论文部分内容阅读
摘要：利用CFD商用软件，采用Realizable k-ε双方程湍流模型，在人员区采用多孔介质模型，辐射换热采用离散坐标（DO）模型计算，对一置换通风房间在夏季空调室外逐时综合温度和室内热源共同作用下的情况，分别考虑辐射换热和不考虑辐射换热进行了非稳态数值模拟计算，获得了两种算法下，该房间的置换通风负荷和通风效率并进行了对比分析。结果表明，置换通风房间上区向工作区转移的热量在最大负荷时刻占工作区总负荷的30%左右;计算辐射时的通风效率比不计算辐射的通风效率小约16%。
关键词：辐射换热，置换通风负荷，通风效率，非稳态数值模拟
1 模拟对象概述
本文以西安某大学的一多媒体会议室（如图1所示）为研究对象。该房间有一面西外墙，3面内墙，一扇内门，一面西外窗，顶棚直接与室外空气接触，地板与内墙均假定为绝热。送风口位于南内墙底部;排风口尺位于北内
图1 模拟对象示意图
墙上部;室内人员（坐姿）
聚集区尺寸为 1-air inlet，2-air outlet，3-window，4-occupant zone
长×宽×高=7.2 m×4.4 m×1.1 m，顶棚灯光设备假定为均匀分布。外窗尺寸为长×高=5.4 m×1.5 m，窗户下缘距地高度为1.0 m，位于西墙中间。上述 “长”均指y方向，“宽”均指x方向，“高”为z方向。
2数学模型
2.1 湍流模型
在模拟室内气流的混合流动与换热时，本文选用了Realizable k-ε模型。在近壁区，采用标准壁面函数法处理。
2.2 辐射模型
本文采用离散坐标模型进行辐射换热计算。
2.3 流固耦合
流固耦合问题的数值解法本文选用整场离散，整场求解来进行计算。
2.4 浮升力处理
自然对流的浮升力作用采用Boussinesq假设处理[6]。
2.5 多孔介质模型
为了简化模型，节省计算机内存和计算时间，室内人员区按多孔介质处理。人员区人体的发热量和由窗户透过照在人员区的太阳辐射热量合起来作为多孔介质的内热源。
2.6 边界条件等设置
本文取送风口风速0.23 m/s，送风温度为20 ℃;排风口边界条件设置为压力出口。外墙和顶棚外表面设置为对流换热边界条件，表面传热系数用复合换热表面传热系数。窗玻璃设置为零厚度壁面，其热边界条件也设置为对流换热，窗户透过的日射负荷按设计手册给定并假设均匀分布到人员聚集区。内墙、地板和门内表面均设为绝热表面。照明灯贴近顶棚内表面安装，其散热采用在贴近它的空气网格内附加源项的方法处理。
3 数值模拟方法
采用结构化非均匀网格，由于人员区采用多孔介质模型，因此网格布置较稀。外墙及顶棚内的网格空间步长为5 cm，室内网格最小步长为8 cm，最大为15 cm，网格总数为47 017个。
进行非稳态数值计算时，取时间步长为6 s，各控制方程的离散采用有限容积法。压力插值格式采用Body Force Weighted格式。采用CFD软件进行计算时，同时在k方程和ε方程中计及浮升力的影响。压力-速度耦合采用SIMPLE算法，动量、能量及k和ε方程均采用二阶迎风离散格式。
计算收敛与否通过观察残差的变化趋势和能否达到残差控制指标，结合分析计算结果的合理性综合加以判断。本文能量及辐射方程的残差指标为10-6，其他方程为10-3。
本文的模拟对象是非稳态过程，而温度场是周期性变化的主要参数，也是我们关心的重点内容，因此，我们以温度变化的大小为判断标准，当两个相邻周期各个时刻的工作区平均温度差小于0.01℃时，即认为模拟对象已经进入了周期状态，可以输出模拟结果。
4辐射换热对置换通风负荷及通风效率的影响分析
为了校核本文置换通风系统设计的合理性，首先将计算出的室内参数与ISO7730置换通风设计标准进行对照。送风速度和送风温度已如前述符合规定。室内工作区平均温度均为26 ℃左右，风速均小于0.3m/s，也满足要求。z=0.1m和z=1.7m的最大温差为2.9℃，也满足小于3℃的规定。可见气流组织是合理的。下面对考虑辐射和不考虑辐射两种算法所得负荷和通风效率进行分析：
根据数值模拟所得的温度分布可以求出全室负荷
、工作区负荷即置换通风负荷
以及通风效率
式中：V为系统送风量（
）;
为送风温度;
为排风温度;
为工作区平均温度。 美国置换通风设计指导提出了置换通风通风效率的计算公式：
—换气率，次/小时;
Qoe—工作区人员及设备产生的负荷，W;
Q1—顶部灯光产生的负荷，W;
Qex—外墙外窗传热及太阳辐射得热，W;
Qt—全室负荷，W;
上式使用范围：
〈1〉 2.43m≤H≤5.5m （H为房间高度） 〈2〉 2≤n≤15
〈3〉 21W/m2≤
≤120 W/m2（A为房间地板面积） 〈4〉 0.08≤
≤0.68
〈5〉 0≤
≤0.43 〈6〉 0≤
≤0.92
根据本文模拟所得到的数据，采用式（3）即可求出通风效率。为了便于比较我们将本文计算的通风效率记为η1，式（4）计算值记为η2，用△η=（η1-η2）/η2表示两者相对偏差，公式（4）是由稳态模型得出的，因此本文选择空调负荷最大时刻19：00为计算时刻，两种算法的相对偏差。η1=1.7，η2=1.88，△η=（η1-η2）/η2=9.57%
两种工况采用上述公式进行计算所得结果如下图：
由上图可以看出，在任何时刻不计算辐射所得的负荷都比计算辐射所得负荷要小，并且两者的偏差还比较大;两者的相对偏差随时间的变化而变化，大约在最大负荷时刻两者相对偏差最小，但此时两者的偏差仍在30%以上，由此可见，置换通风房间上区向下区转移的辐射热对工作区负荷有相当大的影响。不计算辐射换热时的通风效率比计算辐射时要高出一些，两者相对偏差约为16%，在工程上可以接受。不计算辐射换热时，上区向下区的辐射热被忽略，这样会使工作区负荷偏小，而通风效率的能量表达式为全室负荷与工作区负荷之比，即
，在全室负荷不变的情况下，工作区负荷偏小，则通风效率会偏高。
5结论
（1）辐射换热对置换通风等具有热力分层式空调系统的冷负荷具有重要影响。上区向工作区转移的热量在最大负荷时刻占工作区总负荷的30%左右。
（2）辐射换热对置换通风通风效率有一定的影响。计算辐射时，通风效率比不计算辐射小约16%。
（3）数值模拟时，用多孔介质模型处理人员区是可行的，既简化了模型，节省了计算机内存和计算时间，又能获得较合理的结果。
关键词：辐射换热，置换通风负荷，通风效率，非稳态数值模拟
1 模拟对象概述
本文以西安某大学的一多媒体会议室（如图1所示）为研究对象。该房间有一面西外墙，3面内墙，一扇内门，一面西外窗，顶棚直接与室外空气接触，地板与内墙均假定为绝热。送风口位于南内墙底部;排风口尺位于北内
图1 模拟对象示意图
墙上部;室内人员（坐姿）
聚集区尺寸为 1-air inlet，2-air outlet，3-window，4-occupant zone
长×宽×高=7.2 m×4.4 m×1.1 m，顶棚灯光设备假定为均匀分布。外窗尺寸为长×高=5.4 m×1.5 m，窗户下缘距地高度为1.0 m，位于西墙中间。上述 “长”均指y方向，“宽”均指x方向，“高”为z方向。
2数学模型
2.1 湍流模型
在模拟室内气流的混合流动与换热时，本文选用了Realizable k-ε模型。在近壁区，采用标准壁面函数法处理。
2.2 辐射模型
本文采用离散坐标模型进行辐射换热计算。
2.3 流固耦合
流固耦合问题的数值解法本文选用整场离散，整场求解来进行计算。
2.4 浮升力处理
自然对流的浮升力作用采用Boussinesq假设处理[6]。
2.5 多孔介质模型
为了简化模型，节省计算机内存和计算时间，室内人员区按多孔介质处理。人员区人体的发热量和由窗户透过照在人员区的太阳辐射热量合起来作为多孔介质的内热源。
2.6 边界条件等设置
本文取送风口风速0.23 m/s，送风温度为20 ℃;排风口边界条件设置为压力出口。外墙和顶棚外表面设置为对流换热边界条件，表面传热系数用复合换热表面传热系数。窗玻璃设置为零厚度壁面，其热边界条件也设置为对流换热，窗户透过的日射负荷按设计手册给定并假设均匀分布到人员聚集区。内墙、地板和门内表面均设为绝热表面。照明灯贴近顶棚内表面安装，其散热采用在贴近它的空气网格内附加源项的方法处理。
3 数值模拟方法
采用结构化非均匀网格，由于人员区采用多孔介质模型，因此网格布置较稀。外墙及顶棚内的网格空间步长为5 cm，室内网格最小步长为8 cm，最大为15 cm，网格总数为47 017个。
进行非稳态数值计算时，取时间步长为6 s，各控制方程的离散采用有限容积法。压力插值格式采用Body Force Weighted格式。采用CFD软件进行计算时，同时在k方程和ε方程中计及浮升力的影响。压力-速度耦合采用SIMPLE算法，动量、能量及k和ε方程均采用二阶迎风离散格式。
计算收敛与否通过观察残差的变化趋势和能否达到残差控制指标，结合分析计算结果的合理性综合加以判断。本文能量及辐射方程的残差指标为10-6，其他方程为10-3。
本文的模拟对象是非稳态过程，而温度场是周期性变化的主要参数，也是我们关心的重点内容，因此，我们以温度变化的大小为判断标准，当两个相邻周期各个时刻的工作区平均温度差小于0.01℃时，即认为模拟对象已经进入了周期状态，可以输出模拟结果。
4辐射换热对置换通风负荷及通风效率的影响分析
为了校核本文置换通风系统设计的合理性，首先将计算出的室内参数与ISO7730置换通风设计标准进行对照。送风速度和送风温度已如前述符合规定。室内工作区平均温度均为26 ℃左右，风速均小于0.3m/s，也满足要求。z=0.1m和z=1.7m的最大温差为2.9℃，也满足小于3℃的规定。可见气流组织是合理的。下面对考虑辐射和不考虑辐射两种算法所得负荷和通风效率进行分析：
根据数值模拟所得的温度分布可以求出全室负荷
、工作区负荷即置换通风负荷
以及通风效率
式中：V为系统送风量（
）;
为送风温度;
为排风温度;
为工作区平均温度。 美国置换通风设计指导提出了置换通风通风效率的计算公式：
—换气率，次/小时;
Qoe—工作区人员及设备产生的负荷，W;
Q1—顶部灯光产生的负荷，W;
Qex—外墙外窗传热及太阳辐射得热，W;
Qt—全室负荷，W;
上式使用范围：
〈1〉 2.43m≤H≤5.5m （H为房间高度） 〈2〉 2≤n≤15
〈3〉 21W/m2≤
≤120 W/m2（A为房间地板面积） 〈4〉 0.08≤
≤0.68
〈5〉 0≤
≤0.43 〈6〉 0≤
≤0.92
根据本文模拟所得到的数据，采用式（3）即可求出通风效率。为了便于比较我们将本文计算的通风效率记为η1，式（4）计算值记为η2，用△η=（η1-η2）/η2表示两者相对偏差，公式（4）是由稳态模型得出的，因此本文选择空调负荷最大时刻19：00为计算时刻，两种算法的相对偏差。η1=1.7，η2=1.88，△η=（η1-η2）/η2=9.57%
两种工况采用上述公式进行计算所得结果如下图：
由上图可以看出，在任何时刻不计算辐射所得的负荷都比计算辐射所得负荷要小，并且两者的偏差还比较大;两者的相对偏差随时间的变化而变化，大约在最大负荷时刻两者相对偏差最小，但此时两者的偏差仍在30%以上，由此可见，置换通风房间上区向下区转移的辐射热对工作区负荷有相当大的影响。不计算辐射换热时的通风效率比计算辐射时要高出一些，两者相对偏差约为16%，在工程上可以接受。不计算辐射换热时，上区向下区的辐射热被忽略，这样会使工作区负荷偏小，而通风效率的能量表达式为全室负荷与工作区负荷之比，即
，在全室负荷不变的情况下，工作区负荷偏小，则通风效率会偏高。
5结论
（1）辐射换热对置换通风等具有热力分层式空调系统的冷负荷具有重要影响。上区向工作区转移的热量在最大负荷时刻占工作区总负荷的30%左右。
（2）辐射换热对置换通风通风效率有一定的影响。计算辐射时，通风效率比不计算辐射小约16%。
（3）数值模拟时，用多孔介质模型处理人员区是可行的，既简化了模型，节省了计算机内存和计算时间，又能获得较合理的结果。