1、高大空间气流组织优化研究目 录摘 要 .2Abstract .3第一章 绪论 .41.1 论文研究的背景和意义 .41.2 大空间建筑分层空调技术 .51.2.1 大空间建筑分层空调技术介绍 .51.2.2 大空间建筑分层空调的目的和意义 .51.3 国内外分层空调技术的研究现状 .61.3.1 国外分层空调研究现状 .61.3.2 国内分层空调研究现状 .71.3.3 数值模拟研究现状 .81.4 课题研究内容和目标 .8第二章 CFD 软件和正交试验的介绍 .92.1 什么是 CFD .92.1.1 CFD 的求解步骤 33 .102.1.3 CFD 技术的意义 .102.2PHOENIC
2、S 模拟软件简介 .102.3 正交试验法简介 .122.2.1 什么是正交试验法 34 .122.2.2 正交试验法的试验方法 .132.2.3 正交实验的分析方法 35 .142.3 本章小结 .15第三章 厂房空调系统和模型建立 .153.1 厂房基本概况 .153.2 厂房的空调系统 .153.2.1 空调设计基础资料 .153.2.2 风速和温度的要求 .163.2.3 室内负荷 .163.3 厂房物理模型的建立 .16高大空间气流组织优化研究3.3.1 基本模型 .163.3.2 模型简化 .173.3.3 风口模型 .183.3.4 网络的划分 .183.4 本章小结 .19第四
3、章 模拟结果及分析 .194.1 夏季工况的计算 .194.1.1 夏季正交表的建立 .194.1.2 夏季边界条件的设置 .204.2 夏季分层空调气流组织模拟结果分析 .214.2.1 分层空调气流组织特性分析 .214.3 夏季工况计算结果 .254.4 冬季工况的计算结果 .274.4.1 冬季边界条件的确定 .274.4.2 分层供暖气流组织模拟结果分析 .274.4.3 冬季工况计算的计算总结果 .294.5 本章小结 .30第五章 室内热环境和参数影响因素分析 .305.1 送风速度 .305.1.1 夏季送风速度的影响 .305.1.2 冬季送风速度的影响 .325.2 送风角
4、度 .345.3 送风温度 .375.4 本章小结 .38结 论 .39致 谢 .40参考文献 .40高大空间气流组织优化研究2高大空间气流组织优化研究摘 要在进行大空间分层空调设计时，确定合理地对流热转移量和预测不同设计方案的空调效果一直是设计人员的难题。本文通过采用 CFD 数值模拟与经验公式相结合的方法研究高大空间分层空调的对流热转移量，并对设计参数进行了敏感性分析。研究以北京地区某大型机械加工厂房分层空调为对象，根据建筑的实际几何尺寸以及空调设计参数，建立厂房分层空调设计方案下的计算模型，采用PHONEIC 软件对分层空调设计方案进行了三维数值模拟研究。本文针对夏季分层空调设计方案，详
5、细分析了分层空调气流分布特性和送风机理，并对不同分层空调方案下的温度场、速度场合不同影响因素进行了分析。本文突出冬季工况下通过控制送风射流下边界高度和射流搭接高度来选择适合的送风角度，讨论送风角度、送风速度、送风温度对实现分层供暖、抑制对流热转移的影响。研究结果表明：本文模拟计算的结果基本符合文献4的曲线，可以用来计算分层空调对流热转移负荷，也证明利用 CFD 软件方法来研究大空间分层空调对流热转移的可行性；通过适合的分层供暖气流组织，可以使热射流充分作用于供暖去，抑制大空间上下部分之间的热对流，真正起到分层供暖的目的。关键词： 分层空调；数值模拟；正交试验；气流组织；CFD高大空间气流组织优
6、化研究3Airflow Optimization of Large Spac ResearchAbstractDuring the design of stratified air conditioning in a large space, how to determine the load of convecting heat transfer and air condition result of different design has been the difficulties to the designers .The load of convecting heat transfe
7、r is researched by adopting the meathod of combination of CFD numerical simulation and empirical formula, an carries on sensitivity analysis to the design parameters in this thesisWe choose a large machine workshop in Beijing area of the object. This dissertation builds computational models under th
8、e stratified air conditioning design schemes according to the real geometry size of the building and the calculative parameter of the air conditioning. And the PHONEIC software is used to realize the three-dimensional simulation of the temperature field and velocity field under the different air dis
9、tributions.Based on the stratified air conditioning of the summer design ,detailed analysis of distribution of air flow and wind mechanism under the stratified air conditioning is given. The temperature field ,speed field ,the load of convecting heat transfer and the influencing factors are analysis
10、ed under the model of different projects. Choosing the reasonable air supply angle is proposed in this paper through controlling the altitude of the low border of supply jet and the joining of jet flow. Discuss the effects of the air supply angle, air supply rate , air supply temperature difference
11、to achieve stratified air conditioning ,inhibit convective heat transfer. The research results show that the simulation results in this paper are broadly in line with the return of the experimental curves in literature 4, that can be used to calculate the load of convecting heat transfer of stratifi
12、ed air conditioning ,it also shows the feasibility of 高大空间气流组织优化研究4convencting heat transfer of stratified air conditioning in large spaces full role in the heating area , inhibit thermal convection between the upper and lower in large space , serve the purpose of stratified heating. Keywords: strat
13、ified air conditioning; numerical simulation ; air distribution; Orthogonal experimental ; CFD 高大空间气流组织优化研究5第一章 绪论1.1 论文研究的背景和意义由于地球气候的改变和人们对自身追求的提高，人们越来越关注自身居住和生活环境。所以大空间建筑的数量正在急剧增加。大空间建筑普遍具有以下的特点：高度较高，体积较大，内热源庞大，空调负荷大，能源消耗大等 1,2，这些特点使得在用一般空调下的大空间建筑循环风量大，冷量大、耗电量大，造成了相当大的能源股浪费。由于大空间建筑高度较高，热分层现象比较明显，
14、每年由于没有充分考虑热分层作用，而使得空调负荷过高估计值高达 45.5% 3。因此，良好的室内热环境和能耗的节约与建筑内部保持合理的气流组织有着重要的联系。对于高大空间室内空调方式，从保证人体舒适度和节省空调能耗两个方面考虑，大空间建筑室内空调一般采用“分层空调”较好，“分层空调”的气流将大空间室内空气隔断成上下两个部分，它仅对下部工作区域进行空调，而对上部空间不进行空调或只进行通风排热的空调方式，从而降低空调的冷负荷、减小设备大小，节省设备投资和运行费用，与其他空调方式相比，其对能源的节约效率可以达到 15%-40% 3。但是，由于分层空调气流方式的独特性和大空间建筑本身受到很多方面的因素的
15、干扰，其最大难点在于难以准确有效地预测空间内气流的流动情况，无法在设计阶段估计出室内空气温度与速度分布。目前，主要通过以下四种方法来研究分层空调室内空气的分布情况：经验公式法、模型试验法、简易能量平衡模型法和微分方程数值求解法。经验公式法仅能得出总参数信息，不能给出详细资料，因此无法用于分析多组合气流；模型试验法成本高、耗时多、任务量大，而且对模型的选择要求高，若是选择的模型和适当会造成实验的错误；简易能量平衡模型法是假设每个控制参数都一致，通过建立能力方程而得出空调的各个参数，但是这只是一个相对准确的总结果；微分方程数值求解法师根据计算流体力学和计算传热学的基础理论，建立合理的数学模型和物理
16、模型，然后借助于商业软件（FLUENT、Airpak 等）高大空间气流组织优化研究6进行三维数值模拟。其优势在于：可以应用范围较广，具有模拟真实条件的能力，耗时少、成本低、速度快，可以得到较为详细的空气分布 6。1.2 大空间建筑分层空调技术1.2.1 大空间建筑分层空调技术介绍在大空间建筑空调设计中广泛采用的空调技术是分层空调，即在大空间中，利用合理的气流组织仅对大空间建筑室内的工作区域进行通风空调，而对于非工作区域不进行空调，非空调区和空调区域以大空间腰部喷口送风形成的射流层作为分界线。大空间建筑分层空调使用的气流组织形式主要有四种：带空气幕的双侧对喷下部排风；双侧对喷上、下不排风；双侧对
17、喷上、下部排风中部一次回风；双侧对喷上、下部排风中部送新风。这种技术应用的基本原则是：供冷时，冷风只送到工作区域，此外利用室外空气或回风以分隔形成上部非空调空间，或用于满足消防排烟只需；供暖时，送风温差小，且应送到工作区。采取这些措施后，空调负荷可以减少 30%-40% 5。1.2.2 大空间建筑分层空调的目的和意义分层空调的设计中，气流组织非常重要，他直接与空调效果有关。只要将空调区域的气流组织设计分部的适合，就能在满足工作区域空调要求的同时，最大限度节约空调负荷，减小空调设备容量并节省设计运转费用。大空间建筑分层空调主要是通过多股平行非等文射流形成的气流，可以将大空间分成两个部分。对于圆形
18、射流，如图 1-1，射流在一段时间后，各单股射流受到以其邻近的射流相互作用，在 A 点后发生干扰，并相互重叠，汇聚成一片气流。多股射流间的重合现象，是引起空调区域气流组织的变化的原因。由于在干扰点以后，空气卷吸作用受到限制，因此汇合后射流的轴心落差，温度衰减、速度衰减都比之前的单股射流缓慢。高大空间气流组织优化研究7图 1-1 射流干涉图分层空调与其他全室空调的基本区别在于它的气流的独特性。分层空调的气流组织实际上是单侧喷口或双层对喷的方法来限制室内的射流，同时伴随非空调区域的通风气流组成三维流动，这种气流组织形式复杂，流动空间大，同时受到内外干扰、送风参数、送风方式等因素的影响，对了达到大空
19、间建筑在具有良好的热环境的同时还要节约能源，所以要对大空间室内气流组织影响因素的研究室非要重要的。1.3 国内外分层空调技术的研究现状1.3.1 国外分层空调研究现状20 世纪 60 年代初分层空调技术起源于美国。1964 年，分层空调技术应用与美国纽约万国博览会的通用电器公司展览馆；1968 年，分层空调技术应用与前苏联的格林维尔燃气轮机厂和维尔明顿反应堆燃料加工厂。20 世纪 70 年代日本开始应用研究分层空调技术，同时美国开始从理论上研究分层空调的冷负荷计算法。1974，小林满等对神户大型精密机械加工装配车间分层空调进行可现场测试，并将模型试验和现场测试结果进行对比，取得了良好的效果，并
20、得出该工程应用分层空调技术使得冷负荷节约 38%9。1979年，美国堪萨斯大学的 L.Gorton 和 D.Ball 等分别研究了分层空调的气流组织和高大空间气流组织优化研究8冷负荷情况，他们用简易的数学模型进行了分析，但他们所得的研究结果与实际情况有一定的差距，难以应用到实际情况中 8。20 世纪 80 年代以后，分层空调技术在日本高大民用建筑中开始广泛的应用。如：1982 年，滨松旅馆的开启式中庭应用了分层空调；1988 年竣工的扎幌后乐园宾馆、1989 年竣工的日本会议中心之幕张国际展示场采用的都是分层空调系统。以及 2004 年雅典奥运会体育馆用的是分层空调系统 35。日前，国外对分层
21、空调技术的研究，主要采用两种方法。一种是根据相似理论进行的模型试验。它可以验证设计需要达到需求，同时应用气流观察试验作为直观的识别手段。另一种是采用气流数值模拟，利用计算机的大容量化和高端化以及计算流体力学的发展，使用紊流模型 k- 型基本方程和差分法进行三维紊流数值分析，对复杂的大空间的气流分布可获得其风俗分布和速度矢量分布。此外，通过对室内空气和热流动的综合解析，还可以对大空间内的温度场以及空间 PMV 值分布进行模拟，如东京国际 Forum 的中庭设计就采用了该方法 3。1.3.2 国内分层空调研究现状20 世纪 70 年代以后，我国开始应用分层空调技术。1976 年，南京汽轮电机厂二主
22、车间是我国首次采用分层空调系统。1977 年，天津第一机床厂和西安变压器厂再次采用了分层空调系统。1978 年，葛洲坝水电站主机房也采用了分层空调系统 29。20 世纪 80 年代分层空调技术的应用得到了发展，分层空调系统的优越性也得到了初步验证。1983 年，二江水电站主厂房发电机房采用了分层空调系统，经过现场测试验证，空调效果良好，节约冷量较全室空调高达 32%。1988 年，北京二七机车厂的柴油机组厂房采用了分层空调系统，经运行和测试表明，分层空调技术在节约能源和减少初投资方面具有一定的意义 2930。20 世纪 90 年代分层空调技术开始应用在高大民用建筑中。1991 年竣工的葛洲坝大
23、江电站主厂房发电机房，1995 年坤宫的珠海机场的候机楼，1998 年竣工的深圳国际机场的候机大厅，1999 年竣工的首都集成的候机大厅，2008 年竣高大空间气流组织优化研究9工的南京会展中心展厅，2009 年竣工的新武汉火车站候车大厅，都采用了分层空调技术 29,31,32。1.3.3 数值模拟研究现状CFD 数值模拟中采用的数学模型主要是零方程模型，k- 双方程模型、DSM 模型、ASM 模型、 LES 模型等。k- 模型也称高 Re 数 k- 模型，适用于离地面一定距离的湍流区域。对于大空间低 Re 数非等温气流计算，由于浮升力作用，在垂直方向产生较大的温度梯度，这种温度分层现象是紊流
24、有所减弱，因此会产生较大的误差 22。20 实际 70 年代中期，Launder 和 Spalding 等提出了将雷诺应力做时均处理是的 k- 湍流模型，这一研究的湍流数值模拟与求解领域中取得了巨大的成就。近几年 DMS 模型和 ASM 模型得到很大的发展，他们直接从雷诺应力输送方程中得到雷诺应力，湍流模型各向异性，这一研究能充分反映湍流结构特性。ASM 模型简单、计算量好，同时保留了雷诺运输模型的基本特征，被逐渐应用到室内热环境中 8。1.4 课题研究内容和目标由于大空间建筑的种类和功能的不同，空调系统所要达到的室内热环境参数也就不同。因此，研究各种影响因素对高大空间分层空调的温度分布、速度分布以及热舒适性的影响对大空间分层空调的设计、对已有建筑进行合理改造以及直到分层空调系统的有效运行都具有重要的意义。本论文研究的是模拟北京某大空间厂房的空调房间在夏季和冬季运行工况下室内热环境和冷负荷大小，接下来通过改变送风的角度、送风温度和送风速度，保持其他的因素不变，通过正交试验方法进行多次模拟，得出一个较为适合的送风条件。具体内容包括以下方面：1 根据工厂的气象参数建立合理的工厂分层空调系统的物理模型；2 针对夏季分层空调方式设计大空间建筑内的边界条件，改变送风的条件，进行多次模拟试验。通过分析实验的结果，来得到一个最适以该工厂夏季的送风方式；
