1、 畢業設計說明書 作 者： 學 號：學 院：系(專業)： 熱能與動力工程 題 目：空調房間氣流組織數值模擬和優化指導者： 講師 (姓 名) (專業技術職務)評閱者：(姓 名) (專業技術職務) 2012 年 6 月 2 日畢業設計（論文）中文摘要 題 目 空調房間氣流組織數值模擬和優化摘要：氣流組織對空調室的空氣環境、空氣品質有著重要的影響，直接關系著室的溫度、區域流速與空調能耗，是空氣調節的一個重要環節。有效地通風和合理的氣流組織對于改善室空氣品質，保證實現健康建筑、健康舒適性空調有著重要的意義。影響空調房間氣流組織的主要因素是入口風速、進風口的位置、進回風口的相對位置等，本文首先使用Gam

2、bit軟件建立物理模型和網格劃分，并用Fluent軟件進行數值模擬，以直觀的方式表示各不同氣流組織方案下的氣流的溫度場和速度場，分析得出對于辦公室等類似的空調房間，側送側回、上送下回、上送上回、下送上回等四種氣流組織都比較適合的。但是側送側回和上送上回的氣流組織形式更優。關鍵詞：氣流組織 數值模擬 紊流模型 溫度場 速度場24 / 29畢業設計（論文）外文摘要Title Numerical simulation of air-conditioned room air distribution and optimizationAbstractAirflow-organizing in air-c

3、onditioned indoor air environment, air quality has an important effect is directly related to the indoor temperature, area, flow rate and air-conditioning energy consumption is an important part of the air-conditioned. Effective ventilation and airflow organization has an important significance for

4、improving indoor air quality, to ensure the realization of healthy buildings, healthy comfort air conditioning.The main factors to affect the flow in room inlet velocity, the location of the air inlet into the return air relative position Firstly, the establishment of a physical model and mesh using

5、 Gambit software, and numerical simulations using Fluent software, said in an intuitive way the temperature field and velocity field of airflow under different air distribution program, analyzing the draw for office and other similar air-conditioned room, Side of the send side back, on sending the n

6、ext time, on to send back, next to send back to the four air distribution are more appropriate. But the better Side of the send side back and on to send back on the air current forms of organization.Keywords：Airflow-organizing;Numerical simulation; Turbulence model;Temperature field;Velocity field.目

7、 次1 引言11.1 研究的背景與意義11.2 國外的研究成果11.3 本文的主要容和工作 22 空調房間的氣流組織形式 32.1氣流組織的介紹3 2.2常用的氣流組織形式32.2.1側送側回42.2.2上送下回42.2.3 上送上回42.2.4 下送上回53 氣流組織和室舒適性的評價指標53.1 技術指標53.2 經濟性指標73.3 適性空調室空氣計算參數84 空調房間的數值模擬過程84.1 物理模型的建立84.2網格的劃分114.3數學模型114.4在Fluent里的參數 134.5解算結果與后處理145 數值模擬結果分析155.1 側送側回的結果與分析155.2 異側下送上回的結果與分析

8、175.3 上送上回的結果與分析195.4 上送下回的結果與分析20 結論 22 參考文獻23致251 引言11 研究的背景與意義 隨著經濟的發展和科技的進步，人們的物質生活水平不斷提高，空調的使用越來越普與，人們對居住和工作環境的要求也越來越高，因此對通風空調技術也提出了更高的要求。在空調房間，氣流組織是通風和空調系統的重要組成部分，氣流組織直接影響室空調效果，是關系著房間工作區的溫度、濕度基數、精度與區域溫差、工作區的氣流速度與清潔程度和人們舒適感的重要因素，是一切空調工程設計中必須考慮和重視的問題。有效地通風和合理的氣流組織對于改善室空氣品質，實現工作環境健康舒適性有著重要的意義。因此人

9、們希望在建筑規劃設計階段就能詳細了解由空調通風所形成的室空氣速度場、溫度場、濕度場以與有害物濃度場等的分布情況，從而制定出最佳的氣流組織方案1。空調房間的空氣分布與送/回風口的尺寸、形式、數量與位置，送風參數（送風溫度，風速），房間的大小與污染源的位置和性質等有關。這些參數直接影響空調室調節效果，影響室的溫度，風速和室人員的舒適度，是空氣調節的一個重要環節，也是空調設計過程中要重點考慮的一個環節。由于影響空氣分布的因素較多，加上實際工程中的具體條件的多樣性，因此難于用簡單的理論或經驗表達式來綜合上述諸多因素的影響。目前，在空間氣流分布計算方面，較多采用依賴于實驗的經驗式，由于實驗條件的不同，在

10、各種實驗結果間存在一定的差異，但在總體規律性方面卻基本雷同2。1.2 國外的研究成果鑒于空調房間的氣流組織形式對能源的損耗、室空氣的品質和人體健康舒適性有著至關重要的作用。國外從20世紀20年代就對此領域展開了研究，如對等溫、非等溫射流運動規律的研究，送風方式與舒適度關系的研究，各類建筑物不同送/回風方式的研究，室空氣品質的研究等。在國，大學的馬九賢教授于80年代組織建造了國第一個專門用來對空調房間氣流情況進行研究的實驗室，并取得了一定的研究成果，為進一步進行房間氣流的研究奠定了基礎3。文獻45得出下送風氣流組織的送風口形式、送風進口與人體距離、送風速度和送風溫度對人體熱舒適的影響。文獻6利用

11、C02作為示蹤氣體，研究了空氣齡與質點換氣效率、房間換氣次數之間的關系。 Nielsen等人對空調房間模型二維流動進行了模擬實驗7。Zhang G、Morsing和Bjerg等人在Nielsen研究的基礎上改變模型房間長寬高等比例進行了模型實驗8。J.D. Posner等人采用RNG k-模型模擬預測模型室的測量9。隨著計算機技術的發展，CFD技術開始用于空調房間的氣流分析。1974年，丹麥的Nielsen首次將CFD技術應用于空調工程，數值模擬空調房間室空氣流動情況，利用流函數和渦旋公式求解封閉二維流動方程。Chen Qingyan則在1988年利用CFD技術對建筑物能耗、室空氣流動情況以與

12、室空氣品質等問題進行了分析和研究。在2000年Topp、Nielsen和Davidson在全方位通風的房間，利用CFD方法模擬了在等溫壁條件下的空氣流動情況10。 國也有眾多的研究者利用CFD技術對空調房間氣流組織進行優化和研究。1988年，建忠分析了數值模擬方法在通風空調領域的應用情況，還對常見的工業敞口槽通風問題作了數值計算分析，把問題簡化為二維穩定不可壓縮的粘性流動11。文獻12利用實驗和數值模擬方法研究了空洞建筑上送風情況下空調室的流場分步情況，指出送風溫度和風速是對溫度分層高度有重要影響。上述文獻雖對空調房間氣流組織進行了大量的研究，但只是對工程上某種具體的氣流形式的研究沒有對不同氣

13、流組織形式進行系統、詳細地比較。關于空調室氣流組織下的溫度詳細分布的文獻未見報道。1.3 本文的主要容和工作本文以計算流體力學和數值傳熱學為理論基礎，對空調房間的氣流組織形式和室空氣三維湍流流動的數值模擬方法進行分析，使用Gambit建立夏季空調房間常見的四種氣流組織模型，采用FLUENT軟件以直觀的方式顯示了四種氣流組織方案的氣流流型，分析討論其氣流分布規律、特點，并將數值計算結果進行處理，并將各種不同送氣流組織形式下的溫度場和速度場進行對比，總結各種氣流組織形式的優缺點。本文容安排1、簡述氣流組織研究的背景與意義，并簡單介紹國外氣流組織研究現狀。2、介紹空調房間氣流組織與常用的氣流組織形式

14、。3、介紹空調室舒適性的評價指標和氣流組織的評價指標。4、使用Gambit建立氣流組織模擬的物理模型，并對其進行適當簡化，對物理模型進行網格劃分，確定Fluent軟件中的參數設置，應用Fluent軟件，對常見的四種氣流組織形式進行模擬計算。5、對模擬結果進行分析，得出結論。2 空調房間的氣流組織形式2.1 氣流組織的介紹狹義的氣流組織指的是上（下、側、中）送上（下、側、中）回或置換送風、個性化送風等具體的送回風形式，即氣流組織形式；廣義的室氣流組織，是指一定的送風口形式和送風參數所帶來的室氣流分布。經過一定處理過后的空氣，經過空調系統進入空調房間，與室空氣進行熱濕交換后由回風口排出。顯然，空調

15、房間的速度場、溫度場的均勻性和穩定性與室空氣的流動情況密切相關。氣流組織設計的目的就是合理的組織室空氣的流動和分布，使室工作區空氣的溫度、濕度、風速和潔凈度能更好地滿足室人員的舒適感要求。只有合理的氣流組織才能充分發揮送風的冷卻和加熱作用，均勻地消除室的冷(熱)、濕負荷，并有效的排除有害物和懸浮在空氣中的灰塵,滿足室人員對新鮮空氣的需求。好的通風系統不僅要能夠給室體統一個健康、舒適的環境，而且要有很高的經濟性。因此，根據室環境等的特點和需要，采取最恰當的通風系統和氣流組織形式，實現優質高效運行，就顯得尤為重要。2.2 常用的氣流組織形式在實際工程中，常用的氣流組織形式有：側送側回、上送下回、上

16、送上回、下送上回等。2.2.1 側送側回圖2-1 側送側回氣流分布側送側回的送風口布置在房間的側墻上部，氣流橫向送出，氣流吹到對面墻上后下落到工作區，以較低速度流過工作區，再通過布置在同側墻下方的回風口排出。側送側回形式中，工作區處于回流區，由于氣流在到達工作區之前，已經和房間空氣進行了比較充分的混合，使房間速度場和溫度場都趨于均勻和穩定，因此能保證工作區具有穩定和均勻的氣流速度和溫度。2.2.2 上送下回圖2-2 上送下回氣流分布這種氣流組織形式是將送風口布置在房間上部，回風口布置在下部。該氣流組織的優點是送風氣流不直接進入工作區，有較長的與室空氣混摻的距離，能夠形成比較均勻的速度場和溫度場

17、。2.2.3 上送上回圖2-3 上送上回氣流分布這種氣流組織形式是將送風口和回風口布置都在房間上部，氣流能充分的流過工作區，對于那些因各種原因不能在房間下部布置回風口的場合是相當合適的。2.2.4 下送上回圖2-4下送上回氣流分布這種形式的送風口布置在下部，回風口布置在上部，排風溫度高于工作區的溫度，故具有一定的節能效果，同時有利于改善工作區的空氣質量。對于室余熱量大，特別是熱源又靠近頂棚的場合，如計算機房，廣播電臺的演播大廳等，采用這種氣流組織形式是非常合適的，對于同側下送上回的氣流組織形式，氣流能吹過房間的每個角落，空調效果非常好。但是，下送方式要求降低送風溫差，控制工作區的風速。3 氣流

18、組織和室舒適性的評價指標對以人為主要服務對象的舒適性空調來說，其評價指標主要有技術指標和經濟指標兩個方面。對大多數空調房問來說，相對濕度在一定圍(3070)對人體的舒適性影響不明顯，因此可以忽略空調房間濕度的影響，其主要考慮空氣溫度和氣流速度綜合作用。下面簡要介紹一下常用的評價指標,包括不均勻系數、換氣效率、熱舒適性指標和經濟性指標與舒適性空調室空氣計算參數101314。3.1 技術指標（1） 不均勻系數 不均勻系數即空調房間室的溫度和風速等參數的不均勻性，該方法是在室工作區選取n個測點，分別測得各點的風速和溫度，求其算術平均值和均方根偏差，再求不均勻系數和和和和式中：n測點數工作區測點的速度

19、n個測點的速度算數平均值n個測點的溫度算數平均值n個測點的速度均方根偏差n個測點的溫度均方根偏差有由上面的定義式可見，越小，表示氣流分布的均勻性越好。（2） 換氣效率 換氣效率是衡量換氣效果優劣的一個指標，是氣流自身的特性參數，與污染物無關。考察點換氣效果的優劣取決于該點的局部平均空氣年齡(空氣年齡指空氣質點從進入房間起至達到某點所需經歷的時問)。因此，換氣效率可定義為理論上最短的換氣時間與實際換氣時間之比。換氣效率定義式：式中：室空氣理論上的最短換氣時間實際換氣時間室平均空氣齡根據換氣效率的定義式可知，對于理想的活塞流，=/2，為100%；全面孔板送風，100%；對于混合流，=，為50%。當

20、換氣效率在50%以上時，認為該氣流組織有較好的換氣效率。換氣效率低于50%的送風系統在一定程度上意味著短路送風。由于/2，所以換氣效率的值都在0100%之間。即除單向流送風外，任何送風方式的換氣效率都小于1（3） 熱舒適性指標 常見的熱舒適指標有；有效溫度ET、吹風感、和PMVPPD指標。 (1)有效溫度ET(Effective Temperature)的定義是“將干球溫度、濕度、空氣流速對人體冷熱感的影響的綜合數值，該數值等效于產生一樣感覺的靜止飽和空氣的溫度”。但有效溫度存在的缺陷是過高的估計了濕度在低溫下對涼爽和舒適狀態的影響。應用最廣并成為ASHRAE標準5574中舒適指標的是新有效溫

21、度ET。ET指標被定義為一個相對濕度為50的等濕環境中的當量干球溫度。該指標只適用于著裝輕薄，活動量小，風速低的環境下。 (2)吹風感有效吹風感或稱有效吹風溫度的定義：建議的舒適標準是： v0.35式中：室空氣溫度，吹風的溫度， V吹風的速度，m/s（3）PMVPPD指標 PMVPPD指標，是目前世界上廣泛采用的室環境舒適性評價指標，ISO 7730對PMVPPD指標的推薦值為：PPD時 ，1.0，氣流吸收部分余熱達到室溫度、且能控制工作區的溫度，且排風溫度高于室溫度，經濟性良好。 當時 ，1.0，送風吸收部分余熱達到室溫度且能控制工作區的溫度，而排風溫度可以高于室溫度，經濟性好。5.2 異測

22、下送上回的結果與分析圖5-4 異測下送上回Y=2000mm時的速度矢量圖圖5-5 異測下送上回Y=2000mm時的速度分布圖（m/s）圖5-6 異測下送上回Y=2000mm時的溫度分布圖圖5.4 是異測下送上回X-Z截面上Y=2000時的速度示意圖。從圖上可以看出，在入射風口前方呈受限射流的形狀，氣流受到了辦公桌的阻擋，氣流受阻后向房頂方向射流，射流區流程不斷擴大，射流的速度的衰減程度就減慢。人體工作區處在回流區，速度分布圍：0.029m/s0.33m/s,略大于設計規定。但是在圖左邊的辦公桌的人員腳部可能會感到風速較大。人體工作區域的溫度圍：295.60K300.28K。符合設計規定，說明該

23、氣流組織對于此房間的溫度調節效果很好。從圖中不難看出，在兩個辦公桌之間的等溫線比較密集，這是因為，人體和電腦都是熱源，向外散發熱量。異側下送上回的1.0，經濟性好。5.3 上送上回的結果與分析圖5-7 上送上回Y=2000mm時的速度矢量圖圖5-8上送上回Y=2000mm時的速度分布圖圖5-9上送上回Y=2000mm時的溫度分布圖 由圖5-8所示，空調房間的氣流在入射風口附近的地方呈手半受限射流的形狀，在房間頂層附件形成貼附射流，射流中心的速度不斷衰減，在射流的尾部時速度為0.56m/s，氣流在人體工作區形成小漩渦，人體處在回流區，吹過人體的風速為0.03m/s0.30m/s,滿足設定的風速要

24、求（0.3m/s）。人體工作區的溫度圍：298.29K301K。也滿足設計要求。經濟型評價：工作區的溫度高于排風溫度，1.0，投入的能量沒有得到完全的利用，經濟性較差。5.4 上送下回的結果與分析圖5-10上送下回Y=2000mm時的速度矢量圖圖5-11 上送下回Y=2000mm時的速度分布圖圖5-12上送下回Y=2000mm時的溫度分布圖 圖5-11所示，上送下回速度的分布圖與上送上回的速度分布圖相似，都是氣流在入射風口附近的地方呈貼附射流的形狀，在房間頂層附件形成貼附射流，射流中心的速度不斷衰減，在半受限射流的尾部時速度為0.38m/s，人體同樣處在回流區，工作區速度圍：0.05m/s0.

25、36m/s，比規定圍微大。溫度圍：298.29K301.36K。在設計規定圍。經濟型評價：由于工作區的溫度高于排風溫度，1.0，投入的能量沒有得到完全的利用，經濟性較差。結 論本文運用Fluent對夏季空調房間常見的四種氣流組織方式進行了模擬與分析，通過數值模擬的方法，可以直觀的圖中看出房間每個點的溫度和風速，進而可以對整個空調房間溫度分布和速度分布進行全面的分析和評價。這表明了計算流體力學(CFD)軟件FLUENT在暖通空調領域中的通風方案優化和預測方面的應用是可行的。空調房間的空氣的流場取決于送、回風口位置和送風射流。送/回風口設置在房間的位置不同，空氣的流場就不一樣。在Fluent運行過

26、程中，調整松弛因子能使計算殘差圖收斂得更好。側送側回是送風口以貼附射流形式進行送風，射流有足夠的射程能夠送到對面墻上，工作區處在回流區，氣流在整個房間截面形成一個大的回旋氣流，房間的有害氣體可以隨著氣流的擠壓流動由回風口排出。由于送風射流在到達工作區之前，已與房間空氣進行了比較充分的混合，速度場和溫度場都趨與均勻和穩定。異側下送上回方式本是一個倒置的貼附射流，但由于本文的模型設計，使得它成為了一個半受限射流，氣流由送風口進人房間后，由于桌子的阻擋，氣流向上運動。但是經過模擬分析，發現這種氣流組織形式能夠有效的清除余熱，使得工作區的溫度和速度都能滿足設計要求。上送上回方式就是典型的貼附射流形式，

27、氣流進人房間后，開始擴散，由于重力的影響，有部分氣流向下擴散進人工作區。由于氣流不是直接吹過工作區，工作區風速較低，室人員無吹風感，而且工作區的溫度和速度較為穩定。對于那些由于各種原因不能在房間下部布置風口的場合是相當適合的。 上送下回也是貼附射流形式，送風氣流不直接進入工作區, 有較長與室空氣混摻的距離, 能夠形成均勻的溫度場和速度場。綜合以上的模擬和分析，我認為對于辦公室等類似的空調房間，以上的四種氣流組織都比較適合的。但是側送側回和上送上回的氣流組織形式更優。參 考 文 獻1潤柏通風工程空氣流動理論：，19812周力行湍流兩相流動與燃燒的數值模擬：清華大學，19913巨永平，馬九賢氣流運動與其與熱舒適關系研究的進展與評述.暖通空調，1999(4):27304王海英，連之偉