高大空間建筑氣流組織的cfd模型實驗與現(xiàn)場測試實驗

高大空間建筑氣流組織的CFD模型實驗與現(xiàn)場測試實驗研究摘要：高大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)初投資昂貴，運行能耗巨大，因此在設(shè)計時有必要對設(shè)計方案、氣流組織、熱舒適性等加以模擬預(yù)測。本文以天津國際展覽中心擴建工程B展廳為研究對象，對無回風(fēng)管道的上送上回夏季空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)狀的氣流組織進(jìn)行現(xiàn)場測試，并以實測數(shù)據(jù)作為邊界條件，利用Fluent公司推出的專業(yè)軟件Airpak2.1對其現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)氣流組織、溫度場和速度場以及熱舒適性與氣流組織進(jìn)行了模擬研究。通過對兩者分析比較，驗證了CFD模型實驗的準(zhǔn)確性、切實可行性，指出利用現(xiàn)有的CFD軟件模擬對高大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能與優(yōu)化設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵字：高大空間氣流組織熱舒適CFD模擬0.前言隨著社會進(jìn)步和人民生活水平的提高，對功能合理、質(zhì)量上乘、環(huán)境舒適的公共活動空間的需求日益增加，此類空間多屬于高大空間建筑。高大空間建筑的空調(diào)系統(tǒng)無論在初投資還是運行費用上都比較大，因此在方案的選擇上要慎重，有必要在設(shè)計前對系統(tǒng)方案進(jìn)行模擬分析，實現(xiàn)設(shè)計方案的優(yōu)化和空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。本文以天津國際展覽中心新館B展廳為研究對象，利用Fluent公司推出的Airpak2.1專業(yè)軟件對其空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案的氣流組織和熱舒適性進(jìn)行了模擬研究，與現(xiàn)場測試結(jié)果進(jìn)行分析比較，驗證了用CFD模型實驗的正確性和切實可行性，所得結(jié)論為高大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、預(yù)測氣流組織和熱舒適提供了可靠的理論依據(jù)和指導(dǎo)方法。1.研究對象概況本文以天津國際展覽中心擴建工程Ｂ展廳為研究對象，該展廳空調(diào)面積為5346m2，凈長99米，寬54米，高18米（機房側(cè)10高，有9米寬二層走廊）。采用全空氣送風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)；該展廳空調(diào)區(qū)獨立，空調(diào)系統(tǒng)獨立，防火分區(qū)獨立。夏季負(fù)荷1290kW；新風(fēng)量51000m3/h，排風(fēng)量51000m3/h。夏季室內(nèi)設(shè)計溫度26℃，相對濕度65％。目前展廳空調(diào)送風(fēng)現(xiàn)狀為上送上回全空間空調(diào)：送風(fēng)量255000m3/h，回風(fēng)量204000m3/h，3臺空調(diào)機組，每臺額定風(fēng)量85000m3/h；設(shè)66個Φ630mm旋流送風(fēng)口，每個作用面積9m×9m＝81m2，風(fēng)口距地面13米。新風(fēng)與回風(fēng)混合經(jīng)表冷器處理后送入展廳。展廳不設(shè)回風(fēng)管道，靠近空調(diào)機房的風(fēng)管道豎井設(shè)有回風(fēng)口，連接空調(diào)機組回風(fēng)口。2.現(xiàn)場測試2.1測試條件測試時B展廳接近空負(fù)荷狀態(tài)，展廳內(nèi)只有一些人在打羽毛球、十幾個工作人員和九個測試人員及協(xié)助測試人員?？照{(diào)機組沒有正常運行，送風(fēng)速度相當(dāng)小，送風(fēng)溫度很高，幾乎沒有冷量，幾乎沒有除濕。最惡劣的是展廳的門窗并沒有關(guān)嚴(yán)，甚至室內(nèi)相鄰墻（防火墻）亦沒有降落，相當(dāng)于與其它展廳相通。盡管如此并不妨礙與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。2.1測試內(nèi)容天津市國際展覽中心新館B展廳空調(diào)氣流組織，即空調(diào)送風(fēng)溫度場和速度場，展廳圍護結(jié)構(gòu)各壁面溫度、風(fēng)口周圍各離散點的風(fēng)速、溫度、室內(nèi)溫濕度、室外溫濕度。2.2實驗儀器與裝置實驗中風(fēng)速和空氣溫度分別采用熱線式風(fēng)速儀（測試范圍：風(fēng)速VL0.1～4.99m/s，VH5～50m/s；溫度0～99.9℃；測試精度：風(fēng)速±2％FS，溫度±1℃）、數(shù)字風(fēng)速測量儀（測試范圍：0.4～30.0m/s；測試精度：0.1m/s；）、多通道微風(fēng)速儀（測試范圍：風(fēng)速0～1.0m/s和0～10.0m/s，溫度0～50.0℃；測試精度：風(fēng)速±（指示值的5％+0.1m/s），溫度±1℃）測量。展廳圍護結(jié)構(gòu)的壁面溫度用非接觸溫度計（測試精度：±1℃）測量。室內(nèi)外的濕度采用阿斯曼干濕球溫度計測量。2.3測試方案展廳按照長（Z方向）、寬（X方向）、高（Y方向）建立坐標(biāo)。在此僅給出測試方案，與后面模擬研究有關(guān)的測試結(jié)果在下文中給出，其余眾多數(shù)據(jù)不再贅述。3.測試條件下的CFD模擬研究3.1模型建立考慮到計算機內(nèi)存和計算速度，減少生成網(wǎng)格的數(shù)目，節(jié)省運算時間，在不影響計算結(jié)果的前提下，對物理模型進(jìn)行合理的簡化，邊界條件按照實際測得數(shù)據(jù)設(shè)定，模型見圖6。展廳機房側(cè)有長寬高9m×54m×10m的辦公室和機房，用長寬高9m×54m×10mblock代替不作為研究范圍?；仫L(fēng)口在環(huán)境壓力、溫度條件下回風(fēng)。人體負(fù)荷按輕勞動強度、環(huán)境溫度成年男子顯熱散熱量58W/人計算，人流密度0.8人/m2,群集系數(shù)按百貨商店計算，取0.89，人體總散熱為240838.272W。人體模型簡化成33組長（X方向）寬（Z方向）高（Y方向）45m×0.4m×1.8mblocks，每組熱量7298W,沿展廳長（Z方向）均布在地面，間隔為3米。照明負(fù)荷按設(shè)計院提供的30W/m2，照明總負(fù)荷為174960W，簡化成9組長（Z方向）寬（X方向）高（Y方向）108m×0.85m×0.2m的blocks，每組負(fù)荷為17820W，block設(shè)在13m高度處。圖6夏季模型圖3.2模擬計算結(jié)果選取典型斷面旋流風(fēng)口中心斷面和兩旋流風(fēng)口中間斷面，以及典型坐標(biāo)點輸出模擬計算結(jié)果。限于篇幅，下面僅將可以與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相比較的參數(shù)即溫濕度在測試點處沿垂直高度輸出，如圖7～8所示。3.3結(jié)果分析由圖7和圖8，從實驗測試和CFD模擬計算與現(xiàn)場測試得到的溫度、速度比較可以看出，CFD模擬計算結(jié)果和現(xiàn)場測試結(jié)果有一致的趨勢和相當(dāng)高的吻合度。需要說明一點，現(xiàn)場測試的最高高度為13米，即從地面到旋流風(fēng)口的高度，而模擬是從地面到屋頂展廳的整體空間。從兩參數(shù)的曲線圖可以看出，現(xiàn)場測試的溫度、速度值較CFD模擬計算值分散，其原因可能是在CFD模擬計算時旋流風(fēng)口模型建立與實際旋流風(fēng)口有差別以及實測中測試受到外界不確定因素的影響。模擬采用k-ε雙方程模型，應(yīng)用Airpak2.1專業(yè)CFD軟件，從現(xiàn)場測試和模擬結(jié)果比較分析得出，在誤差允許范圍內(nèi)，k-ε雙方程模型應(yīng)用在三維的高大空間是合理的，利用Airpak2.1專業(yè)CFD軟件模擬高大空間建筑是切實可行和準(zhǔn)確的。4.設(shè)計條件下的CFD模擬研究模型建立與前面基本相同只是邊界條件設(shè)定由設(shè)計條件下負(fù)荷計算確定。模擬計算結(jié)果如下圖所示。圖9兩旋流風(fēng)口中間斷面溫度云圖和等溫線圖10兩旋流風(fēng)口中間斷面速度云圖和等速線從圖9中溫度云圖可以看到：展廳在旋流送風(fēng)口13m以下的溫度分布均勻，溫度在25℃～26℃之間，而在13m即送風(fēng)管道以上的溫度在27℃以上，有的高達(dá)29℃。從圖中等溫線的稀疏稠密程度可以看出在2m～13m之間溫度變化不大，高度在2m以內(nèi)，特別是人體周圍溫度變化比較大，在墻體周圍與13m以上溫度等值線比較稠密，說明溫度有一定梯度變化。從圖10中速度云圖可以看到：除回風(fēng)口風(fēng)速高于0.8m/s外，13m以下展廳風(fēng)速多集中在0.1m/s～0.2m/s，部分達(dá)到0.3m/s～0.4m/s；在送風(fēng)管道13m以上風(fēng)速幾乎在0.1m/s以下。從速度等值線圖可以看出：在13m以下等值線稀疏稠密均勻說明整體空間風(fēng)速均勻并且變化幅度比較小。圖11曲線圖更直觀、定量地表明溫度、風(fēng)速、PMV、PPD在典型坐標(biāo)點處沿垂直方向的變化情況。垂直高度最低溫度在距地面10m～13m之間，接近旋流送風(fēng)口出口處，溫度低于26℃時，從地面到14m，最高溫度29.4℃；垂直縱斷面最高風(fēng)速在距地面10m～12m之間，接近旋流送風(fēng)口出口處，風(fēng)速從出風(fēng)口到地面逐漸衰減，在2m以內(nèi)工作區(qū)風(fēng)速小于0.3m/s，符合設(shè)計規(guī)范；垂直縱斷面最低PMV在距地面10m～12m之間，接近旋流送風(fēng)口出口處，PMV值與溫度趨勢是一一對應(yīng)的，有很高的吻合度，并且工作區(qū)PMV指標(biāo)值基本滿足ISO7730對PPD指標(biāo)的推薦值-0.5<PMV<+0.5[5][2][[6]；在距地面1m10%<PPD<20％偏高于推薦值，在1m～2m內(nèi)PPD<10％[5][2][6]滿足推薦值。5.結(jié)論1.實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的高度吻合說明利用AIRPAK專業(yè)CFD軟件模擬高大空間建筑的準(zhǔn)確性。2.設(shè)計條件下做的模擬計算結(jié)果與設(shè)計要求的吻合說明國展B展廳無回風(fēng)管道的上送上回夏季空調(diào)系統(tǒng)能滿足工作區(qū)舒適性要求，氣流組織設(shè)計合理。3.利用Fluent公司推出的專業(yè)軟件Airpak2.1模擬預(yù)測展覽館類高大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計、模擬氣流組織、評價熱舒適等，分析研究證明此模擬分析方法是有效的，驗證和指導(dǎo)設(shè)計是切實可行的。參考文獻(xiàn)1范存養(yǎng).大空間建筑空調(diào)設(shè)計及工程實錄.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.2陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊.北京：中國建筑出版社，1993.3范存養(yǎng).國外大空間建筑的空調(diào)設(shè)計.暖通空調(diào)，1996，26（4）：39～494范存養(yǎng).國外大空間建筑的空調(diào)設(shè)計（續(xù)）.暖通空調(diào)，1996，26（5）：41～485ISO7730:1994.Moderatethermalenvironme