第三类边界条件数值模拟室内热环境及其实验验证.docx
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第三类边界条件数值模拟室内热环境及其实验验证
第三类边界条件数值模拟室内热环境及其实验验证
第三类边界条件数值模拟室内热环境及其实验验证
贾玉凤邹志军黄晨罗行李俊红
摘要：
本文应用数值模拟软件，利用第三类边界条件对某实验房的室内热环境进行数值模拟，并通过实验进行验证。
验证结果表明模拟值与实际测量值基本吻合。
在数值模拟验证的基础上，论文通过设置不同围护结构热工特性、室外空气温度、以及送风参数的模拟，得到了相应室内热环境随围护结构热工特性、室外温度、送风参数变化的特性与规律，进一步扩大了实验范围，充实了实验手段。
关键词：
数值模拟实验验证变参数模拟
0.引言
随着计算机的大容量化和高速度化以及计算流体力学的发展，在室内热环境方面，特别是大空间建筑室内热环境设计中已逐渐普及采用CFD来解决室内气流组织、热环境等问题的研究[1]，从而使室内热环境特性研究及其全面评价成为可能。
本文应用软件Airpak，利用第三类边界条件对某实验室室内热环境进行数值模拟，并通过实验予以验证，进而利用数值模拟对室内热环境特性进行分析。
1.环境实验室简介
如图1所示，环境实验室内尺寸为4.9m×3.5m×2.5m，墙体均采用保温材料。
气流组织采用顶送下回，送风口尺寸为16cm×69cm，距东墙中侧设有一30cm×30cm的回风口。
室内东西墙附近各有一个散热器，图1中Z向为北向。
2.数值模拟计算与结果
2.1物理模型及数学模拟概况
模拟用物理模型如图1所示，其墙体传热系数为0.383W/（K×m2），墙外侧温度28℃。
送风速度为2.35m/s，送风温度17.8℃，靠近东、西墙处的散热器散热量分别为840W、2410W，且室内日光灯关闭。
数值模拟用数学模型为K-ε紊流模型，利用第三类边界条件对房间进行热环境模拟。
对送、回风口及回风管处、散热器等采用了网格加密的处理，总网格数18655个。
2.2数值模拟结果
2.2.1温度场分布
如图2（a）、（b）所示，沿着风口自上而下，温度逐渐变化。
近风口处等温线密集，温度分布存在明显的扩散现象。
在图2（a）中，由于右侧存在一个散热器，导致了两边温度分布并不对称。
在图2（b）中，水平方向温度梯度明显变小，存在衰减现象，回风口处等温线相对稀疏，房间居住域温度变化相对缓慢。
图2（c）为南墙表面的温度分布，从图中可以看出，墙面自下而上温度逐渐升高，离风口较远处的温度相对较高，等温线较密集。
图中所标数字单位均为℃。
2.2.2速度场的分布
图3为室内速度场模拟结果。
模拟结果表明，射流断面速度从射流中心开始逐渐向边界衰减并沿射程有所变化，导致流量沿程增加，射流直径略有增大。
回风口的气流近似于流体力学中所述的汇流。
离开汇点距离越大，流速衰减越大，呈二次方衰减[2]。
从图中可以看出，风口下方速度较大，自上而下存在衰减现象。
其余区域速度较小。
图3（a）中，气流在左右两侧各形成一个较小的涡流。
图3（b）中，除送风口与回风口处速度较大，整个房间的速度较小，且分布比较均匀。
3.实验验证
3.1实验布点与测量方法
实验中共布置九个速度测点，在宽度方向上取中间截面布置七个点，两个散热器附近各布置一个测点。
空气速度采用万向风速仪，其输出信号通过Fluke采集器进行集中采集。
布点位置如图4（a）所示。
采用垂直方向上均匀布点的原则，实验中布置二十个温度测点，采用带防辐射屏蔽罩的T型热电偶进行测试，数据采集通过Anjelun采集器集中采集，每分钟采集一次，布点位置如图4（b）所示。
3.2实验结果与模拟值的对比分析
表1、表2分别为图4（a）、图4（b）各测点实验值。
定义系列测定误差为：
其中xs——实测值；
xm——模拟值；
n——测点总数。
计算σ时剔除最大偏差值。
经计算，速度系列误差σv=0.15m/s，温度系列误差σt=1.66℃。
速度误差相对较大，这是由于在速度均匀区域测点较少，某些点实测值与模拟值相差较大造成的。
温度误差相对较小。
对比表中的各个数值，说明模拟热环境与实际热环境基本一致，数值模拟结果可靠。
表1速度模拟值与实测值比较
测点序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
实测值（m/s）
2.13
1.73
1.69
0.11
0.17
0.09
0.7
0.18
1.16
模拟值（m/s）
2.04
1.71
1.35
0.14
0.11
0.16
0.52
0.12
0.08
表2温度的模拟值与实测值
测点序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
实测值（℃）
25.2
25.99
25.26
18.49
20.2
20.82
20.57
24.38
23.94
23.75
模拟值（℃）
22.96
22.76
22.46
18.69
19.55
20.11
20.16
23.86
23.48
23.2
测点序号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
实测值（℃）
23.75
22.89
24.32
25
31.42
25.15
24.12
23.03
22.96
23.35
模拟值（℃）
22.82
22.14
24.69
23.55
22.67
22.45
22.37
23.74
23.2
26.91
4.室内环境特性模拟
对围护结构传热系数、室外空气温度、以及送风温度、速度等参数进行了变参数模拟。
选取在房间中间位置点10和靠近出风口处点5作为观察对象。
（参看图4（b））
4.1变送风参数模拟结果
分别设置送风温度14、16、17.8、20、22℃，由图5（a）可知，随着送风温度的增加，点10，5的温度都在增加，室内温度也随之升高，点5温度增加的趋势要高于点10。
分别设置送风速度1.8、2.1、2.35、2.7、3.0m/s，由图5（b）可知，随着送风速度的增加，点5的速度增加趋势略为明显，这是与点5位于风口附近，受送风速度影响较大有关。
点10的风速变化并不明显，速度较均匀。
4.2变热工参数的模拟结果
分别设置墙体的传热系数为0.383、2.5、4.5、6.5、8.5W/（K×m2），其他参数不变，由图6可知，随着传热系数的增加，室内温度略有升高。
这是因为随着传热系数的增加，材料的保温性能降低，比较容易受到室外参数的影响，点5影响较小。
5.3变室外温度的模拟结果
分别设置送风温度20、24、28、32和36℃，由图7可知，随着室外温度的升高，点10，5的温度略有增加，室内热环境受室外温度影响较小。
6.结论
采用Airpak软件对某实验室热环境数值模拟，经实验验证结果表明基本吻合，模拟结果可靠。
利用经验证后的数值模拟体系进行一些列变参数模拟结果表明，随传热系数增加，室温提高，当传热系数增加到2.5W/（K×m2）以上后，室温影响减弱，这是由于室内热源较大，墙体热工参数影响相对减弱所致。
此外室内温度受送风参数影响较大。
通过论文研究表明，借助一定的实验，利用数值模拟研究室内热环境是一种比较有效、可靠的研究方法，其研究成果可为空调设计提供参考和指导。
参考书目：
[1]黄晨等.大空间建筑室内垂直温度分布的研究.暖通空调.1999,No.5.
[2]赵荣义等.空气调节.北京:
中国建筑工业出版社,2002.151-156.
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