[ 摘 要] 采用三维紊流模型，应用有限容积法计算了室内空调的气固耦合传热问题，并对室内空调的气流组织形式，主要是对流速场，温度场进行了数值模拟计算，为空调室内的气流组织形式的优化设计及舒适性提供了研究依据。
[ 关键词] 空调 数值模拟 流速场 温度场 紊流模型
1. 引言
自1974 年计算流体力学(computation fluiddynamics ,CFD) 始用于模拟室内空气流动以来,CFD 技术越来越多的应用于指导空调通风房间的气流组织设计与分析由于空调房间内的非等温流动通常是自然对流和强迫对流同时存在的混合对流湍流流动,难以选择合适的湍流模型对其进行快速,准确的数值模拟.本人查阅大量的文献,发现国内目前还很少有人对整个空间进行三维的速度场和温度场的数值模拟.本文利用用于计算流动和传热的大型商用软件—PHOENICS,采用有限容积法对整个计算空间进行三维的空间的温度场和速度场的数值模拟,研究了送风速度送风方式对整个三维空间的温度场和速度场的影响,进而用于指导工程应用
2. 数学物理模型
2.1 物理模型
本文是以某办公室为计算对象该房间的几何尺寸是长宽高= 5mX4mX2m，送风口0.2X0.4M，置于东墙壁X=5m,Y=1.8m Z=1.8m处；出风口0.2X1M至于南墙壁下部Y=0 ,X=0,Z=0。室内设置有办公桌一张，办公沙发两套，二者并不影响网格的划分。示意图如上图。
2.2 风口模型
为了便于求解,对进风口进行简化处理。风口的动量模型采用一个简单的开口替代结构复杂的,不同的出流方向的送风口。该风口设置其进风速度是Vx=-1.5m/s,Vy=0m/s, Vz=0.5m/s, 送风温度T=30C 室内与室外具有相同的初始压力为大气压P=100Kpa。
2.3 控制方程:
由于空调室内空气流动是自然对流和强迫对流共同作用的混合湍流流动,通常采用的k-e湍流模型的模拟效果并不是很理想,采用更为高级的湍流模型,如代数应力模型ASM ,微分应力模型DSM 等,模拟时间长。而 Chen Q等人提出的零方程模型并经过大量的验证,该零方程模型在模拟空调房间的空气自然对流和混合对流收到很好的模拟效果。为此本文采用Chen Q 等人提出的零方程模型。此湍流模型的控制方程是三维零方程紊流模型,零方程模型(zero-equation model)也就是不需要微分方程而是用代数方程把湍流粘性系数turbulent viscosity 与时均值联系起来的模型。本文采用的湍流模型将湍流的粘性系数用一个代数方程表示如下：
其中p为室内空气密度；v为当地时均速度,L为距墙壁最近的距离。
为了简化问题，作如下假设：
1. 空调室内空气为不可压缩且符合Boussinesq 假设,即认为流体密度仅对浮升力产生影响。
2. 流动为稳态湍流
3. 忽略四周墙壁及室内物体的辐射热,室内空气为辐射透明介质
4. 气流为低速不可压缩流动,可忽略有有流体粘性力做功引起的耗散热
5. 不考虑漏风的影响,认为室内空气除出口外都密封完好
根据以上假设,室内空气流动和传热控制方程可以写成如下通用形式:
其中 代表空气流动的速度,温度,焓等物理量。
3. 室内空调送风器送风的数值模拟
办公室内采用上侧壁送风和下侧壁回风的方式进行模拟,假设四周墙壁以固定的热流量向外渗热即假设四壁每墙壁的固定热流量时50W, 上墙壁的固定热流量时50W，下墙壁为绝热，室内的办公桌和办公沙发等障碍物都假设为绝热,并且设障碍物处的粘性系数为无穷大,它们的存在只是影响空气的流动和网格的划分。在计算时采用的是在笛卡尔坐标下的网格划分,网格数是30X20X20。利用CFD/NHT 商用计算软件PHOENICS 求解离散控制方程。
1. 为保证计算的精度对流项采用二阶迎风格式,将扩撒项与对流相的影响系数分开,使方程稳定。
2. 对速度,温度,压力项的耦合求解,采用通用的SIMLEST 算法。
计算结果及分析:
本文对计算空间的三维温度场、速度场及压力场进行了计算,
结果比较理想.下图是对计算空间的温度场和流速场的计算结果图。
图1、2、3分别是Y=2.0m ,X=2.5m，Z=1.6m 处的速度矢量图与温度等值线的图图；4、5分别是Y=3.0m，Z=1.6m处的速度
矢量图。
同时根据PHOENICS 的后处理程序，输出计算结果。下表给出了整个计算空间30X20X20内部分计算单元的温度值；在Z=1.6m Z=0.8m 处部分体积单元中心的温度值。通过与试验数据相比较，本计算取得了较好的计算效果。
4. 结论
本文应用CFD 方法，即利用计算流体与传热的商用计算软件PHOENICS 对室内的温度场、流速场进行了数值模拟计算。获得了温度场、速度场等比较直观的数据和图形。通过数值模拟可以进行对空调通风系统气流组织设计和优化分析，进一步推动通风空调学科的发展。同时可以节省大量的人力物力，从而说明该方法具有一定的经济价值。
参考文献
1 赵彬李先廷 室内空气流动数值模拟的风口模型综述
暖风空调 2000 30(5)
2 陶文栓 数值传热学(第二版)西安交通大学出版社2001.
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