空调房间气流组织的数值计算与模拟

南京理工大学硕士学位论文空调房间气流组织的数值计算与模拟姓名：梅启元申请学位级别：硕士专业：流体力学指导教师：戴有为2002.1.1硕士学位论文摘要摘要本文以侧面送(回)风的气流场作为数值计算的基本模型，应用计算流体力学的理论和方法模拟建筑物室内通风空调气流的湍流流动。在对数学模型及物理模型进行理论分析的基础上，对考虑浮升力的室内气流组织，运用K—s模型与SIMPLE方法对室内气流组织进行了二维数值模拟，边界条件采用了K—F模型结合壁面函数的方法进行了处理。同时对方程离散、方程组的祸联求解以及SIMPLE算法等数值计算以及湍流及其模型等问题进行了论述。最后，本文对数值计算结果进行了分析和比较。通过分析和比较，证实了利用K一占湍流模型对非等温的房间的气流组织进行数值计算是可靠的，本文所采用的边界条件的处理方法是成功的，提出了改善房间气流组织的建议，从而为空调房间气流的研究和优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 提供了一种重要的方法。关键词：湍流模型，SI．MPLE方法，壁面函数，气流组织，数值模拟硕上学位论文摘要ABSTRACTThispaperisanapplicationofComputationalFluidDynamicsintheturbulentflowofair-conditionedroominwhichthenumericalmodeliSbasedonthefluidfieldofside—inandside—outairflowinair-conditionedroom．Basedonthetheoreticallyanalysisofphysicalandmathematicalmodel-theK一占two—equationturbulencemodelandmethodofSIMPLEaleadoptedtOsimulatethetwo-dimensionalairdistributionofairconditioned—room．efrectofbuoyantfoFceonK一￡modeliSconsideredandthewalIfunctionisusedfortheboundarycondition．Governingequationdiscrete，solvingoftheconjugatedalgebraicequationsetandSIMPLEmethodalealsodiscussedinthispaper．Atlast，thereliabilityandrationalityofthissimulationaleanalyzedandcomparedwithdifferentillustration．Fromtheanalysisandcomparing，itprovesthattheK一￡turbulencemodelandtheboundaryconditiontreatmentusedinthispaperarecorrectandreliableforthedistributionofnon—isothermaIair-conditionedroom．Thispal)eralsopresentsanewmethodforstudyinganddesigningoftheairflowandtemperaturefieldsintheair．conditionedroom．KEYWoRDS：turbulencemodel，SIMPLEmethod，wallfunction，Airdistribntionandnumericalsimulation．2．顺L学位论文符号表符号表符号物理意义X水平方向坐标，垂直方向坐标户密度“x方向速度～Y方向速度p压力r温度△x工方向相邻两界面间的距离AyY方向相邻两界面间的距离蠡X方向相邻两节点I可的距离咖Y方向相邻两节点间的距离△71温差K湍流动能占湍流动能耗散值JD主控容积节点D扩散系数已，w，S，以分别代表东、西、南、北界面上的界面E，∥，S，N分别代表东、西、南、北控制容积节点D：，D。，Ds，D，分别代表东、西、南、北界面上的扩散系数Ft，F。，Fi，FH分别代表东、西、南、北界面上的流量df，口w，日i，aH，dF离散方程中的系数b源项中的常数部分g重力加速度三定性尺寸硕|一学垃论文符号丧符号物理意义g热源Re雷诺数Re=puLIju∥动力粘性系数U运动粘性系数舭l湍流粘性系数“j“：雷诺应力张量中通用变量L量。的广义扩散系数S口量。的广义源项s：源项的常数部分S，源项线性系数P_普朗特数8流体的温度膨胀系数Cp流体的定压比热一上标平均值上标+无量纲值硕士学位论文空调房问气流组织的数值计算li模拟1．1引言1绪论随着社会的进步和经济的发展，人们的生活水平不断提高，现代人们对居住建筑环境的要求也越来越高，因而对通风空调技术也提出了更高的要求。对于暖通空调(BVAC：Heating，VentifationandAirConditioning)领域来晓，舒适和节能成为当今建筑、设备设计的基本课题，保护环境，利用自然资源，削减能源负荷，成为今后建筑设计的方向。如何应用新的技术手段，提高设计、施工水平．是暖通空调专业人士所面临的一个重要课题。空调房间的气流组织，是指确定合适的送(回)风口形式、位置、规格、数量和送(回)风风量、风速、温度等参数。这些量直接影响室内空调效果，是关系着房间工作区的温湿度基数、精度及区域温差、工作区的气流速度及清洁程度和人们舒适感觉的重要因素，是空气调节的一个重要环节，也是工程设计中必须着重考虑的一个重要环节。传统的揭示气流组织分布规律的作法是通过模型实验，得出经验或半经验的 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ，然后在这些公式的基础上进行气流组织的计算。由于模型实验不仅耗费人力、物力，而且受模型实验的条件限制，有时难以模拟出复杂的空间流动的全部特征。即使是同样一个空调房间，可能的气流组织 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 也会有许多，想通过实验的方法来确定各种方案的优劣显然是不现实的，也是不经济的；随着计算技术的发展和高速计算机的应用，研究合理的房间气流组织的数值计算方法成为进行高性能的房间空调设计的重要方向。以建筑空间为对象的计算机数值模拟．在一些先进国家，包括空调系统、设备设计在内的建筑设计上的计算机模拟技术得到广泛应用，其中室内热环境计算机模拟技术，特别是计算流体力学(CFD：ComputationalfluidDynamics)技术，是目前国际上一个重要的研究领域。暖通空调制冷行业也是CFD技术应用的重要领域之一。1．2CFD简介简单地说，CFD就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，这其中将涉及流体力学(尤其是湍流力学)、计算方法、计算机图形处理等技术。因问题的不同，CFD技术也会有所差别，如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动等。对于暖通空调领域内的流动问题，多为低速流动，流速在lOm／s以下；流体密度变化不大，故可将其视为不可压缩流动。但是，硕士学位论文窀调房间气流组织的数值计算与模拟暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，这又给解决实际问题带来很大的困难。由于湍流现象是流体力学领域研究的前沿课题，目前暖通空调工程领域内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决，而本文采用现代湍流模型的CFD方法来研究，下面简要介绍其研究的基本思想。数学物理模型：暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，粘性流动可用Navier—Stokes方程来描述，因此CFD中最基本的控制方程即为粘性流体的Navier—Stokes方程。对于湍流流动，采用应用较广的湍流模型，从而得到～组封闭的偏微分方程组，结合相应的边界条件，构成了实际问题的数学物理模型，形式上，上述方程都可以表示为如下统一的非稳态对流一扩散方程形式：掣+divb劫)：div(Fgrad庐)+S(1．1)研数值计算方法：上面的各微分方程均为非线性，在非等温流动中，具有相互耦合的特性，实际问题中必须专门研究相关的数值方法进行求解。数值方法中常用的离散形式有：有限容积法，有限差分法，有限元法等。对于暖通空调领域中的流场与传热问题的祸合求解，通常采用有限容积法进行离散。它具有物理意义清楚，且满足物理量的守恒规律的特点。离散后的微分方程组就变成了代数方程组，表现为如下形式：口P≯r=日E丸+％九+日s蟊+日～≯Ⅳ+6(1．2)结果的可视化处理：上述代数方程求解后的结果是各网格节点上的数值，这样的结果不直观，难以为一般工程人员或其他相关人员理解。因此将求解结果的速度场和温度场等表示出来就成了CFD技术应用的必要组成部分。通过计算机和计算机图形学等技术，就可以将我们所求解的速度场和温度场等形象、直观地表示出来，以便分析比较，为设计施工人员和研究人员确定符合具体条件的理想的气流组织方案提供参考。1．3在HVAC领域中的应用早期的通风空调系统主要采用集总参数的方法进行设计，房间的空调效果也用平均参数来考察，因此往往出现房间的空调负荷很大、设备投资和运行费用很高的情况。同时，随着空调的日益普及，出现了很多“病态建筑”(SickBuildings)，室内空气品质(IAQ：IndoorAirQuality)越来越引起人们的重视。众所周知，通风空调的目的就是通过人工的方法，在有限的空间内创造～种健康、舒适、安全、高效的空气环境，因此人们希望在规划设计阶段就能详细了解由空调通风所形成的室内空气流速、温度、湿度、有害物浓度等的分布，顼上学位论文至塑曼皇：亟望璺塑塾堕堡兰!!!塑从而制定出最佳的通风空调方案。近年来的研究和经验表明，室内空气流动情况对人体热舒适感和健康、房间空调通风效率以及建筑物能耗有着重要的影响。为此，空调工程师需要了解和研究室内空气流动情况，目前主要有三种方法：射流理论分析，模型实验以及数值模拟。由于建筑空间越来越向复杂化、多样化和大型化发展，而传统的射流分析方法基于某些标准或理想条件所提出或实验得到的射流公式，势必会带来较大的误差。并且，射流分析方法只能给出室内的一些参数性的信息，不能给出设计人员所需的详细资料；模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，难于在工程设计中广泛采用。随着计算机技术的发展，利用计算机求解空气流动控制方程组的数值模拟预测方法也有了很大的发展。利用计算机求解那些流体流动中满足的各种守恒控制偏微分方程组的技术也即所谓的CFD技术，具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐，CFD方法也越来越多地应用于暖通空调领域。首先，利用CFD方法可以对室内空气流动形成的速度场、温度场、湿度场以及有害物浓度场等进行模拟和预测，从而可以得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况，这对于保证良好的房间空调系统气流组织设计方案、提高室内空气品质IAQ以及减少建筑物能耗都有着重要的指导意义。其次，利用CFD技术也能对建筑外部的空气流动情况进行模拟和预测，有助于建筑师进行建筑设计时全面考虑建筑物周围的微气候。还有，对于暖通空调工程中其它的一些流动问题，也可以用CFD方法进行模拟，可以较快地提供给研究者详细的有关资料，避免大量昂贵复杂的实验。1．4CFD在国内外的应用现状我国暖通空调制冷行业已有不少专家对CFD的应用研究开展了大量的工作，在民用建筑空调舒适性、置换通风、洁净空调等问题的模拟已取得了一定的成果，主要表现在以下方面：1)通风空调设计方案优化及预测、空调设计方案的数值预测(仿真)、高大空间气流组织、置换通风方式的数值模拟、洁净室气流分布的数值模拟等；2)传热传质设备的CFD分析，如各种换热器、冷却塔的CFD分析；3)射流技术的CFD分析，如空调送风的各种末端设备等；4)冷库库房及制冷设备的CFD分析；5)流体机械及流体元件，如泵、风机等旋转机械内流动的CFD分析，各种阀帆Ij’#位论文空调房间气ij；c组织的数值汁算与模拟一-—————-_—————————-——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————一I"1的CFD分析等；6)空气品质及建筑热环境的CFD方法 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 、预测；7)建筑火灾烟气流流动及防排烟系统的CFD分析：8)锅炉燃烧(油、气、煤)规律的CFD分析；9)通风除尘领域，如工业通风系统，各种送排风罩的CFD分析，静电除尘器、旋风除尘器、重力沉降室内气粒分离过程的CFD分析；lO)城市风(或建筑小区微气候)与建筑物及室内空气品质的相互影响过程的CFD分析；1I)管网水力计算的数值方法；在国外，ChenOingyan在1988年利用CFD技术对建筑物能耗分析、室内空气流动以及室内空气品质等问题进行了分析和研究；1990年和1991年，．fones和Waters报道了大量利用CFD技术对前庭、机场候机厅、洁净室以及办公室进行分析的实例．香港理工大学周允基在《论计算流体力学在屋宇设备工程之应用》中讨论了应用计算流体力学对室内空气流动的研究，提出了CFD模型中的三个关键元素：(1)湍流模型，(2)有限容积法用于离散化守恒方程，(3)解决速度压力耦合方程的算法。以上的研究表明，随着计算机技术的发展，高级的湍流模拟技术开始应用于工程领域。在日本，最早是用于建筑热负荷计算方法的开发，尔后使用这项技术开发了标准气象参数，并逐步应用到动态热负荷数值模拟中，此后研制了气流数值解析CFD，这些技术在日本均己进入了实用化阶段。在所使用的CFD软件中，广泛地应用了现行的解析手法、数学物理模型，因此体现了CFD软件的通用性。用于实际离散化方法的主要是MAC法和SIMPLE法，湍流模型则以标准K—s模型居多，解析坐标系多采用直角坐标。空调设计的最终目的是以经济技术合理的系统设计及设备选型实现所要求的室内气候环境(温湿度、气流、污染物质浓度等的分布)。实现对这些环境参数的合理控制。应用计算机技术对流动与传热基本方程进行数值解析，计算流体力学(CFD)便是除模型实验外的可详细解析三次元室内气流的唯一手段。利用CFD技术，可更有效地了解室内气流的构造、分布特征，为合理的系统设计及设备选型提供有益的参考资料。在传统的室内气流组织设计中，对送风口、回风口以及室内热源等各种因素，往往只能凭个人对物理现象(气流、传热)的理解，凭经验进行单纯的合成(即线性近似)进行设计。但是由于各参数间的相互影响，实际上是呈非线性关系，因此不能单纯地合成。而计算流体力学能较好地处理非线性问题。其中离散化处理(时间、空间的分割)直接与计算机的能力(计算速度、内存容量)相关。顽上学位论文空调房间气流组织的数值计算与模拟分割(时间间隔、计算网格)越细．对计算机的能力要求就越高(解析精度也就相对较高)。对复杂的湍流现象用计算机直接模拟计算从计算时间、计算机内存容量上近于不可能。由此，在工程上，着眼于流场的宏观粘性分布，在对微小涡流构造忽略的前提下，近似地将瞬时变化的湍流部分作时间乎均化处理，从而产生了湍流模型，其中应用最多的要算K—s两方程式湍流模型。1．5CFD应用的动向和发展前景传热与流动是空调制冷领域乃至整个自然界最为普遍的现象与规律，这些问题的计算机分析与模拟对国民经济建设具有重要意义，为此计算流体动力学CFD己逐渐成为许多行业研究与发展的重要课题。但由于实际工程问题的复杂性，许多计算仍停留在实验室理论分析阶段，为实际工程计算与设计提供直接服务还是相当困难的，其主要原因是尚未形成简单易用、功能强大的计算机模拟软件。国际上目前仅有几套相对比较成熟的CFD商业软件，如PHONIECS，FLUENT，CFX等，但它们的推广与应用却受到了很大的限制，主要因为；(1)价格昂贵，因为它们的研制花费了许多研发人员几十年的努力：(2)一般适用于工作站环境，因为这些软件一般都需要相当大的计算机内存及图形处理与显示能力；(3)计算方法均采用有限差分法FDM(包括控制容积法FVM)，为增强对不规则边界问题的处理能力，普遍采用贴体坐标变换BFC(BodyFittedCoordiflate)技术来实现，但这种BFC网格生成相当费时(有时占整个计算过程的2／3工作量以上)、而且自动化程度不高。尽管目前国内已有不少单位引进了上述的CFD黑匣子软件系统，但它们基本上属较低或己淘汰版本(因为其价格便宜)，其功能与应用不尽人意也就可想而知了，而且对于暖通空调领域的一些实际问题而言，目前的商用软件还无法解决其中的某些特殊问题。因此，发展经济实用、功能强大、适用于微机的CFD软件是今后重要的发展方向与目标。自70年代末80年代初起，即已有一些高校、研究机构开始CFD技术的应用研究，20年来己取得许多重要的成就，研究的范围从以室内空气分布以及建筑物内烟气流流动规律的模拟主为，逐渐扩展到室外及建筑小区绕流乃至大气扩散问题，并已形成一些可以解决实际问题的软件。从软件工程的角度来看，求解(核心计算)的部分与国外先进水平差距不大，主要差距表现在前处理即几何造型与网格生成技术、后处理即科学计算可视化部分。开展CFD方面的研究尚有大量工作要做，表现为：1)各种物理现象，对象空间的联立解析，例如：在空间热气流解析中输入人硕卜学位论1支空调房间气流组织的数值计算与接拟体数值模拟。人体热平衡模型中输入生理、心理评价模型等，增强舒适性评价的力度。2)阐明复合的物理现象的内在结构，建立对CFD解析结果的客观评价体系，增加解析的精度，开发新的解析手法。3)与热负荷计算之类的模拟计算相比，解析精度有待进一步提高。CFB的解析如前所述，因其非线性特征，使其难度增大，并非所有的解析都达到了令人满意精度，在对CFD解析结果作评价时，要给予客观的评价。4)需要对CFD关注的数据库作进一步的统一，提高使用效率，如加强与CAD数据的连接以提高其通用性。5)人才的培养：CFD软件的操作性能虽大有改善，并包罗有多种解析模式、解法，但解析的过程中对如何作正确的选择和判断，相应的CFD和空调专业知识是不可缺少的，并应具有一定的现场实测经验。6)实测的验证：CFD的解析结果应尽可能通过实测进行验证，反馈于软件的完善，以期进一步提高解析精度。1．6本文的主要工作简介1)对近年来CFD技术在国内外的发展状况作了进一步的回顾与评价．对CFD技术在暖通空调领域中的应用的可行性、重要性以及应用的意义做了进一步的研究和探讨。2)对不可压缩非等温湍流流场的数值计算中的一些关键技术，如方程离散、交错网格、方程组的耦联求解以及SIMPLE算法等数值计算问题和气流组织、湍流流动及其数学模型等理论作了进一步的研究和论述。3)对湍流数值计算与模拟的现状与发展趋势，不同湍流模型的优缺点及适用范围作了进一步的论述。4)以侧送方式的空调方式作为数值计算的基本对象，以数值方法和数值计算为主要内容。在对数学模型及物理模型进行理论分析的基础上，对考虑浮升力的室内气流组织，运用K—s模型与SIMPLE方法，联立求解了相互耦合的运动方程和能量方程，对室内气流组织进行了数值计算与模拟，边界条件采用了K一占模型结合壁面函数的方法进行处理。5)自行编制了用于计算二维不可压缩流非等温问题的基于C／C++语言的湍流流场和温度场的计算与模拟程序。6)对不同工况下的数值计算结果进行了分析和比较，通过不同工况的分析和比较，证实了利用K—s湍流模型对房问内的非等温的气流组织进行!!!!!兰：兰些堡苎室塑墨l当：雹里堡堕墼堡生兰兰堡型数值计算是可靠的，本文所采用的边界条件的处理方法是成功的，提出了改善房间气流组织的建议，从而为空间气流的研究和优化设计提供了一种重要的方法。7)对本课题的下一步研究和今后的工作作了进一步的设想与展望。砸上学位论文空调房间气流组织的数值计算与模拟2气流组织所谓气流组织，就是合理地布置送(回)风口位置、规格、数量、分配风量以及选用适当的风口形式，以便以最小的风量和成本达到最好的空调效果。表2．1气流组织的基本要求空调室内温送风温每小时换风速imls)可能采取的送类型度参数差(。c)气次数出风口工作区风方式舒冬季送风高度h≤5m不宜小于5冬季不1．侧面送风18～220C宜大于2．散流器送风时，不宜次，高大房适夏季0．2，夏3．孔板送风性大于10，间按其冷负24～280C季不宜4．条缝口送风空h>5m荷通过计算与送风∞=40～60％大于5．喷口或旋风调时，不宜确定方式、0．3口送风大于15送风口根据实际要类型、求确定，室不小于5次安装高温允许波动度、室1．侧送宜贴附6～10(高大房间2．散流器平送范围如下：除外)内允许工1大于等于风速、艺±l。C噪声标0．2～0．5性2小于等于准等因空3～6不小于8次±0．50C素有关1．侧送应贴附调不小于12次2．孔板下送不3．小于等于(工作时间±0．1～O．2。C2～3稳定流型内不送风的除外)送风口的安装高度(肌)3456散流器：圆形16．517．518．018．0方形14．515．516．016．0普通侧送风口：风量大8．510．012．014．O风量小11．013．015．O16．5硕士学位论文空调房间气流组织的数值计算与模拟房间空调气流组织的基本要求及送风温差应根据不同的情况取不周的值，详见表2．1，表2．2。2．1气流组织的基本形式(a)侧送侧回(a)单侧上送上回(·)(a)地板下送风(b)散流器送风(C-)孔板送风图2．1上送下回气流分布(b)异侧上送上回(a)散流器上送上回图2．2上送气流分布(b)末端装置下送(c)置换式下送图2．3下送气流分布图2．4中送风方式不同的空调房间可以根据具体情况采用不同的送风方式，即使是同一个空调硕：E学位论文空调房间气流组织的数值计算与模拟房间，其气流组织的方式也可以是不同的，按照送回风口的相对位置和气流方向，一般可以分为上送下回，上送上回，下送上回，下送下回以及中间送风等．其流型如图2．1，2．2，2．3，2．4所示。2．2气流组织的任务空调房间中经过处理的空气由送风口进入房间，与室内空气进行热湿交换后，经过回风口排出。显然，空调房间的温度场、速度场的均匀性和稳定性，与室内空气的流动情况有密切的关系。不同的气流组织方案会形成不同的速度场、温度场、相对湿度、洁净度或有害物浓度等空气参数分布效果，直接影响通风空调的经济性能和技术性能。同样一个空调房间，也可以有不同的气流组织方案，不适当的气流组织方案不仅浪费能源，增加投资，而且达不到预期的空调效果，如图2．1，是几种常见的气流组织方案的例子，很显然，方案2．1(d)，2．1(e)的效果明显好于前几个。(b)(c)(c)(d)(e)图2．1几种常见的气流组织方案因此空调房间气流组织的任务就是使室内的气流合理的流动和分布，从而使空调房间的温度、湿度、气流速度、洁净度等都能满足舒适性条件或 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 要求。房间的气流组织有两个基本原则：挤压原则和稀释原则，挤压原则将室内的热湿空气从回风口挤压出去，这时在所需的主流方向上气流只有很小的横向流动，气流分布均匀，换气效果好；多用于手术室，洁净室特殊生化实验室、喷锄】二学位论上空调房间气消I组织的箍告汁茸与磺拟漆车间等对气流组织要求较高的场合；稀释原则使室内的热湿空气不断稀释，多利用诱导作用，从送风口送入房间的射流，由于其卷吸作用，使射流周围的空气不断的被吸入，吸走了空气的空间又由回返气流中的一部分去补充，于是形成了回旋的涡流，在旋转的涡流区中，热湿交换比较充分，因此温度场，湿度场也比较均匀，但在诱导作用达不到的地方，如墙角处容易形成死角。室内气流的均匀性还与送风参数(温差和送风速度)；送风口的形式、直径和位置；回风口的位置、房间的形状和热源的位置等有关。其中送风口位置和送风参数是影响气流组织的主要因素。2．3侧面送风侧面送风是空调工程中最常用的一种空调房间的气流组织方式，这是因为侧面送风管道布置简单、安装施工方便，只要设计合理、计算正确就能使射流扩散、速度和温度衰减满足空调房间的要求。侧面送风有多种形式，侧面送风时，在室内将形成大回旋涡流，一般层高的小面积空调房间可采用单侧送风，当射流射程或回流流程较长时，区域温差不能满足空调精度要求时，可采用双侧送风。工程上侧面送风时应尽量采用贴壁的方式，使射流能充分地衰减后再进入空调房的工作区，以利于送风温差的衰减和提高空调精度，为了使射流贴壁，避免其中途下落，送风口应当尽量接近顶棚；而且顶棚表面不应有凸出的横梁阻挡，否则应当改变送风口的位置，使射流和横梁方向一致。侧送气流组织用于空调的设计，虽然空气的温度场与速度场不如孔板送风均匀，但是若采用贴附送风方式，送风射流有足够的衰减长度，因此可采用较高的送风温差，大大减小送风量，节约运行成本。同时孔板送风的初投资也远较侧送风高，因此在合适的情况下，应尽量采用侧送气流组织。2．4平面射流的资料和理论分析条缝风口(SlotDiffuser)是通风空调房间比较常见的送风口类型，由于条缝风口有比较大的长宽比(AspectRatio)其射流为二维射流，也即平面射流(P18neJet)。如下图，为经典的二维平面自由射流示意图，整个射流区可分为三个区：起始段(InitialRegioll)，过度段(TransitionalRegion)主体段(MaiPlRegiOll)。由风口边界起向内外扩展的湍动掺混部分为湍流剪切层混合区，从出口至核心区末端的一段区域即为射流的起始段；湍动充分发展之后呗七学位沦土空调房间气流组织的数值计算与模拟的部分称为射流的主体段；主体段与起始段之间有过度段。对于工程应用而言，主体段最具有实际意义，因为主体段经常很长且位于室内工作区。根据射流与周围流体的温度状况可以分为等温射流与非等温射流，按照射流流动中是否受到周界表面的限制又可分为自由射流和受限射流。在空调工程中，图2．5平面射流示意图常见的情况，多属非等温受限射流。受限空间射流由于受到房间边壁的限制，其压力沿程改变，因而动量沿程不守恒，这给理论研究带来了困难。工程上受限空间射流的计算主要依据实验数据总结出来的半经验公式。受限空间的非等温射流由于受浮力的作用，情况更为复杂。空调室内的温度分布和速度分布，特别是回流区的温度分布和速度分布，由于受到受限、非等温以及热源分布等多种因素的作用，难于找到一个通用的经验公式，而工业生产发展的需要，要求在设计阶段就对室内空气的温度场和速度场等有定量的了解．采用CFD技术进行计算机模拟能满足这方面的需要。2．5气流分布性能的评价在满足空调的使用功能的条件下，不同的气流分布方式将关系到整个系统的耗能量和初投资。就气流分布本身而言．其均匀性和有效性的评价方法有多种，这里简要介绍几种。2．5．1不均匀系数不均匀系数即空气的温度和速度等的不均匀性，该方法是在室内工作区内选取N个测量点，分别测得各点的温度和速度，求其算术平均值：算术平均值：蹦士学也论文空调Jj；间气流组织的盐值计算与填拟一yf．f=兰￡九：：坠n均方根偏差铲J掣铲犀手不均匀系数t．：呈k。：璺“(2．1)(2．2)(2．3)其中j，i为算术平均值，盯，，仃。为均方根偏差，由上面的定义式可见，kk。越小，气流分布的均匀性越好。2．5．2能量利用系数能量利用系数玎可以用下面的定义式来描述：玎：：!一—旦(2．4)‘，。一，o其中t。，f0，f。分别为排风温度，送风温度和工作区平均温度。能量利用系数又称温度效率，反映的是室内的温度梯度，即室内的热力分层特性，对于全新风或单纯的通风系统来说，能量利用系数越高，系统的节能潜力也越大，但过大的温度梯度又会影响人体的舒适性。2．5．3空气分布特性指标空气分布特性指标(ADPI)定义为满足规定风速和温度要求的测点数与总测点数之比。对于舒适空调而言，相对湿度在较大的范围内(30％一70％)对人体舒适性的影响较小，可以主要考虑空气温度与速度对人体的综合作用．一般认为可以用下式来计算有效温差：△E丁=(f，一r。)一7．66(u。一o．15)(2．5)空调房间气流组织的敬值计算与模拟其中△Er，f，，“，，r。分别为有效温差，测点温度、测点风速和工作区温度。并且认为当AET=一1．7～+1．1时多数人感到舒服，因此空气分布特性指标为：脚，=坐型磊笋枷。％一般应使ADPI≥80％。(2．6)硕L学位论文空调房闻气流组织的数值计算与摸拟3湍流流动及其数学模型层流和湍流是两种基本的流动状态，存在着临界的雷诺数，当流动的雷诺数超过相应的临界雷诺数时，就会诱发湍流，层流流动可以精确地用质量、动量、能量和浓度的偏微分方程来描述。然而，实验表明，空调空间的气流基本上都是湍流流动．所以本课题采用湍流模型对空调房间进行数值模拟。3．1湍流概述湍流是一种复杂的非稳态流动。在湍流中，流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化，但这些量的统计平均值的变化却是有规则的，例如图3．1所示的速度随时问的变化就是如此。U图3．1湍流流场中速度随时间变化示意图湍流的产生可能是由于所流过的固壁的摩擦作用，也可能由于具有不同速度的流体层之间的相互作用，这两种方式产生的湍流的性质有所不同，通常前者称为固壁湍流(wallturbulence)，后者称为自由湍流(freeturbulence)，在湍流流动中，粘性的作用一方面是把动能耗散为热能，另一方面是使湍流在不同空间位置以及同一位置的各个方向上趋于均匀。通常把研究体系内处处具有相同结构的湍流称为均匀(homogeneous)湍流；把其统计平均性质不随方向而异的湍流称为各向同性(isotropic)湍流。在各向同性湍流中不存在平均剪应力，也就没有平均流的梯度。只要流场中有均流梯度，就一定伴随有剪应力，湍流就一定是各向异性的，这种湍流通常称为剪切湍流。固壁湍流和各向异性的自由湍流都属于这一类。若在整个流场中平均剪应力处处相等，则这种湍流就是均匀湍流，在湍流的描述中，均匀和各向同性是两个不同的概念。从物理结构上说，可以把湍流看成各种不同尺寸的涡旋叠合而成的流动，这些涡坚!：兰生堡墨．——羔塑生塑皇鎏塑塑塑茎堕堡兰兰堕型旋的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡旋主要由流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟，是引起低频脉动的原因：小尺度的涡旋主要由粘性力所决定，其尺寸可能只有流场尺度的干分之一的量级，是引起高频脉动的原因。大尺度的涡旋破裂后形成小尺度的涡旋。较小尺度的涡旋破裂后形成更小尺度的涡旋。因而在充分发展的湍流区域内，流体涡旋的尺寸可以在相当宽的范围内连续地变化。大尺度的涡旋不断从主流获得能量，通过涡旋间的相互作用，能量逐渐向小尺度的涡旋传递，最后由于流体粘性作用，小尺度的涡旋逐渐消失，机械能就转化(或称耗散)为流体的热能。同时，由于边界、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动。由于湍流的复杂性，目前还无法对其给出一个严格的定义。一般认为湍流有咀下几个特征：a)湍流的流体质点的运动类似于分子运动，具有完全不规则的瞬息变化的运动特征。b)湍流的运动参数虽是随机量，但在一定程度上符合统计规律，具有某种规律的平均特征。c)湍流流场任意两个相邻空间点上的运动参数有某种程度的关联，加速度关联，速度与压强的关联等。边界条件不同的湍流具有不同的关联特征。一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的Navier-Stokes方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。但是由于描述湍流的物理量相关并具有脉动性，对脉动性的修正将产生高阶相关的偏微分方程，并伴随新的未知量，故湍流方程组无法得到精确的解。3．2湍流模拟的思想观点欲建立封闭的时均流控制方程组，就必须把湍流运输通量(pu[u：)用已知量或原来已有的未知量表示出来，使得未知数的数目等于独立方程或数学表达式的数目，人们曾试图推导以(p“■：)为未知量的严格的控制微分方程，从而使得方程组封闭，但事实表明，在以湍流脉动的二阶关联量为因变量的方程中出现了三阶关联量和新的未知量，在以三阶关联量为因变量的方程中又出现了四阶关联量和新的未知量。以此类推，在以脉动的N阶关联为因变量的方程中一定会出现(N+1)阶关联量和更多的未知量，因此从基本方程出发，想纯粹运用数学演绎的手段得到均流的封闭方程组是不可能的，我们必须在某个阶段给出多余未知量的近似表达式阱使问题封闭，这种以近似但可解的方程组取代所谓严格但不封闭的方程组的过程就称为“模拟”或“模化”，模拟的方式可以多种多样，这就构成了各种不同的“模型”。帧匕学位论文空调房间气流组织的数值汁算与摸扛l3．3湍流的模拟方法由于湍流方程组无精确解，数值模拟便成为一种主要的研究方法。就目前来看，湍流的数值模拟还远未达到成熟的地步，仍然是计算流体动力学中困难最多因而研究最为活跃的领域之一，从己有的研究成果来看，湍流的数值计算方法大致分为直接模拟(DNS．DirectNumericalSimulation)，大涡模拟(LES，LargeEddySimulation)，Reynolds(雷诺)时均方程方法等三类。3．3．1直接模拟又叫完全模拟．这是用非稳态的Nayier—Stokes方程对湍流进行直接计算的方法，它所采用的数值方法多数是谱方法或伪谱方法，这种方法具有精度高、收敛快、有准确的微商、在传播数值解时没有相位误差等特点。如果此方法能够成功的加以应用，则所得的结果的误差就仅是一般数值计算所引起的那些误差，并且可以根据需要而加以控制。但是要对高度复杂的湍流流动进行真接的数值模拟计算，必须采用很小的时问与空间步长。该方法对计算机的内存空间和速度要求非常高，超过了现代计算机所能提供的可能，很少研究者能对层流到湍流的过度区域流动进行这种完全模拟的探索。近十年来，随着超级计算机的发展，在这方面已取得了～些可喜的进展。3．3．2大涡模拟按照湍流的涡旋假说．湍流的脉动与混合主要是由于大尺度的涡造成的，大尺度的涡从主流中获得能量，它们是高度的非各向同性的，而且随着流动的’隋形而异。大尺度的涡旋通过相互作用把能量传递给小尺度的涡。小尺度的涡的作用是耗散能量，它们几乎是各向同性的，而且不同流动中的小尺度涡有许多共性。关于涡旋的上述认识就导致了大尺度的涡模拟的数值解法。这种方法旨在用非稳态的Navier-Stokes方程来直接模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。这种方法在完全模拟的基础上忽略小涡，对内存和速度的要求有所减小，但仍然需要相当大的容量，故目前也尚未能应用于复杂流动的工程计算。3．3．3Reynolds(雷诺)时均方程方法在这类方法里，将非稳态的控制方程对时间作平均，在所得出的关于时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等未知量，于是所得的方程的个数就小于未知量的个数。而且不可能依靠进一步的时均处理而使控制方程组封闭。要使方程组封闭，必须做出假设，即建立模型。这种模型把未知的更高阶的时间平均值表示成较低婴!兰篁笙兰至塑曼塑墨堕丝璺堕墼堕兰曼皇堕望阶的在计算中可咀确定的量的函数。这是目前工程湍流计算中广泛采用的基本方法。在Reynolds时均方程法中，又有Reynolds应力方程法及湍流粘性系数法两大类。前一种方法所需的工作量较大，尚未达到便于工程应用的阶段，本文主要应用湍流粘性系数法。按Reynolds平均法，任一变量毋的时间平均值定义为：石=古一m(3．1)其中时间间隔出相对于湍流的随机脉动周期而言足够的大，但相对于流场的各种时均量的缓慢变化周期来说，则应足够的小。如果时间平均值随时间而异，称为非稳态的时均湍流，如图3．2(a)，如果时均值不随时间而异，称为准稳态的湍流如图3．2(b)，简称稳态湍流。在本文中，以稳态湍流进行讨论。．JJ^』。：▲。砒¨。川从九．叭上⋯咿⋯r叫r’’Ⅳ⋯’7州r”“{(a)非稳态(b)稳态图3．2非稳态及稳态的时均量物理量的瞬时值庐、时均值芗及脉动值≯。之间有如下关系：≯=≯+庐(3．2)设庐及厂是两个瞬时值，矿7及，’为相应的脉动值，则按定义式3．1及3．2，有以下基本的关系成立：一可一≯’=0；妒=≯：庐+庐’=庐一"一一一辛{=审{，串{i=0；串{=审{，堪=毒{七夸{?颤士学位论文字调房间气流组织的数值计算与模拟翌：旦生：型：型．塑：盟敏j。x?aat叙÷ax÷型：o；型：o毋，融j按照以上方法，对N—S方程组进行时均运算：连续方程：将三个坐标方向的瞬时速度表示成时均值与脉动值之和并代入连续方程，再对该式作时均运算，得：圈+圃+歪三亟：堡+盟+里+堡+翌+堡：o(3．3)瓠ayaza]c。y现瓠却az显然有：一au'．笪+型：o盘匆a=竺+竺+竺：0瓠西0z这表明，湍流速度的时均值仍满足连续性方程。动量方程：以X方向的动量方程为例，作类似于上面的处理，有：巫卫+堕趔：+巫互囫+巫互匣囝：af瓠ayaz(3．4)利用庐，≯，庐’之间的运算关系，司得：蚓+堕+亚+盟+婴+蛔：一上至+。f堡+宴+宴1(3。)出。砂出缸ayazP教lax2ay2出2』把上式左端脉动分量乘积的时均值项移到右端，得：型+盟-I-塑：一上至+旦l盟一研l—L一+————=一二+——Iu——l“。rl玉，砂2，p出融!缸。J(3．6)+旦h堡一万I+旦lu孚一而I砂L砂J出L出J对其它两个方向也可作类似的推导，并整理，可得如下形式：掣一善+毒卜署一瞬动|卢-，z，，∞．，，上式中，脉动值乘积项一岳：刃称作雷诺应力，是一个二阶张量，正是这一项使得动量方程变得十分复杂，因而，输运模型的起点是如何处理这一项。根据对这～项学擎挈挈砸4j学位论文窀硼房间气獍组缨的数值汁算与模拟的处理不同，湍流输运模型又可分为以下两种情况：(1)雷诺应力模型该模型最早由周培源于1945和Rottd于1951年分别提出，主要是用来解决一些相当复杂的二次流等流动问题。该模型直接对脉动值乘积项建立微分方程，直接在输运方程中求解雷诺应力。但由于该方程相当复杂，属多方程模型，所以在工程中很少应用。(2)雷诺时均模型为了使计算工作简单又不失其物理本质，Boussinesq提出，在动量控制方程中，除体积力项中的密度外，其它的物性均为常数。此即为著名的Boussinesq假设。采用Boussinesq假设后，我们可以把雷诺应力表示为：一网铂f摹每]一；吒雄㈦s，这里的K是单位质量流体湍流脉动动能：K：土盯+≯+≯l(3．9)2、7式中Ⅳ，称为湍流粘性系数，它是空间坐标的函数，取决于流动的状态而不是物性参数，而分子粘性F则是物性参数。根据确定“的偏微分方程的数量，雷诺时均方程又可分为零方程模型、一方程模型及两方程模型等。类似于湍流切应力的处理，对其它变量的湍流脉动附加项可以引入相应的湍流扩散系数，为简单起见均以F表示，则湍流所传递的通量可以通过下列关系式而与时均参数联系起来：一丽：Fr娑(3．10)o'xj当前在空调房间气流计算中采用最多的是经Launder和Spalding修正后的高雷诺数K一占模型。在低湍流雷诺数下，该K一占模型同其它湍流模型一样有局限性。在许多室内空气流动中，湍流雷诺数较低，模拟的结果与实验相比有偏差。但总的来说，在这一领域中，K—s模型还是优于其它模型，因此，本课题采用K—s双方程模型。3．4湍流基本模型自从Reynolds在1895年提出时间平均的N·s方程以来，研究人员和科学家花了一个世纪的时间来尝试建立Reynolds应力的湍流模型，现在，湍流模型已经取得了很大的进展，但至今仍没有得到一个有效统一的湍流模型，这样就有必要知道不同的顺L学位论文空调房间气流组织的数值计算与模拟湍流模型的使用范围，因此这里对几种常见的湍流模型作一介绍。3．4．1零方程模型所谓零方程模型是指不需要用偏微分方程而是用代数关系式把湍流粘性系数与时均值联系起来的模型。零方程模型只用湍流平均运动方程和连续方程组，并把方程组中的雷诺应力假设为平均物理量的某种代数函数，从而使方程组得以封闭。最简单的零方程模型是常系数模型。对于自由剪切层的湍流流动(即自由射流的湍流流动)，Prandtl认为垂直于主流方向的同一截面上的“为常数，而且可以用下式计算：∥，=CpS[u_。一“。．。(3．1I)式中J为射流层厚度，它是指切应力层中边缘上两点之间的距离，这两点的流速与射流层外自由流动的流体的速度差等于该截面上最大速度差的1％。当射流进入静止的流体中时，5也就是指流速等于截面上最大流速的1％的两个点之工／七0．5y／占图3．3壁面边界层中混合长度的变化闻的距离。但对于轴对称射流(既圆形射流)，占是指从对称轴到1％点的距离。“一与“。．。为同一截面上的最大与最小流速。不同的自由射流情况下系数c的值见下表：表3．1式3．11中的系数平面混圆形射流(在平面l流动形式平面射流径向射流合流动滞止点附近)尾迹lcO．0l0．014O．0110．0190．026式(3．11)形式简单，且所得的结果与实验测定的符合也较好，在湍流射流计算中应用较广。但当发生从一种形式的流动向另一种形式的转换时，由于系数没有通用性，计算的结果就不够准确。Prandtl的混合长度理论也属于零方程模型。在二维坐标系中，湍流切应力表示坝}学位论文窀渊店问气流组织5j数筒并算‘j模拟一刀叫吲考㈣㈣或舻砩吲@㈦这里的“为时均速度，Y是与主流方向相垂直的坐标。f。称为混合长度，是这种模型中需要加以确定的参数。对于沿壁面的边界层流动，混合长度f。与离开壁面的相对距离ylfi按斜坡函数的关系变化，如图3．3所示。其中占为流速是来流速度的99％处离开壁面的距离。系数七与五由实验测定得出。Patanker与Spalding推荐k=O．435，^=O．09。Anderson(安德逊)等则取k=0．41，丑=0．08。对于圆管内充分发展的流动，混合长度可按Nikurades(尼古拉茨)公式计算：，。，／R=0．14—0．08(1一y／只)2—0．060一y／矗)4(3．L4)其中R为管道半径，y为离开壁面的距离。得出该式的实验范围为：R。=1．1×105’3．2×106在十分接近壁面的地区，应考虑分子的粘性对湍流脉动的影响。(范德里斯特)提出了一个阻尼函数来考虑这一因素，把壁面附近的混合长度计算式表示为：。咖卜一[_学]]㈣㈣式中f。为壁面上的切应力，A=26。把混合长度理论应用自由剪切层流动时，混合长度与剪切层厚度之比可按表3．2取值。表3．2自由剪切层流中的混合长度平面圆形射流流动形式平面射流径向射流平面尾迹混合流动(在滞止点附近)1。／60．070．090．075O．01250．16由混合长度理论确定了“后，可以应用关系式盯=“／F确定湍流扩散系数。当≯为温度时，对沿壁面的流动，盯，=0．9，在平面射流中取0．5，在圆形射流中取0．7。对于比较简单的流动，如二维边界层流动，平直通道内的流动等混合长度理论是适用的，而在物理概念上却有不足之处，混合长度模型的局限性是不适用于有回流的比较复杂的流动，也无法处理表面曲率的影响、来流湍流度的影响等问题。对管道内的流动，在管道的中心线上，速度梯度为零，使“也等于零，这与实验测定的结果硕士学位论文宴!曼皂旦墨连塑堡竺塑堕生蔓兰堡望相矛盾。而对于比较复杂的流动(如有回流时)，则很难提出一个计算混合长度的合适公式，这时，就应采用由偏微分方程来计算湍流粘性的模型。3．4．2一方程模型所谓湍流的一方程模型，就是为决定“而只需要求解一个湍流参量的微分方程，从而使湍流方程组得以封闭的模型。在混合长度理论中，鸬仅与几何位置及时均速度场有关，而与湍流的特性参数无关。混合长度理论应用的局限性启发我们想到湍流粘性系数应当与湍流本身的特性量有关。如果把湍流脉动造成附加应力的过程与分子扩散造成应力的过程相比拟，可以设想湍流粘性系数应当与脉动的特性速度及脉动的特性尺度的乘积有关，正像分子粘性正比于分子平均自由程与其速度的乘积一样。湍流脉动动能的平方根，即世“2，可以作为湍流脉动速度的代表。普朗特和科尔莫哥洛夫从上述考虑出发，各自提出了计算“的下列表达式：“=c：肚“2，(3．16)其中，C：。为经验常数，f是湍流脉动的长度标尺，一般地它不等于混合长度，卅。采用此式来确定“时，关键在于确定流场中各点的脉动动能及长度标尺。为了确定置，首先需要建立关于足的偏微分方程。这可以从K的定义(0．5×甜鲥)出发，通过对瞬态Ⅳ一S方程及其时均的形式作一系列的运算而得出，这样得出的方程中又引入了新的未知量，如等甜：P’。为使方程封闭，必须对这些项作近似的处理，以把它们表示成其它时均变量的函数aKaK-瓦+鹏瓦2藉磊≮舒+剖一瓦OK]———1两百—一+懂(考+詈卜竺兰c。·¨，———翮i一埔拥这里听称为脉动动能的Prandtl数，其值在1．0左右。c。系数没有比较一致的值。方程3．17表明，芷作为一种能量，它的变化率受到一系列物理过程的制约。湍流湍动能主要是由雷诺应力与均匀速度梯度的相互作用而产生的，方程中的产生项定量描述了时均流能量向湍动能的转化。耗散项总是小于零的，表示在分子粘性作用下，湍动能转化为流体的内能，即耗散成热能。方程中耗散项采用湍动能耗散率的模化式，占的定义式为：占：“塑坐i(3．18)。#xjOxj在流动体系中，一个位置上的湍动量可以由均流携带到另一处，即对流输运，体现于对流项。扩散项描述的