标准办公室热环境的数值模拟.doc

标准办公室热环境的数值模拟 李晓飞(，程海峰 （安徽省建工学院建筑设计研究院 安徽合肥 邮编230022） 摘要：关键词：Numerical Simulation of thermal environment on standard office Li Xiaofei, Cheng Haifeng Anhui architecture and design institute of Anhui university of architecture and industry Abstract: Office as a place for missionary staying, in order to supply some references in improving thermal comfort of office place, simulated the standard office under different air flow and air conditioning circumstances by using CFD technology. key word: Office; CFD; Numerical simulation 0 前言 随着办公建筑的大量兴建和人们对室内空气品质要求的提高，办公室室内空气的热舒适性变的更加重要。作为工作人员长期停留的公共场所，从暖通空调专业来说，应保持健康舒适的室内热环境。随着计算机技术的发展，空调领域中利用CFD技术来模拟气流组织，热舒适性以及优化系统设计的应用越来越广泛。本文采用CFD方法，对标准办公室不同气流组织和冬夏季空调工况进行了数值模拟，为以后办公建筑的空调设计提供参考依据。 1 数学模型 1.1 室内零方程模型 除了遵循三大守恒定律以外，本文的数学模型采用室内零方程喘流模型（indoor zero equation）。室内零方程模型是在室内空气自然对流和混合对流的直接数值模拟DNS (directly numerical simulation)结果的基础上提出的湍流模型[1]，该模型针对房间内非等温流Rayleigh 数范围（2.6～3.0×1010），认为涡粘系数正比于流体密度、当地速度和距壁面最近之距离，比例系数由直接数值模拟的结果拟合而得 (1) 其中：为室内空气密度；为当地平均速度；l为长度标尺(取离壁面最近的距离)，0.03784为经验值。该模型少求解2个微分方程，而仅求解关于质量、动量和能量守恒的5个微分方程， 故计算最省时间。 1.2 Boussinesq密度假设 浮升力模型采用非线性Boussinesq假设[2]： (2) 2 几何模型及边界条件 2.1 模拟对象及网格划分 模拟对象为某标准办公室，办公室尺寸长、宽、高分别为5m、4m、3m，模拟条件为室内四个工作人员，坐姿模式，高度为1.1m；四台电脑，三盏灯具，送风口尺寸为0.8m×0.2m，回风口尺寸为0.9m×0.3m，南外墙上有外窗。具体几何模型见图1所示，模型网格划分采用六面体结构化网格，在各个热源以及送、回风口处局部加密，见图2所示。 图1 模拟几何模型 图2 网格划分 2.2 边界条件的简化 为方便计算，作如下简化和假设[3]： (1)室内空气流速低，可视为不可压缩流体且符合Boussinesq 密度假设； (2)四面外墙仅南外有温差传热，设定为第一类热边界条件；南外窗同设为第一类边界条件，给定温度值，其余维护结构设为绝热； (3)人体、电脑和灯具采用第二类热边界条件，给定热通量，人员在办公环境下属于极轻活动，全热散热量取134W[4]，灯具取45W/台，电脑150W/台； (4)不考虑门空气渗透的影响； (5)考虑重力因素的影响，沿Z向设定重力加速度的大小和方向[5]。 3 模拟结果与分析 3.1 夏季工况模拟结果 1.假定室外气温为36℃，气流组织为侧送侧回，送风口风速2.0m/s，送风温度为15℃（夏季工况1），取过房间中心线Y=2m和人体脚踝以及站姿Z=0.1m（脚踝面）、Z=1.7m（站姿面）剖面来分析，模拟结果见图3所示，根据图3分析可知： （1）由图3可以看出：整个流场属于典型的侧送风贴附式射流，空气由送风口送出，起始端风速较大，沿射流方向下沉并且温度和速度缓慢衰减，在送风达到南外墙时折回经回风口排出，流场上部为紊流区，下部为单向流动区。热源附近区域温度明显要高且对室内流场有显著的扰动作用，房间中心过道由于扰动较小，温度和速度均低于房间其他区域；室内存在温度梯度但分层现象不明显，总体来说，离送风口和回风口区域温度较低，外墙和外窗对温度场和速度场有明显的“排斥”作