空調(diào)試驗(yàn)房室內(nèi)空氣流場的計(jì)算分析

1、空調(diào)試驗(yàn)房室內(nèi)空氣流場的計(jì)算分析摘要：本文對空調(diào)試驗(yàn)室流場進(jìn)行模擬計(jì)算，在此基礎(chǔ)上對測試室送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，明顯改善測試室流場分布。關(guān)鍵詞：流場FLUENT測試0綜述焰差法實(shí)驗(yàn)室常常忽略外部流場分布的不均勻性，以至影響到測試結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。而大量流場測試周期長、操作復(fù)雜，測試室氣流速度通常很小，即使微小擾動對測試結(jié)果都有很大影響，而且缺乏對氣流方向的預(yù)測，即使排除人為因素也很難測出流場真實(shí)速度，不利于測試室流場改進(jìn)。進(jìn)行數(shù)值模擬將有利于工程檢測？改進(jìn)，節(jié)省人力、財(cái)力和時(shí)間。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬有助于工程設(shè)計(jì)的改進(jìn)。研究如何形成合理的流場，滿足測試室負(fù)荷要求，避免回流短路現(xiàn)象，以達(dá)到良好的送

2、風(fēng)效果，這具有十分重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。1模型簡化與計(jì)算為了簡化實(shí)際問題，便于分析，在建立數(shù)學(xué)模型前對室內(nèi)氣體的流動先做以下假設(shè)：室內(nèi)氣體滿足牛頓內(nèi)摩擦定律，為牛頓流體；室內(nèi)流體溫度變化不大，密度可視為常數(shù)；室內(nèi)氣體的流動形式為穩(wěn)態(tài)紊流；在紊流中心區(qū)，忽略能量方程中由于粘性作用而引起的能量耗散；室內(nèi)空氣在房間內(nèi)壁面上滿足無滑移邊界條件。本文計(jì)算所選擇的求解器是Fluent5/6。對于在用Fluent軟件計(jì)算時(shí)所采用的有關(guān)數(shù)值計(jì)算方法，說明如下：壓力項(xiàng)、能量項(xiàng)、紊流動能和紊流耗散率項(xiàng)的離散都采用二階迎風(fēng)格式。二階迎風(fēng)格式也就是一階導(dǎo)數(shù)的具有二級截差的差分格式，它可以克服迎風(fēng)差分截差比較低的缺

3、點(diǎn)而又能保持它的長處。壓力與速度的藕合關(guān)系的處理方法選用SIMPLE算法。采用標(biāo)準(zhǔn)k-&二兩方程模型來求解湍流問題時(shí)，控制方程包括質(zhì)量和方程及k-&方程。根據(jù)以上假設(shè)可建立其數(shù)學(xué)模型，整場的流動應(yīng)滿足質(zhì)量和動量方程（1）質(zhì)量方程（1） （2）動量守恒方程（2）湍流模型標(biāo)準(zhǔn)兩方程模型8（Jones&Launder,1972）湍流動能k的方程，其一般形式為（3）這里，為生成項(xiàng)，為耗散項(xiàng)湍流耗散率&的方程，一般采用的形式為（4）這里為生成項(xiàng)，為耗散項(xiàng)2邊界條件本文中的算例包括以下邊界條件：給出入口速度邊界，具體值由風(fēng)機(jī)風(fēng)量及送風(fēng)管道尺寸計(jì)算給定給出出口壓力邊界，具體值

4、由測試給定在固體邊界上對速度取無滑移邊界條件，即在固定邊界上流體的速度等于固體表面的速度3數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析3.1水平面X方向原始模型數(shù)值模擬及優(yōu)化改進(jìn)數(shù)值模擬結(jié)果如下圖16所示在圖7s8中，可以清楚看到原始數(shù)值模擬和優(yōu)化改進(jìn)數(shù)值模擬在各個(gè)水平面上速度的分布及變化情況。改進(jìn)模型孔板送風(fēng)速度分布更加均勻，送風(fēng)初始平面上速度分布在0.10.13m/s之間，與原始模型相比有非常明顯的改善。這主要是因?yàn)榱骶€形的隔板能更好的改變靜壓室內(nèi)的壓力分布，從而更好的改變孔板的送風(fēng)速度分布，這可以從壓力場分布圖中得到進(jìn)一步證明，模擬結(jié)果和我們的理論預(yù)測有很好的吻合。3.2垂直面Z方向原始模型數(shù)值模擬及優(yōu)化改進(jìn)數(shù)值

5、模擬結(jié)果如下圖910所示在圖910中，可以清楚看到原始數(shù)值模擬和優(yōu)化改進(jìn)數(shù)值模擬在垂直面上的速度分布情況。在這兩張圖中速度分布對比十分鮮明，流線形隔板模型速度分布更均勻，死角比較少，除工況機(jī)附近及一些死角外，流線形隔板模型在這個(gè)平面上的速度均在0.lm/s以上且分布均勻，而原始模型頂部正中部分明顯有一個(gè)死區(qū)。4計(jì)算結(jié)果本文在原始模型數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，針對原始模型孔板送風(fēng)速度不均勻的缺陷重新設(shè)計(jì)一種相對簡單實(shí)用的流線型模型，通過數(shù)值模擬及優(yōu)化改進(jìn)得出結(jié)論如下：本物理模型的獨(dú)特之處在于把入口和出口邊界放在了非研究區(qū)域的送風(fēng)管道中，而且首次用整個(gè)流場回路作為數(shù)值模擬計(jì)算的對象，這樣就把入口和出口簡化

6、假設(shè)對研究區(qū)域的影響降到最小，或者說把簡化假設(shè)帶來的誤差引入到非研究區(qū)域。通過擴(kuò)大模擬范圍，來達(dá)到凈化研究區(qū)域的目的.從原始模擬結(jié)果來看，孔板送風(fēng)氣流分布不均勻，特別是接近孔板的區(qū)域，還存在一定的回流，中間區(qū)域流速低，接近于零，兩側(cè)流速高，送風(fēng)口相對一側(cè)墻壁區(qū)域附近氣流速度最高，中間部分形成兩個(gè)明顯的低速渦流區(qū)域。由于工況機(jī)附近負(fù)壓的影響，造成墻壁一側(cè)和地面上方氣流速度偏大，測試室中心區(qū)域流速偏低。進(jìn)一步分析可知，氣流初態(tài)決定于靜壓室內(nèi)壓強(qiáng)分布，氣流終態(tài)決定于工況機(jī)附近負(fù)壓分布，其它區(qū)域?yàn)閮烧呦嗷プ饔孟嗷ビ绊懙倪^渡區(qū)域。改變氣流分布只能從靜壓室結(jié)構(gòu)和工況機(jī)的位置來考慮。根據(jù)原始模擬靜壓室壓力分

7、布不均造成孔板送風(fēng)不均，作者設(shè)計(jì)流線型改進(jìn)模型，經(jīng)計(jì)算主流區(qū)域速度分布較原始模型有明顯改善?！咎嵋勘疚母鶕?jù)國家標(biāo)準(zhǔn)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范編制的原則，通過對單層磚柱廠房震害分析，提出相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)方法。【關(guān)鍵詞】磚柱廠房，地震震害，抗震設(shè)計(jì)單層磚柱廠房具有選價(jià)低廉、構(gòu)造簡單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在中小型工業(yè)廠肩中得到廣泛應(yīng)用。磚柱廠房是以磚柱（墻）做為承重和抗側(cè)力構(gòu)件，由于材料的脆性性質(zhì)，其抗震性能比鋼筋混凝土柱廠房差；由于磚往廠房內(nèi)部空曠、橫墻問距大，地震時(shí)的抗倒塌能力不如砌體結(jié)構(gòu)的民用建筑。因此根據(jù)磚柱廠房的震害特點(diǎn)，找出杭震的薄弱環(huán)節(jié)，提出相應(yīng)的抗震措施，提高其抗震能力是必要的。1 .地震震害及其

8、特點(diǎn)：？地震震害表明：6、7度區(qū)單層磚柱廠房破壞較輕，少數(shù)磚柱出現(xiàn)彎曲水平裂縫：8度區(qū)出現(xiàn)倒塌或局部倒塌，主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞；9度區(qū)廠房出現(xiàn)較為嚴(yán)重的破壞，倒塌率較大。從震害特點(diǎn)看，磚柱是廠房的薄弱環(huán)節(jié)，外縱墻的磚柱在窗臺高度或廠房底部產(chǎn)主水平裂縫，內(nèi)縱墻的磚柱在底部產(chǎn)生水平裂縫，磚柱的破壞是廠肩倒塌的主要原因。山墻在地震時(shí)產(chǎn)生以水平裂縫為代表的平面外彎曲破壞，山墻外傾、楝條拔出，嚴(yán)重時(shí)山墻倒塌，端開間屋蓋塌落。屋蓋形式對廠房抗震性能有一定的影響，重屋蓋廠房的震害普遍重子輕屋蓋廠房，楞攤瓦和稀鋪望板的瓦木屋蓋，其縱向水平剛度和空間作用較差，地震時(shí)屋蓋易產(chǎn)生傾斜。2 .適用范圍及結(jié)構(gòu)布置2.1單跨

9、和等高多跨的單層磚柱廠房，當(dāng)無吊車且跨度和柱頂標(biāo)高均不大時(shí)，地震破壞較輕。不等高廠房由于高振型的影響，變截面柱的上柱震害嚴(yán)重又不易修復(fù)，容易造成屋架塌落。因此規(guī)定磚柱廠房的適用范圍為單跨或等高多跨且無橋式吊車的中小型廠房，6-8度時(shí)廠房的跨度不大子15m且柱頂標(biāo)高下大于6.6m9度時(shí)跨度不大于12m且柱頂標(biāo)高不大于45m。2.2廠房的平立面應(yīng)簡單規(guī)則。平面宜為矩形，當(dāng)平面為L、T形時(shí)，廠房陰角部位易產(chǎn)生震害，特別是平面剛度不對稱，將產(chǎn)生應(yīng)力集中。對于立面復(fù)雜的廠房，當(dāng)屋面高低錯(cuò)落時(shí)，由于振動的不協(xié)調(diào)而發(fā)主碰撞，震害更為嚴(yán)重。2.3當(dāng)廠房體型復(fù)雜或有貼建的房屋（或構(gòu)筑物）時(shí)，應(yīng)設(shè)置防震縫將廠房與

10、附屬建筑分割成各自獨(dú)立、體型簡單的抗震單元，以避免地震時(shí)產(chǎn)主破壞。針對中小型廠房的特點(diǎn)，鋼筋混凝上無檀屋蓋的磚柱廠房應(yīng)設(shè)置防震縫，而輕型屋蓋的磚柱廠房可不設(shè)防震縫。防震縫處宜設(shè)置雙柱或雙墻，以保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和剛度，防震縫的寬度應(yīng)根據(jù)地震時(shí)最大彈塑性變形計(jì)算確定。一般可采用50s70mm3.結(jié)構(gòu)體系3.1地震時(shí)廠房破壞程度與屋蓋類型有關(guān)，一般來說重型屋蓋廠房震害重，輕型屋蓋廠房震害輕，在高烈度區(qū)影響更為明顯。因此要求6-8度時(shí)宜采用輕型屋蓋，9度時(shí)應(yīng)采用輕型屋蓋。人之地震震害調(diào)查表明：6、7度時(shí)的單跨和等高多跨磚柱廠房基本完好或輕微破壞，8、9度時(shí)排架柱有一定的震害甚至倒塌。因此建筑抗震設(shè)

11、計(jì)規(guī)范（G8J1189）規(guī)定：6、7度時(shí)可采用十字形截面的無筋磚柱，8度1、2類場地應(yīng)采用組合磚柱，8度3、4類場地及9度時(shí)邊柱宣采用組合磚柱，中柱直采用鋼筋混凝土柱。經(jīng)過地震震害分析發(fā)現(xiàn)：非抗震設(shè)計(jì)的單層磚柱廠房經(jīng)過8度地震也有相當(dāng)數(shù)量的廠房基本完好，所倒塌的廠肩大部份在設(shè)計(jì)和施工上也存在先天不足，因此正常設(shè)計(jì)正常施工和正常使用的無筋磚柱單層廠后，在8度區(qū)仍然具有一定的抗震能力?？梢妼?度區(qū)的單層磚柱廠房都配筋的要求是偏嚴(yán)的，在抗震規(guī)范的修訂稿中將8度1、2類場地“應(yīng)”采用組合磚往改為“宜”采用組合磚柱，允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)不同情況對是否配筋有所選擇。一般來說，當(dāng)單層磚柱廠房符合砌體結(jié)構(gòu)剛性方案

12、條件，經(jīng)抗震驗(yàn)算承載力滿足要求時(shí)，可以采用無筋磚柱。3.3對于單層磚柱廠房的縱向仍然要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度，單靠磚柱做為抗側(cè)力構(gòu)件是不夠的，如果象鋼筋混凝土柱廠房那樣設(shè)置柱間支撐，會吸引相當(dāng)大的地震剪力。使磚拄剪壞。為了增強(qiáng)廠房的縱向抗震承載力，在柱間砌筑與柱整體連接的縱向磚墻，以代替柱間支撐的作用，這是經(jīng)濟(jì)有效的方法。3.4當(dāng)廠房兩端為非承重山墻時(shí)，山墻頂部與楝條或屋面板恨難連接，只能依靠屋架上弦與防風(fēng)柱上端連接做為山墻頂部的支點(diǎn)，這不僅降低了房屋整體空間作用，對防止山墻的出平面破壞也不利，因此廠房兩端均應(yīng)設(shè)置承重山墻。3.5廠房的縱橫向內(nèi)隔墻宣做成抗震墻，其目的充分利用培體的功能，避免主

13、體結(jié)構(gòu)的破壞。當(dāng)內(nèi)隔墻不能做成抗震墻時(shí)，最好采用輕質(zhì)隔墻，以避免墻體對柱及柱與屋架連接節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生不利影響，如果采用非輕質(zhì)隔墻，則應(yīng)考慮隔墻對柱及其與屋架節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的附加剪力。3.6無窗架不應(yīng)通至廠房單元的端開間，以免過份削弱屋蓋的剛度。天窗架采用磚壁承重時(shí)，將產(chǎn)生嚴(yán)重的震害甚至倒塌，地震區(qū)應(yīng)避免使用。4抗震承載力計(jì)算4.1橫向抗震計(jì)算單層磚往廠房橫向抗震計(jì)算的計(jì)算簡圖，可按下列規(guī)定選取：（1）當(dāng)廠房柱為無筋磚柱或邊柱為組合磚柱、中柱為鋼筋混凝土柱時(shí)，可采用下端為固接、上端為較接的徘架結(jié)構(gòu)模型；（2）當(dāng)廠肩邊柱為無筋磚柱、中柱為鋼筋混凝土柱，在確定廠房自振周期時(shí)，磚柱下端按固接考慮，在計(jì)算水平地震作

14、用時(shí)，磚柱下端按較接考慮。這主要是考宅到在地震作用下，隨著變形的不斷增加，無筋磚柱下端開裂并退出工作，囚而全部橫向地震作用由中部的鋼筋混凝土柱承擔(dān)。輕型屋蓋單層磚柱廠房的橫向抗震計(jì)算，可以忽略空間工作影響？采用平面排架進(jìn)、廳計(jì)算。對于鋼筋混凝上屋蓋和密鋪望板的瓦木屋蓋廠肩，其空間作用不能忽略，應(yīng)按空間分析的方法進(jìn)行計(jì)算：但為了簡化，對于一定條件下的廠房可以按平面排架進(jìn)行計(jì)算，考慮到其空間工作影響，對計(jì)算的地震作用效應(yīng)要進(jìn)行調(diào)整。4.2縱向抗震計(jì)算對于鋼筋混凝土屋蓋的等高多跨磚柱廠房，當(dāng)考慮屋蓋為剛性時(shí)，縱向地震作用在各柱列之間的分配與柱列的側(cè)移剛度成正比：當(dāng)考慮屋蓋的彈性進(jìn)行空間分析時(shí)，側(cè)移剛度較大柱列分配的地震作用比按剛性屋蓋分配的地震作用小，而側(cè)移剛度較小柱列分配的地震作用比按剛性屋蓋分配的地震作用大。設(shè)計(jì)中為了利用剛性屋