利用CFD方法研究室內(nèi)濕度和結(jié)露分布

1、利用CFD方法研究室內(nèi)濕度和結(jié)露分布    摘要：本文首先建立了在氣流場，溫度場之外，能夠分析室內(nèi)濕度分布，結(jié)露分布，計算結(jié)露量動態(tài)形成過程的CFD計算模型，并給出了自由水面熱濕同時移動的計算新方法；通過與模型試驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了計算模型的精確性；最后通過具體算例，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)方式對室內(nèi)濕度分布和結(jié)露的形成影響很大，在室內(nèi)濕度較大的場合，可以通過通風(fēng)方式的優(yōu)化設(shè)計更有效地解決除濕和結(jié)露問題。     關(guān)鍵詞：CFD模擬 結(jié)露 濕度 通風(fēng)     1.前言  

2、  濕度環(huán)境問題不同于其他室內(nèi)污染問題，濕度過高或過低都將嚴(yán)重影響建筑物性能和居住者健康。濕度過低，人會產(chǎn)生干燥等不適感，引起墻體裂縫，木制板材變形，另外據(jù)北歐學(xué)者的研究，流感病菌在低濕度下生存率明顯增加；而濕度過高，一方面造成墻體表面及內(nèi)部結(jié)露，降低墻體斷熱和耐久性，影響建筑物壽命1，另一方面，當(dāng)濕度超過70%時，會帶來霉菌（Fungi）的大量繁殖，引起過敏性皮炎，哮喘等疾病，影響居住者的身體健康2-5。我國地域遼闊，不同地區(qū)室內(nèi)濕度環(huán)境呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。因此，深入地研究室內(nèi)濕度環(huán)境問題具有重要的意義。    隨著計算機(jī)功能的飛速發(fā)

3、展，CFD仿真技術(shù)在建筑環(huán)境領(lǐng)域，如室內(nèi)溫度場分布，換氣效率，人體周邊微環(huán)境等研究中日益得到應(yīng)用。但是到目前為止，國內(nèi)外利用CFD技術(shù)分析研究室內(nèi)濕度分布規(guī)律的還很少6，7，而以此研究室內(nèi)結(jié)露的形成和發(fā)展的還沒有。    2.考慮濕度和結(jié)露計算的CFD修正模型    本研究中采用標(biāo)準(zhǔn)k-紊流模型。但考慮到水蒸氣含量較大時空氣密度會出現(xiàn)變化，從而影響浮力的計算，依據(jù)近藤等提出的方法8，對模型進(jìn)行了修正，在浮力項(xiàng)中導(dǎo)入x。修正的濕結(jié)露CFD計算模型見表1。另外，本研究中還考慮了結(jié)露量的計算。由于結(jié)露的形成是一個動態(tài)的過

4、程，提出了兩個隨時間變化的指標(biāo)：至?xí)r間t，1）單位壁面積上的結(jié)露量CON(s,t)；2)壁面總結(jié)露量SUMCON(t)。計算方法及其與CFD模型的結(jié)合見圖1。    另外，建筑內(nèi)的濕源，如浴室和廚房等，由于自由水面面積較大，水溫一般高于周圍空氣溫度較多，水蒸氣分子在擴(kuò)散過程中還同時伴隨有熱的交換。如果不考慮這種熱濕的同時傳遞將會給室內(nèi)溫濕度分布和氣流計算結(jié)果帶來較大的誤差。由于這方面的研究較少9，我們通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)自由水面的熱濕傳遞量m和qm由以下公式確定，然后可以向上的熱濕流束的形式作為內(nèi)部邊界條件代入CFD計算中：   &

5、#160;圖1 濕結(jié)露CFD計算模型中的結(jié)露計算流程    模型的計算公式 表1     連續(xù)方程：     運(yùn)動方程：     輸送方程：         輸送方程：     熱輸送方程：     水蒸氣輸送方程：     式中：

6、60;       渦粘性系數(shù)等相關(guān)項(xiàng)：         （1）    （2）    式中 室內(nèi)換氣次數(shù)，h-1；    對應(yīng)于水溫的飽和蒸汽壓力，kpa；    周圍空氣的蒸汽分壓力，kpa；    水溫，；   &#

7、160;周圍空氣溫度，；    水蒸氣的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg；    空氣的定壓比熱，kJ/(kgK)。    新提出的參數(shù)，它代表由水蒸氣擴(kuò)散引起的實(shí)際散熱量與水蒸氣全熱交換時的最大散熱量的比值。事實(shí)上，由于一部分水蒸氣從水面蒸發(fā)的途中只進(jìn)行了顯熱交換，沒有發(fā)生相變，應(yīng)是一個0-1之間的數(shù)值。利用簡單的公式推導(dǎo)和試驗(yàn)擬合，它可以整理成下式。具體內(nèi)容可參考文獻(xiàn)10。    （3）    3.模型試

8、驗(yàn)    為驗(yàn)證所建濕結(jié)露CFD計算模型的正確性，在日本東京燃?xì)夤炯夹g(shù)研究所的人工氣象室建立了模型小室，進(jìn)行了模型試驗(yàn)，并比較了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。    模型的概要見圖2。模型小室由聚乙烯板制成，小室中通過地面上的加濕器和水的溫控來調(diào)節(jié)和模擬各種加濕工況，加濕量由電子天平測量加濕器的重量變化求得。小室外壁上部和下部分別設(shè)開口，安裝有小型軸流風(fēng)機(jī)的通風(fēng)短管可連接在開口上，可利用風(fēng)機(jī)位置的變化來模擬不同的通風(fēng)方式。小室內(nèi)的風(fēng)量由通風(fēng)短管內(nèi)安置的微風(fēng)速儀測定。除了小室外部的溫濕度外，在小室中心斷面上布置了14個溫濕度

9、測定元件（THP-B4，日本神榮公司）進(jìn)行溫濕度分布的測定。    試驗(yàn)與模擬工況見表2。其中工況1為驗(yàn)證室內(nèi)溫濕度分布的穩(wěn)態(tài)計算，工況2為驗(yàn)證結(jié)露形成與發(fā)展的動態(tài)計算。通風(fēng)方式均為下送上排的機(jī)械排風(fēng)方式。    試驗(yàn)工況 表2     工況編號    氣象室條件    加濕器水溫    （）    加濕量 

10、   （g/h）    通風(fēng)量    （m3/h）    進(jìn)風(fēng)溫度    溫度（）    濕度（%）    1    14.3    47.0    44.6    27

11、.5    17.0    14.3    2    19.4    45.0    68.1    101.3    7.9    25.2    圖2 模型試驗(yàn)的概要與測點(diǎn)布置 

12、0;  4. 試驗(yàn)與計算結(jié)果的比較    4.1 溫濕度分布的驗(yàn)證    圖3給出了工況1的試驗(yàn)與CFD計算比較，其中試驗(yàn)數(shù)據(jù)為所有測點(diǎn)的測量值均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的結(jié)果。模擬值中，qm=486W/m2為利用式2）和3）計算的實(shí)際水蒸氣擴(kuò)散散熱量，（此時Fm約為0.52）。為了對比，我們又假設(shè)了水蒸氣蒸發(fā)時都保持氣相，沒有發(fā)生相變化，擴(kuò)散散熱全部由顯熱交換構(gòu)成的情況（qm=184W/m2）以及水蒸氣蒸發(fā)時為全熱交換的情況（q=1026W/m2）。由圖可知，水蒸氣擴(kuò)散散熱量對室內(nèi)溫度分布影響很大，如采

13、用qm=1026W/m2頂棚附近的溫度比測定值高2度左右。某些研究11在計算浴室熱濕負(fù)荷時，主張以全熱交換來概算水蒸氣擴(kuò)散散熱量勢必造成很大的計算誤差。相比之下，因?yàn)樾∈覂?nèi)濕度主要由水蒸氣質(zhì)量平衡決定，擴(kuò)散散熱值對小室內(nèi)濕度的平均水平影響不大，但由于熱流束的浮力效果不同，水面附近的氣流方式導(dǎo)致濕度分布發(fā)生微妙的變化。綜合地看，采用q=486W/m2的計算結(jié)果，無論溫濕度，與實(shí)測都最為吻合。    圖4為測定斷面上的流場,溫濕度場的CFD模擬結(jié)果.由圖可見,在此斷面上從水面處形成的熱濕羽流幾乎沒有受到小室內(nèi)通風(fēng)的影響,溫濕度成層現(xiàn)象非常明顯。 &

14、#160;  圖3 實(shí)測與模擬的溫濕度分布比較（工況1）    圖4 CFD計算結(jié)果（左：氣流場；中：溫度場；右：濕度場）    4.2 結(jié)露形成與發(fā)展過程的驗(yàn)證    圖5給出了工況2的試驗(yàn)與CFD計算結(jié)果的比較。試驗(yàn)和模擬時間均為30分鐘左右。為了更好地形成表面結(jié)露并防止出現(xiàn)小室內(nèi)空氣濕度達(dá)到100%的情況，本試驗(yàn)工況進(jìn)行時，進(jìn)口處通過預(yù)加熱裝置對進(jìn)風(fēng)加熱至25.2度。由圖可見，實(shí)測和模擬都顯示經(jīng)過20分鐘左右頂棚處的測點(diǎn)（P1-7和P2-7）濕度達(dá)到

15、飽和，表明出現(xiàn)了結(jié)露。這說明雖然到目前為止結(jié)露問題還沒有好的直接測定方法，通過比較小室內(nèi)的溫濕度動態(tài)分布，計算與模擬值隨時間的變化規(guī)律基本一致，可以認(rèn)為利用此計算模型來分析結(jié)露問題是可行的。    我們針對工況2，利用濕結(jié)露CFD計算模型對結(jié)露進(jìn)行了動態(tài)模擬，模擬時間為1小時。圖6給出了4個時間點(diǎn)的結(jié)露分布。試驗(yàn)開始20分鐘左右，結(jié)露首先在小室后上部角落出現(xiàn)，然后以較快的速度沿頂棚和側(cè)壁發(fā)展，在45分鐘以后結(jié)露面積基本達(dá)到穩(wěn)定，但結(jié)露量繼續(xù)增加。從結(jié)露量上看，小室后部兩個側(cè)壁和頂棚的結(jié)露量較多。這是因?yàn)榍安總?cè)壁和地面離進(jìn)風(fēng)口較近，熱風(fēng)使這些壁面溫度升高的

16、緣故。    圖5 實(shí)測與模擬的溫濕度動態(tài)變化比較（工況2）    圖6 CFD模擬的結(jié)露分布隨時間變化圖5.通風(fēng)對結(jié)露的影響    通風(fēng)是解決結(jié)露問題的重要手段之一，但是到目前為止很少有這方面的量化分析。我們利用CFD濕結(jié)露計算模型通過3個算例針對不同的通風(fēng)量和通風(fēng)方式對結(jié)露的影響進(jìn)行了初步的探討。    算例1：即工況2；        算例3：通風(fēng)方式

17、改為上送下排的機(jī)械排風(fēng)方式，其他條件不變。    圖7為算例2和3的結(jié)露分布模擬結(jié)果(t=60min)。與圖6相比較，由于通風(fēng)量增加，算例2的結(jié)露面積相應(yīng)地減少，特別是側(cè)壁靠下部的區(qū)域結(jié)露基本消失。算例3的通風(fēng)量與算例1完全相同，但結(jié)露分布形狀完全不同。因?yàn)樽兂缮纤拖屡诺姆绞?，抑制了水面附近的浮力效果造成的水蒸氣上升現(xiàn)象，頂棚與側(cè)壁上部的結(jié)露減少。圖8給出了三個算例的各壁面及總的結(jié)露量的計算結(jié)果(t=60min)。由圖可知，算例2和算例3的總結(jié)露量分別只有算例1的26%和20%。    圖7 不同通風(fēng)量與通風(fēng)方式對

18、結(jié)露分布的影響（左：算例2；右：算例3）    圖8 不同通風(fēng)量與通風(fēng)方式下結(jié)露量的變化        6.結(jié)論    為利用CFD技術(shù)研究室內(nèi)的濕度分布與結(jié)露問題，本研究開發(fā)了濕結(jié)露CFD計算模型，通過對模型的驗(yàn)證和算例計算，可得以下結(jié)論：    1） 無論是不考慮結(jié)露，只考慮濕度分布的穩(wěn)態(tài)計算，還是考慮結(jié)露量的非穩(wěn)態(tài)計算，CFD模型的計算結(jié)果都與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。這說明可以利用此模型進(jìn)行室內(nèi)濕

19、度場和結(jié)露的詳細(xì)分析。特別是結(jié)露問題，在到目前為止還沒有有效的測定方法的情況下，CFD的應(yīng)用提供了非常重要的研究手段；     2） 本研究中還涉及到熱濕同時傳遞問題，給出了新的計算方法并應(yīng)用于CFD的計算。    3） 即使是同樣的風(fēng)量，不同的通風(fēng)方式對室內(nèi)濕度分布和整體的濕度水平影響很大，在室內(nèi)濕度較大的場合，可以通過通風(fēng)方式的優(yōu)化設(shè)計更有效地解決除濕和結(jié)露問題；    7.參考文獻(xiàn)    1 Straube JF. Moistur

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