037低溫?zé)崴匕遢椛洳膳覂?nèi)空氣溫度場模擬與分析

1、低溫?zé)崴匕遢椛洳膳覂?nèi)空氣溫度場模擬與分析東北石油大學(xué) 徐穎 王忠華 劉曉燕 張?zhí)m雙摘要：建立低溫?zé)崴匕遢椛溥B續(xù)供暖房間室內(nèi)空氣溫度場三維穩(wěn)態(tài)傳熱物理及數(shù)學(xué)模型，用Fluent軟件模擬計算了室內(nèi)空氣速度及溫度場，分析了速度及溫度的分布狀況及形成的原因。關(guān)鍵詞：地板輻射 溫度場 Fluent 模擬1引言由于低溫?zé)崴匕遢椛洳膳块g與其他類型采暖房間的熱過程差別，造成其室內(nèi)熱環(huán)境異于其他供暖房間。在封閉的供暖房間里，室內(nèi)空氣被散熱器部件加熱后，在溫差產(chǎn)生的熱壓作用下形成自然對流場，影響室內(nèi)空氣溫度分布。低溫?zé)崴匕遢椛涔┡纳岵考檎麄€地面，溫度較低、且分布較均勻，室內(nèi)輻射作用明顯，在較低的

2、空氣溫度條件下也可以達到同樣的室內(nèi)舒適性。此差異使得在設(shè)計計算該類供暖系統(tǒng)以及評價熱環(huán)境時，應(yīng)采用區(qū)別其它供暖的方法和參數(shù)。本文利用自然對流空氣湍流流動與傳熱理論，對低溫?zé)崴匕遢椛溥B續(xù)供暖房間室內(nèi)空氣溫度場進行研究，建立室內(nèi)空氣和各圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面熱平衡方程，對室內(nèi)各內(nèi)表面平均溫度和室內(nèi)空氣平均溫度進行研究，分析在某一地板表面溫度和室外溫度條件下，地板輻射采暖房間室內(nèi)溫度分布和熱舒適性。2模型建立2.1物理模型圖1為室內(nèi)空氣溫度場數(shù)值模擬物理模型，圖中長方體房間的中心為坐標(biāo)原點，x方向坐標(biāo)從2.1m到2.1m；y方向坐標(biāo)從-1.8m到1.8m；z方向坐標(biāo)從-1.35m到1.35m，外墻厚度為0

3、.47m。圖1 室內(nèi)空氣溫度場模擬物理模型2.2數(shù)學(xué)模型假設(shè)條件1：（1）考慮溫差形成的浮力作用，忽略門窗滲透風(fēng)和人員活動等因素對流場的擾動；（2）房間內(nèi)無其它內(nèi)熱源，并將外窗熱損失平均到外墻上，房間內(nèi)各壁面溫度均勻。數(shù)學(xué)方程.1控制方程（1）質(zhì)量方程 （1）式中：、速度在x、y、z方向的分量，m/s。（2）動量方程 （2） （3）（4）（2）、（3）、（4）式中，左側(cè)為對流項，右側(cè)前兩項為擴散項，、為源項， （5） （6） （7）式（7）右側(cè)最后一項為考慮溫差產(chǎn)生的浮升力作用，采用Boussinesq假設(shè)修正項。為有效擴散系數(shù)， （8）式中：氣體的動力粘度系數(shù)，kg/(Sm)。為考慮流場中湍

4、流脈動作用形成的附加粘度擴散系數(shù)，因研究對象Re數(shù)低，該項包括湍流擴散系數(shù)和分子擴散系數(shù)兩部分： （9） （10）其中， （11）式中：經(jīng)驗系數(shù)；湍流脈動動能；單位質(zhì)量流體脈動動能耗散率。（3）能量方程 （12） （13）式中：空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m K)；空氣的熱容，kJ/(kgK)；經(jīng)驗系數(shù)。源項包括內(nèi)熱源 （14）以上方程中引入了和，方程組不再封閉，需要引入和的控制方程。（4）方程 因研究對象Re數(shù)低，在控制方程中，壁面附近脈動動能耗散為各項異性。其中： （15） （16）（5）方程 （17）其中， （18）以上方程中，。2.2.2.2邊界條件其它表面： ，； （19）外墻表面： ，。

5、 （20）3 模擬計算模擬房間為某住宅樓，計算房間的相關(guān)參數(shù)如表1所示，模擬軟件采用Fluent2軟件中的3D求解。相關(guān)模擬計算所需參數(shù)如表1所示。表1 計算房間相關(guān)參數(shù)房間類型臥室房間外墻數(shù)1面北外墻房間尺寸（m3）4.2×3.6×2.7外墻傳熱系數(shù)（W/m2）0.93地板表面平均溫度（）33.73室外溫度（）-9南墻內(nèi)壁平均溫度（）30.49頂棚表面平均溫度（）30.39東墻內(nèi)壁平均溫度（）30.34西墻內(nèi)壁平均溫度（）28.69建立地板輻射采暖房間的三維網(wǎng)格，外墻為第三類邊界條件，與室外空氣進行對流換熱，其它表面為定壁溫，地板表面與其它表面進行對流和輻射換熱。圖2為x

6、=0剖面空氣流速矢量圖，圖3為z=0剖面速度矢量圖。圖2 x=0剖面速度矢量圖3 y=0剖面速度矢量由圖2可見，地板表面溫度較高，熱空氣向上流動，冷空氣向下流動，冷空氣到地板附近被加熱，繼續(xù)向上運動，因此形成旋流。圖中左側(cè)為外墻邊界，室內(nèi)空氣通過外墻與室外空氣進行換熱，所以空氣流速較大，形成的旋流比內(nèi)墻側(cè)旋流流速大。圖4 z=0剖面速度矢量圖5 北外墻內(nèi)表面溫度分布曲線由圖3可見，由于西墻表面溫度低于東墻表面溫度，所以左側(cè)（西墻側(cè)）旋流較右側(cè)（冬墻側(cè)）旋流速度大。由圖4可以看出，空氣流速最大點并不在地板表面中心處，而是靠近較暖的兩面內(nèi)墻。圖5為北外墻內(nèi)表面溫度分布曲線。圖中橫坐標(biāo)為地板表面，縱

7、坐標(biāo)為距地板表面的垂直距離。由圖可以看出，距離地板較近處，溫度較高，隨著高度的增加，外墻表面溫度逐漸降低；而且由于西墻表面溫度較低，所以外墻表面左側(cè)溫度低于右側(cè)。圖6至13給出了垂直于z軸剖面的室內(nèi)溫度分布曲線，圖中x軸為邊界為南墻，y軸邊界為西墻。 圖6 z=-1.25剖面溫度分布曲線圖7 z=-1.0剖面溫度分布曲線圖8 z=-0.8剖面溫度分布曲線圖9 z=-0.5剖面溫度分布曲線圖10 z=0剖面溫度分布曲線圖11 z=0.5剖面溫度分布曲線圖12 z=0.8剖面溫度分布曲線圖13 z=1.0剖面溫度分布曲線由圖6至13可以看出，隨著距地板表面垂直距離的加大，水平面的溫度逐漸降低，而且

8、同一水平面內(nèi)溫度分布不均勻，由于距離外墻和外窗較近處，由于受冷空氣流的影響，溫度波動不規(guī)律，所以，最高點溫度并不是出現(xiàn)在地板中心，而是靠近兩面較暖的內(nèi)墻。圖18 x=0剖面溫度分布曲線圖19 x=1.0剖面溫度分布曲線圖16 y=1.0剖面溫度分布曲線圖17 x=-1.5剖面溫度分布曲線圖14 y=-1.0剖面溫度分布曲線圖15 y=0剖面溫度分布曲線圖14、15和16為垂直于y軸剖面室內(nèi)空氣溫度分布曲線。圖中x軸為地板表面，y軸為距地板表面的距離。圖17、18和19為垂直于x軸剖面的室內(nèi)空氣溫度分布曲線，圖中右邊界為外墻表面。由圖1419可見，靠近西墻的室內(nèi)空氣溫度較低。而且靠外墻越近的剖面，溫度越低，這主要是受外墻冷空氣的影響所致，與實際測試中室內(nèi)空氣的溫度分布規(guī)律相同。由圖17、18和19可以看出，隨著距地板表面距離的增加，室內(nèi)空氣溫度逐漸降低，但變化不大，與實際測試的室內(nèi)垂直方向空氣溫度分布規(guī)律相同。4結(jié)論1、建立了地板輻射采暖房間室內(nèi)空氣溫度場三維穩(wěn)態(tài)物理和數(shù)學(xué)模型，利用Fluent軟件模擬計算了室內(nèi)空氣速度及溫度場，分析了速度及溫度的分布狀況及形成的原因。2、模擬結(jié)果表明，室內(nèi)空氣溫度隨著距地面越遠，溫度逐漸降低，而且同一水平面內(nèi)溫度分布不均勻，靠外墻越近的剖面，溫度越低，但變化不大。參考文獻1 劉艷峰. 地板供暖設(shè)計與運行基礎(chǔ)理論研究. 西安: 西安建筑科技大學(xué),