壁面溫度對室內(nèi)空氣流動過程的影響

壁面溫度對室內(nèi)空氣流動過程的影響摘要：為了分析在進(jìn)風(fēng)位置、進(jìn)風(fēng)溫度以及射流方向不同的條件下，房間壁溫對室內(nèi)空氣流動的影響，利用CFD計算、流動可視化和定量測量相結(jié)合的辦法研究了不同工況下室內(nèi)空氣的流動形態(tài)、速度以及模型整體換熱情況。結(jié)果表明：進(jìn)風(fēng)溫度變化時，壁面溫度對水平送風(fēng)方式下的空氣流動形態(tài)影響較大，對垂直送風(fēng)方式影響較??；進(jìn)風(fēng)溫度的降低引起水平進(jìn)風(fēng)方式的自由射流區(qū)縮短，右側(cè)垂直進(jìn)風(fēng)方式下射流向右側(cè)壁面偏轉(zhuǎn)，同時浮升力引起的自然對流作用增強(qiáng)，換熱溫差加大，增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)漏熱量。關(guān)鍵詞：空調(diào)通風(fēng)；流動形態(tài)；CFD模擬；可視化實驗通風(fēng)空調(diào)房間內(nèi)的空氣溫度、流速以及污染物濃度等對建筑物能耗、室內(nèi)空氣品質(zhì)和人體健康至關(guān)重要。自20世紀(jì)40年代以來，研究人員運(yùn)用不同方法來預(yù)測機(jī)械通風(fēng)房間內(nèi)的氣流組織結(jié)構(gòu)[1-6]。ChenQinyan[3,4]利用CFD模擬研究了不同的通風(fēng)方式、風(fēng)口結(jié)構(gòu)對房間內(nèi)空氣流動的影響；Fitzner[5]通過原型實驗得出室內(nèi)氣流主要受風(fēng)口結(jié)構(gòu)、位置，空氣流速以及房間熱負(fù)荷的影響，而排風(fēng)口位置對其影響較??；Zhang[6]實驗研究了水平送風(fēng)條件下，不同進(jìn)口風(fēng)速、溫度以及房間熱負(fù)荷對室內(nèi)空氣速度和湍流特性的影響。然而，在進(jìn)風(fēng)口位置、進(jìn)風(fēng)射流方向以及進(jìn)風(fēng)溫度不同的條件下，房間壁面溫度對室內(nèi)空氣流動形態(tài)的影響規(guī)律未作具體研究。本文通過CFD模擬和可視化模型實驗相結(jié)合的辦法研究了不同的風(fēng)口位置、射流方向以及進(jìn)風(fēng)溫度下，房間壁面溫度對室內(nèi)空氣流動過程的影響。1實驗?zāi)Ｐ图皵?shù)值模擬方法圖1實驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)示意意圖設(shè)定如圖1所示的坐標(biāo)系統(tǒng)，模型的在x、y、z方向的長度分別為1.2m、0.6m和0.8m，為了便于進(jìn)行流場可視化研究，模型主體采用有機(jī)玻璃加工?？紤]到大部分房間只有一面墻為外墻，其余墻面都為內(nèi)墻，且內(nèi)墻可近似認(rèn)為是絕熱邊界條件，所以在本實驗中只將左壁面（x=0m）設(shè)為加熱壁（模擬外墻），為了維持恒壁溫條件，提高溫度均勻性，設(shè)計了由薄膜加熱器和厚4mm導(dǎo)熱鋁板組成的復(fù)合加熱板，通過調(diào)節(jié)輸入電壓可以控制實驗所需的壁溫，而模型的其他外表面通過粘貼厚度為100mm的保溫材料來模擬絕熱邊界條件。本文討論A、B兩種不同位置的進(jìn)風(fēng)方式，風(fēng)口尺寸都為240mm×24mm，且以z=0.4m的平面前后對稱。其中進(jìn)風(fēng)口A設(shè)在x=1.2m的平面，水平中心線距模型頂面0.1m；進(jìn)風(fēng)口B設(shè)置在y=0.6m的頂面，右沿距模型x=1.2m的平面0.1m；排風(fēng)口設(shè)在y=0.6m的頂面，左沿距x=0m的平面0.1m。通常情況下房間內(nèi)的平均流速小于0.15m/s，只有射流區(qū)域的流速達(dá)到相對容易進(jìn)行測量分辨的0.4m/s以上。為此，房間內(nèi)部的風(fēng)速、溫度測量點主要布置在射流方向上。對于A型進(jìn)風(fēng)方式，7個測量點布置在y=0.3m、z=0.4m的直線上，其中1點、7點x坐標(biāo)分別為1.088m、0.112m，其余5點x坐標(biāo)在1點和7點之間均勻布置；對于B型進(jìn)風(fēng)方式，5個測量點均勻布置在x=1.088m、z=0.4m的直線上。表1給出本實驗的研究工況，加熱表面的溫度為40℃、風(fēng)量為0.0078m3/s。表1實驗研究工況工況序號ⅠⅡⅢⅣ風(fēng)口位置AABB進(jìn)風(fēng)溫度/℃2214.52214.5本文采用FLUENT6.0商業(yè)軟件進(jìn)行計算，入流湍動能kin為來流平均動能的1％，湍流耗散εin可按照入口湍流雷諾數(shù)Ret以及湍流特征長度之間的關(guān)系來選取[7]。利用SIMPLEC算法進(jìn)行壓力——速度解耦，PRESTO！格式處理壓力項，QUICK離散格式處理控制方程；采用RNGk-ε湍流模型，用壁面函數(shù)法考慮邊界對流動的影響。在劃分網(wǎng)格時，盡可能采用正六面體網(wǎng)格單元，固體壁面相鄰的第一個網(wǎng)格寬度限定為為1mm，最寬一級的網(wǎng)格寬度≤8cm，在進(jìn)風(fēng)口及壁面附近區(qū)域加密網(wǎng)格，將相鄰兩網(wǎng)格間距的尺度比嚴(yán)格控制地控制在0.8～1.25。2、結(jié)果及分析2．1CFD計算及可視化實驗結(jié)果工況Ⅰ、工況Ⅱ下的z方向中心截面（z=0.4m，下同）的CFD模擬結(jié)果、流動可視化照片如圖2所示?？梢钥闯?，壁面溫度對模型內(nèi)空氣的流動形態(tài)有明顯的影響。進(jìn)風(fēng)溫度較高時，自由射流區(qū)較長，射流進(jìn)入到1/2的寬度（x=0.6m的平面）后，開始向下彎曲，射流能夠沖刷到左側(cè)壁面，并且在0.3m<x<0.6m、0m<y<0.3m范圍內(nèi)形成一個逆時針渦；而進(jìn)風(fēng)溫度較低時，射流進(jìn)入1/4的寬度后，便開始向下彎曲，射流沖刷到底面，不能形成明顯的渦。產(chǎn)生這種差別的原因在于當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度較高時，空氣受到方向向下的重力作用較??；反之，進(jìn)風(fēng)溫度較低時，空氣受到的重力作用較大。圖2-a工況ⅠⅠ下的流動形形態(tài)的計算結(jié)結(jié)果圖2-b工況Ⅰ下下的流動形態(tài)態(tài)的可視化結(jié)結(jié)果圖2-b工況Ⅱ下下流動形態(tài)的的計算結(jié)果圖2-b工況Ⅱ下下的流動形態(tài)態(tài)的可視化結(jié)結(jié)果圖3顯示了工況Ⅲ、工況Ⅳ下的CFD模擬結(jié)果以及流動可視化照片。對于垂直送風(fēng)方式，壁面溫度對模型內(nèi)空氣的流動形態(tài)影響較小。只是當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度的較低時，射流末端向右壁面（x=1.2m）偏轉(zhuǎn)量增大。由于射流左側(cè)的空氣卷吸量大于右側(cè)，左側(cè)空氣速度小于右側(cè)，左側(cè)壓力大于右側(cè)，使得射流向右側(cè)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度較低時，射流所受的熱驅(qū)動力和重力較大，射流速度較高，左、右側(cè)壓力差較大，射流偏轉(zhuǎn)量增大。圖3-a工況Ⅲ下下流動形態(tài)的的計算結(jié)果圖3-b工況Ⅲ下流動形態(tài)的可視視化結(jié)果圖3-c工況Ⅳ下流動形態(tài)的計算算結(jié)果圖3-b工況Ⅳ下流動形態(tài)的可視視化結(jié)果2．2溫度、速度結(jié)果圖4給出了A型進(jìn)風(fēng)方式下各測點的溫度、速度的計算值和測量值。其中速度的測量值略高于計算值，由于數(shù)值計算時進(jìn)風(fēng)速度在進(jìn)風(fēng)口截面上設(shè)定為處處相同，等于射流平均速度；而在一般情況下，實驗時的進(jìn)口風(fēng)速在進(jìn)風(fēng)口截面上呈現(xiàn)中心高，四周低的現(xiàn)象，造成射流中心速度高于平均速度。從圖中還可以看出，進(jìn)風(fēng)溫度較高時，沿測量線溫度的變化比較平緩，溫度分別升高3.2℃；溫度較低時，則變化比較劇烈，溫度升高7.9℃,同一進(jìn)風(fēng)速度下，進(jìn)口溫度相差7.5℃時，出口溫度相差1.8℃，說明進(jìn)口溫度較低時，自然對流對換熱起了很重要的作用。在射流的前半?yún)^(qū)（x>600mm），溫度對各點速度的影響不大，對于射流的后半?yún)^(qū)（x<600mm）,進(jìn)風(fēng)溫度對各點速度有一定的影響。進(jìn)風(fēng)溫度較高時，速度較高，進(jìn)風(fēng)溫度降低后，速度有所下降，從圖2的可視化圖譜可以看出，進(jìn)口溫度降低后，5、6、7三個測點已經(jīng)偏離了主射流區(qū)，使得所測速度變小。圖4-a工況Ⅰ下下各測點溫度度、速度分布布圖4-b工況Ⅱ下各各測點溫度、速速度分布圖5給出了B型進(jìn)風(fēng)方式下各測點的溫度、速度的計算值和測量值。在進(jìn)口處速度的測量值高于計算值，由于在垂直射流的條件下，進(jìn)口風(fēng)速在進(jìn)風(fēng)口截面上不均勻性增加，射流中心速度遠(yuǎn)高于平均速度，從而與數(shù)值計算時設(shè)定的均勻速度截面相矛盾。數(shù)值計算時，為了消除風(fēng)口速度不均勻性帶來的計算誤差，需要將一定長度的風(fēng)管納入計算區(qū)域。從實驗結(jié)果可以看出，進(jìn)風(fēng)溫度較高時，沿測量線溫度的變化比較平緩，溫度升高0.5℃；溫度較低時，則變化比較劇烈，溫度升高4.2℃,同一進(jìn)風(fēng)速度下，進(jìn)口溫度相差7.5℃時，出口溫度相差1.7℃；B型送風(fēng)方式的射流速度大于A型送風(fēng)方式的射流速度，并且當(dāng)y<300mm時，速度發(fā)生突降。以上現(xiàn)象說明進(jìn)口溫度較低時，自然對流對換熱起了很重要的作用。由于射流的慣性力與受到的熱驅(qū)動力、重力方向一致，空氣從進(jìn)風(fēng)口出來后，會在熱驅(qū)動力、重力的作用下沿射流方向產(chǎn)生加速；同時，由于壁面加熱產(chǎn)生的浮升力作用，使得射流左側(cè)的順時針渦速度提高，從而使得射流速度較高，同時射流在y<300mm的區(qū)域內(nèi)已經(jīng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，測點位置已經(jīng)偏離了主射流區(qū)，使得測點速度明顯降低。圖4-a工況Ⅲ下下各測點溫度度、速度分布布圖4-b工況Ⅳ下各各測點溫度、速速度分布3、結(jié)論當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度變化時，壁面溫度對水平送風(fēng)方式下的空氣流動形態(tài)影響較大，對垂直送風(fēng)方式影響較??；數(shù)值模擬時，為了減小實際進(jìn)風(fēng)口處的進(jìn)風(fēng)速度的不均勻性帶來的誤差，需要將風(fēng)管納入計算區(qū)域；對于水平進(jìn)風(fēng)方式，進(jìn)風(fēng)溫度較高引起自由射流區(qū)較長，并在0.3m<x<0.6m、0m<y<0.3m范圍內(nèi)形成一個逆時針渦；進(jìn)風(fēng)溫度較低引起自由射流區(qū)較短，射流沖刷到底面，不能形成明顯的渦，對于垂直進(jìn)風(fēng)方式，射流末端向右側(cè)彎曲；進(jìn)風(fēng)溫度的降低引起浮升力作用下的自然對流作用增強(qiáng)，模型整體換熱量提高。參考文獻(xiàn)(References）[1] 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