完成后 ，我们认为存在的问题是 ：在实际运行过程中 ，达到设计要求的室内温度时 ，是否存在有局部温度不均匀的现象 ？ 同时因为系统设计主要是根据冷负荷较大的夏季工况进行的负荷计算 、设备选型及末端风口的布置 ，冬季运行时 ， 是否需要调整风口角度才能满足室内的气流组织要求 ？针对上述问题 ，如能对气流组织方案下的室内温 、速度分布效果加以科学地预测 ，则可以实现设计方案的优化 。 为此 ，该工程拟利用目前国际流行的计算流体动力学和传热模拟软某会展中心报告厅空调气流组织的 CFD模拟分析胡宗 ，杨文杰 ，朱柏山（机械工业第三设计研究
6、院 ，重庆 400039）摘要 ：针对某会展中心报告厅跨度大 、空间高 、建设方功能更改而导致空调系统空调气流组织困难的难点问题 ，通过改变送风口数量和送风温度 ，采用流体仿真软件对高大空间的温度和速度场进行数值模拟和分析 ，最终达到调整和优化空调系统设计方案的目的 。关键词 ：报告厅 ；高大空间 ；气流组织 ；数值模拟 ；设计优化中图分类号 ：TU242.2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1671-9107（2012）11-0058-03收稿日期 ：2012-09-18作者简介 ：胡宗 （1971-），男 ，重庆人 ，研究生 ，工程师 ，主要从事暖通空调设计 。杨文杰 （1968-），女 ，
7、湖南长沙人 ，本科 ，高级工程师 ，主要从事暖通空调设计 。朱柏山 （1981-），男 ，甘肃金昌人 ，研究生 ，工程师 ，主要从事暖通空调设计 。58doi：10.3969 j.issn.1671-9107.2012.11.058CFD Simulation Analysis on Air Distribution of Air Conditioning of A Lecture HallAbstract: Based on the problem of air distribution disorder of air conditioning system in a lecture hal
8、l caused by the hall features of large span, highspace and construction function change, design of the air conditioning system is adjusted and optimized by changing air distributor number and air dis-tributor temperature and numerically simulating and analyzing with fluid simulation software the tem
9、perature and velocity field of large space.Key words: lecture hall; large cylindrical space; air distribution; numerical simulation；design optimizing2012.N0.11第 11卷 总第 109期图 1 模拟空间及其中网格情况显示图边界条件 工况一 工况二 工况三 工况四 工况五主席台上空送风口送风速度 /m/s 3 3 3 3 3送风温度 / 16 16 16 22 22送风角度 90o90o90o90o90o观众席上空送风口送风速度 /m/s
10、4 4 4 4 4送风温度 / 16 16 16 22 22送风角度 45o30o30o30o45o主席台对面墙上送风口送风速度 /m/s 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4送风温度 / 16 16 16 22 22送风角度 45o45o45o45o45o风口个数 /个 20 20 22 22 22人体表面热流量 /W/m2屋顶 1表面热流量 /W/m2屋顶 2表面热流量 /W/m2130 130 130 130 130夏季 20 20 20 20 20冬季 10 10 10 10 10夏季 40 40 40 40 40冬季 20 20 20 20 20表 1 不同气流组织方案时所选用的边
11、界条件件FLUENT，对不同气流组织方案下的室内温 、速度状况进行模拟 ，提出优化的送 、回风口布置方案以及送风参数的合理建议 ，供工程设计借鉴和参考 。4 数学和物理模型的简化4.1 物理模型简化由于所模拟的报告厅空间几何空间大 ，而所采用的送 、回风口的尺寸较小 。 因最大与最小尺寸相差悬殊 ，在数值仿真时势必建立较密的网格 。 但过密的网格往往会导致计算难以快速实现 ，甚至结果很难收敛 。 因此结合会议厅建筑本身结构对称的特点 ，以过主席台中心的中轴面为对称轴 。 把中轴面设为对称边界条件 ，取一半空间作为模拟对象 ，减少了一半的网格数 ，使运算速度得到提高1。由于座位和人员较密集 ，
12、如若将主席台和观众席的每个人都用一个长方体来代替 ，将导致网格划分时数量巨大 ，难以实现问题的数值求解 。 因此 ，为降低网格划分的难度和网格数量而把人体总散热量平均分配到了 50个大小为 10.6（高 宽 ）长度不等的长方体的五个面上 ，人体表面热流量为 130W/m2；在会议厅气流组织模拟时 ， 模拟的空间内共设有 37个屋顶送风口 ，送风口直径为 0.34m。另外 ，在主席台前端设置 18个 0.50.15的回风口 ，两风口中心距离为 0.3m。 观众席区域的座椅风口简化为 102个 0.20.2的风口 ，两风口中心距离为 1.23m。4.2 网格生成由于几何构造复杂 ，因此采用了非结构
13、化网格 （四面体网格 ）。 这种网格节点的位置无法用一个固定的法则予以有序地命名 ，生成过程比较复杂 ，但对于会议厅这种几何形式复杂的模拟对象 ，却有着很好的适应性 ，尤其对于具有复杂边界的流场计算问题特别有效 。 由于计算空间很大 ，建立网格时对空间进行分区加密处理 ，如贴近送风口和人体的区域网格均加密 。简化后的模拟空间模型及整场网格划分状况如图 1所示 。4.3 边界条件的设置为确保座椅回风和屋顶送风达到室内良好的气流组织效果和热舒适性 ，避免局部区域温度过高 、风速过大等问题的发生 ，合理选取风口的大小 、数量 、送风角度以及送风参数等显得十分重要 。 鉴于会议厅处于建筑的内区 ， 故
14、壁面按绝热处理 ，其他边界采用了表 1给出的几种边界条件进行模拟 。5 室内气流数值模拟及分析5.1 夏季工况风速场结果与分析通过对观众席送风口不同角度 （30，45）工况一和工况二的送风方案模拟计算 ， 图 3图 6是室内代表断面 Y=0.5m处的温度和速度对比图 ，从图 2 图 3可以看出 ，观众席上空送风口采用 30倾角送风的工况时 ，由于送风角度较小 ，射流到达工作区的距离比较短 ，低温射流有效地降低了工作区的温度 ，使观众席工作区的温度维持在 26以内 。 由于主席台的工作区气流速度较小 ，该区域温度较观众席工作区的温度略高 ，但没有超过 28。59暖通设计某会展中心报告厅空调气流组
15、织的 CFD模拟分析(a) (b)ZYXZYX图 4 送 风 口 倾 角 45时 ，Y=0.5m处温度剖面图图 5 送风口倾角 45时 ，Y=0.5m处速度剖面图图 2 送风口倾角为 30时 ，Y=0.5m处温度剖面图图 3 送风口倾角 30时 ，Y=0.5m处速度剖面图3.10e+022.95e+022.96e+022.97e+022.98e+022.99e+023.01e+023.02e+023.03e+023.04e+023.05e+023.06e+023.07e+023.08e+023.09e+022.94e+022.89e+022.90e+022.91e+022.92e+022.93
16、e+023.10e+022.95e+022.96e+022.97e+022.98e+022.99e+023.00e+023.02e+023.03e+023.04e+023.05e+023.06e+023.07e+023.08e+023.09e+022.94e+022.91e+022.92e+022.93e+023.01e+023.01e+021.00e+019.50e-013.50e-014.00e-014.50e-015.00e-015.50e-016.00e-016.50e-017.00e-017.50e-018.00e-018.50e-019.00e-010.00e+005.00e-01
17、1.00e-011.50e-012.00e-012.50e-013.00e-011.00e+009.50e-013.50e-014.00e-014.50e-015.00e-015.50e-016.00e-016.50e-017.00e-017.50e-018.00e-018.50e-019.00e-010.00e+005.00e-011.00e-011.50e-012.00e-012.50e-013.00e-01重 庆建筑Chongqing Architecture从图 4图 5可以看出 ， 观众席上空送风口采用 45倾角送风时 ，低温射流衰减的距离较长 ，到达工作区之前已和工作区上部热气流进
18、行了充分的热交换 ，导致工作区温度较 30倾角送风时要高 ；通过对比两种倾角送风可以看出 ，在观众席后排局部区域风速较大 ，但都未超过 0.5m/s。 通过以上分析可以看出 ，观众席上空送风口采用 30倾角送风较为合理 ，其在绝大部分工作区风速可满足舒适性要求 ， 在射流断面及工作区产生的漩涡最小 。为了降低观众席局部区域和主席台工作区温度 ， 通过对工况三送风方案模拟计算 ，由图 6图 7可以看出 ，增加 2个风口后 ，主席台工作区的速度较工况二有所增加 ，有效的消除了工作区的热量 ，使工作区的温度下降 ，其温度基本维持在 26左右 ，达到了设计要求 。综合考虑工作区的风速及温度分布 ， 笔
19、者认为观众席上空风口设置为 30倾角和 22个送风口为最优的方案 ，其在绝大部分工作区温度和速度均能满足舒适性要求 ， 且在工作区温度波动最小 ，速度场较为均匀 。5.2 冬季工况风速场结果与分析考虑冬季工况热气流在浮生力的作用下 ， 较难送入工作区 ，为实现冬季室内达到 20左右的舒适温度要求 ，本文采用观众席上空的风口数量 22个风口的方案 ， 保持送风量与夏季相同 ，对冬季采用不同送风角度 （工况四 、工况五 ）时室内的温度场和速度场进行了模拟和比较分析 ，由图 8图 9可知 ，冬季送风口倾角为 30时 ，会议厅内温度场和速度场分布较为均匀 ，基本满足设计要求 ；从图 10图 11可以看
20、出 ，若冬季送风口倾角为 45时 ，热射流在观众席后部汇集 ，在其上部汇集产生较大气流涡旋 ，人体头部区域最大风速超过 1m/s，不能满足设计要求的 0.5m/s。 通过以上分析 ，冬季会议厅送风口倾角为 30较为合理 。6 结论（1）由模拟结果分析 ，观众席上空送风口倾角为 30和风口个数为 22个时 ， 流场均匀性最好 ， 能够满足工作区热舒适要求 。（2）对冬季工况数值模拟结果进行分析 ，确定了在观众席采用 22个风口布置 ， 送风温度采用 22送风 ， 送风口倾角为30。 以上优化设计可以使建筑内绝大部分工作区温度和速度均能满足舒适性要求 ，且在工作区温度波动最小 。 这样既可以满足设
21、计要求 ，还可以达到更好的节能效果 。参考文献 ：1 许彬 ，陈少松 .浅析对称边界在数值计算中的应用 J.暖通空调 ，2007（9）.2 胡定科 ，荣先成 ，罗勇 .大空间建筑室内气流组织数值模拟与舒适性分析 J.暖通空调 ，2006(5).3 付祥钊 ，何天祺 .供暖通风与空气调节 M.重庆 ：重庆大学出版社 ，2008.4 王福军 . 计算流体动力学分析 ： CFD软件原理与应用M.北京 ：清华大学出版社 ，2004.5 韩占忠 ，王敬 ，兰小平 . FLUENT流体工程仿真计算实例与应用 M.北京 ：北京理工大学出版社 ，2004.60某会展中心报告厅空调气流组织的 CFD模拟分析图
22、7 取 22个风口时 ，Y=0.5m处速度剖面图图 6 取 22个风口时 ，Y=0.5m处温度剖面图3.10e+022.95e+022.96e+022.97e+022.98e+022.99e+023.01e+023.02e+023.03e+023.04e+023.05e+023.06e+023.07e+023.08e+023.09e+022.94e+022.91e+022.92e+022.93e+023.01e+023.00e+021.00e+009.50e-013.50e-014.00e-014.50e-015.00e-015.50e-016.00e-016.50e-017.00e-017.
23、50e-018.00e-018.50e-019.00e-010.00e+001.50e-011.00e-015.00e-022.00e-012.50e-013.00e-01图 8 送风口倾角为 30时 ，Y=0.5m处温度剖面图图 9 送风口倾角为 30时 ，Y=0.5m处速度剖面图图 10 送风口倾角为 45时 ，Y=0.5m处温度剖面图图 11 送风口倾角 45时 ，Y=0.5m处速度剖面图3.10e+022.90e+022.96e+022.97e+022.98e+022.99e+023.02e+023.03e+023.04e+023.05e+023.06e+023.08e+023.09e
24、+022.94e+022.91e+022.92e+022.93e+023.00e+023.10e+022.95e+022.96e+022.97e+022.98e+022.99e+023.01e+023.02e+023.03e+023.04e+023.05e+023.06e+023.07e+023.08e+023.09e+022.94e+022.91e+022.92e+022.93e+023.01e+023.00e+021.00e+004.00e-012.00e+016.00e-017.00e-018.00e-019.00e-010.00e+005.00e-011.00e-012.00e-013.00e-012.86e+022.87e+022.88e+021.90e+001.80e+001.70e+001.60e+001.50e+001.40e+001.30e+001.20e+001.10e+001.00e+004.00e-012.00e+016.00e-017.00e-018.00e-019.00e-010.00e+005.00e-011.00e-012.00e-013.00e-011.90e+001.80e+001.70e+001.60e+001.50e+001.40e+001.30e+001.20e+001.10e+00
