摘要采用數值模擬方法，利用FLUENT軟件模擬了不同情形下兩種氣流組織形式下空調區的二維溫度場、速度場的變化情況及差異性，通過模擬結果分析了回風口的位置對整個空調房間的流場和溫度場的影響，結果表明采用上送異側下回的方式時，室內的氣流組織分布較好。當室內送風方式選擇上送下回時，送、回風口最好對角布置，以提高送風作用的有效性。

　　關鍵詞空調房間;溫度場;速度場;數值模擬

　　0引言

　　隨著經濟的發展和生活水平的日益提高，室內空氣品質受到人們越來越多的重視[1]。不同的氣流組織形式，其在室內形成的溫度場、速度場均不相同，并且不同的氣流組織形式的能源消耗量也不相同。室內空氣品質的高低將直接影響人們的工作效率甚至身體健康。因此，關注室內氣流組織形式，追求健康、節能的空調方式對提高室內熱舒適性和建筑節能具有重要的意義。

　　目前，隨著計算機和模擬仿真技術的逐漸成熟，人們對建筑室內環境及氣流組織進行模擬，預測各種工況下室內溫度場、速度場的分布規律，對不合理的通風方式加以改進，以達到設計優化的目的[2]。利用FLUENT軟件模擬不同送風速度下2種氣流組織形式(上送同側下回、上送異側下回)空調區的二維溫度場、速度場的變化情況及其差異性，以期為實際空調工程中氣流組織的設置提供參考。

　　1模型的建立

　　1.1物理模型

　　以濟南市某空調房間為例，氣流組織形式為上部送風，下部回風。送風口和回風口尺寸均為0.4m×0.3m。為簡化計算，將空調房間視為空腔，不考慮室內熱源和設備的影響。由于建筑結構較簡單，因此模擬時采用了二維模型，只研究房間寬度與高度截面的溫度與速度分布規律。風口頂部距房頂20cm，回風口的底部距地面20cm。送風速度(v)分別為2.0m/s，2.5m/s和4.0m/s，對房間氣流分布進行數值模擬。

　　1.2數學模型

　　在解決實際問題時，需要對室內氣流流動作假設或簡化[3]：1)穩態湍流傳熱問題。2)流體按連續介質處理[4-5]。3)室內空氣為低速不可壓縮流體。4)密度采用Boussinesq假設，其他物性取常數。5)忽略流體中的黏性耗散。6)不考慮漏風影響，認為房間內氣密性較好。7)忽略室內物體間或與墻壁之間的輻射作用。

　　1.3控制方程

　　該問題可以看作二維強迫對流和擴散問題，其直角坐標系中的通用控制方程為：Syxxyyvxu()()()()t()(1)其中：為流體密度(kg/m3);t為時間(s);U為流體速度矢量(m/s);為通用變量，比如動量方程中的x，y，z方向上的速度分量u，v，w(m/s)，能量方程中的溫度T(K)，濃度方程中的濃度c(mol)等;為廣義擴散系數;S為源項，本文模型簡化為無內熱源穩態傳熱問題，因此S為0。

　　1.4邊界條件

　　忽略太陽輻射及地板傳熱的影響，假設房間的上下側是絕熱的，右側墻為北外墻定壁溫條件，溫度為308K;左側墻為南外墻，考慮到南外墻為熱墻并受空調工作時散發熱量的影響，將南外墻設為定熱流密度條件，其值為50W/m2;送風溫度為293K;回風口溫度為303K，且出口邊界滿足總體質量守恒修正[6]。

　　2求解方法

　　2.1數值方法

　　采用SIMPLE算法對壓力速度耦合問題進行求解。采用標準k雙方程湍流模型，方程采用有限體積法進行離散，動量方程與能量方程的離散選用一階迎風格式，并在動量方程離散形式的求解過程中加入松弛因子處理。設置收斂標準：能量方程為1×10-6，流動方程為1×10-3。由于是傳熱問題，故開啟能量方程。

　　2.2模擬方法

　　使用GAMBIT建立幾何模型，區域內網格劃分采用結構化網格，網格單元為均勻四邊形網格，對流動劇烈區域的網格進行加密處理，以使計算結果更加準確[7]。采用FLUENT軟件模擬計算。

　　3模擬結果及分析

　　3.1房間數值模擬速度矢量

　　可以看出兩種氣流組織形式下，氣流由送風口送入，形成貼附有限空間射流，氣流在重力的作用下向下流動，之后氣流在回風口流出，在房間內部形成了一個大的渦旋區域。當氣流組織為上送同側下回時，約在房間的正中間位置形成了渦旋區，房間中間部位及四個墻角處速度較小，房間上部及下部速度較大。而上送異側下回的氣流組織形成的渦旋區在靠近右墻出風口處，速度較大的部位在進風口、出風口、出風口上側及左側區域，房間其他各處區域速度都較小。在旋渦氣流的誘導作用下，大部分污染物可隨氣流由回風口流出，但在渦旋中心和墻角處，由于速度過小，氣流擾動不強，可能出現污染物因排出不及時而發生污染物存留的現象。

　　3.2速度場數值模擬分析

　　室內氣流的速度大小是影響人體熱舒適度的因素之一，過大的速度能使人產生吹風感，引起人體的不舒適感覺�？照{設計規范中規定舒適性空調夏季室內風速不大于0.3m/s。當送風速度為2m/s時。同側送回風方式下，房間內氣流速度的梯度較大，速度分層明顯，容易使人產生吹風感，除房間中部外其他區域速度都不能滿足人體舒適性要求。異側送回風方式下，室內氣流速度梯度較小，人員工作區風速基本都可滿足要求，僅送、回風口及回風口附近的地板處氣流速度稍大。

　　通過人頭頂處的速度分布可看出，異側送回風下，Y=1m處速度均隨著送風速度的增大而增大，氣流分布具有規律性，而同側送回風方式則沒有該規律。而且與同側送回風相比，異側送回風于不同的送風速度下在房間水平方向上速度分布更加均勻。同時發現最小的氣流速度出現在約為房間高度的1/2處，兩種氣流組織下(X=5m處)速度沿高度方向出現最小值的情況。

　　同側送回風下，X=5m處出現最小速度的高度隨送風速度的增大而升高，相反，異側送回風下，X=5m處出現最小速度的高度隨送風速度的增大而降低。由于兩種送風形式下室內氣流都形成了旋渦，越遠離旋渦中心處的速度越大，所以最小速度在高度方向上出現的高度越低，人員頭頂處的速度就越低，因此認為異側送回風下人員舒適性較高。

　　3.3溫度場數值模擬分析

　　國際標準中規定：在工作區地面以上0.1m到1.1m之間的溫度大小不應高于3℃，室內溫度分布應符合“腳暖頭涼”的要求。研究中發現兩種送風形式房間內溫度均隨送風速度的增大而有所減小�？紤]出現這種現象的原因是速度增大使得房間內氣流的擾動增強，加速了室內氣流的對流傳熱。同側送回風方式下，房間整體溫度稍高，射流方向的兩側遠角有明顯的高溫區。異側送回風方式下，房間整體溫度分布較均勻，無明顯的高溫區。從V=2m/s時兩種氣流組織下人腳踝和頭頂的溫度分布中可以看出相比于上送同側下回方式上送異側下回能更好地符合“腳暖頭涼”的要求。

　　4小結

　　通過運用FLUENT軟件對不同送風速度和送風形式下空調房間內溫度場和速度場的模擬分析，得出以下結論：同側送回風方式下房間內氣流速度梯度較大，速度分層明顯，地面工作或休息區的速度較大，容易使人產生吹風感。房間整體溫度稍高，射流方向的兩側遠角有明顯的高溫區，很容易形成死角，通風效率低。異側送回風方式下房間內氣流速度梯度小，人員工作區速度小，在房間水平方向上速度分布較均勻，室內氣流速度分布具有規律性。相比同側送回風方式房間整體溫度稍低且無明顯高溫區，工作人員舒適度較高。

　　本文研究發現采用上送異側回風時，辦公室房間氣流組織分布更好，人員舒適度更高。所以在選擇室內空氣的通風方式時，要重視排風口的位置在空間氣流分布中的作用，忽略該作用，將導致降低送風作用的有效性。如果室內送風方式選擇上送下回時，送風口和回風口盡量不要布置在同一側，最好對角布置。本文僅對兩種送風方式下房間內的舒適度情況進行了分析，關于上送異側回風下房間內的最佳送風速度及在該速度下室內溫度、速度的分布規律還需進一步研究。

　　參考文獻

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　　[3]馬國彬,魏學孟.重力循環空調房間氣流組織的數值模擬[J].建筑熱能通風空調,2002,(02)

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　　[5]賴學江,王曉墨.空調房間氣流組織的模擬研究[J].華中科技大學學報,2002,(2)

　　[6]陶文銓.數值傳熱學[M].第二版.西安:西安交通大學出版社,2001

　　[7]周俊波,劉洋.Fluent6.3流場分析[M].北京:機械工業出版社,2012\

　　相關論文投稿刊物：《制冷與空調》雜志創辦于1990年，2001年正式發行，是中國制冷空調工業協會會刊，由科學技術部主管，中國制冷空調工業協會、中國科學技術交流中心聯合主辦的專業性期刊，國內外公開發行，國內統一刊號為CN11-4519/TB，國際標準刊號為ISSN1009-8402。國內郵發代號：2-857，國外發行代號：8402BM。