置换通风热力分层高度的数值研究.doc

置换通风热力分层高度的数值研究 同济大学 刘猛☆ 龙惟定 张改景 摘要：本文根据置换通风系统的工作原理，介绍了置换通风热力分层高度的定义及数值计算方法，并对送风温度、送风速度等因素对热力分层高度的影响作了定性的分析，在此基础上拟合出无量纲热力分层高度关于送风温度T、送风速度V、热源间距离L和围护结构传热Q的经验公式。本文的工作对今后置换通风系统的优化设计提供参考。 关键词：置换通风 热力分层高度 数值模拟 热舒适性 0 引言 随着人们对可持续发展认识的不断深入，节能和环保已成为当今空调发展的两大主题。相对于传统的混合通风方式，置换通风具有较高的室内空气品质和较好的节能效果，因而备受人们的关注[1]。置换通风两大优点的发挥依赖于流场的分布，而热力分层高度是置换通风流场分布的标志，也是置换通风系统设计中的重要参数，不同影响因素对流场的影响将通过热力分层的高低反映出来，事实上，也只有掌握了分层高度随影响因素的变化关系，才可能设计自控线路，进而调节送入室内气体的相关参数，使节能和高的空气品质同步实现。因此，本文主要工作将围绕建立热力分层高度与流场影响因素之间定量关系来开展，重点导出热力分层高度与流场影响因素之间的定量关系。 1 热力分层高度的定义 假定置换通风系统通送风量为QS，热源产生的自然对流射流量即热烟羽流量为QP，在热源周围自然对流射流形成的初期阶段，热烟羽流量主要是靠置换通风的送风量来补充，因而卷吸周围较少的空气量，此时QPQS, QP与高度成正比函数关系。当热烟羽继续上升时，送风量不能满足自然对流射流吸卷的空气量时，将有一部分空气回返予以补充，此时QPQS。根据连续性原理，在热烟羽的上升过程中，必有某高度Z处，此时自然对流射流吸卷周围空气的量与置换通风系统送风量相等，即QP=QS，如下图1所示： 图1 热力分层高度示意图 随着空气在下部区域的不断送入以及顶棚处热污浊空气的不断排出，室内热烟羽状态稳定下来，形成以Z高度处为分界的上、下两个区域。Z高度以下为单向流动的清洁区，Z高度以上为混合紊流的污浊区，Z高度即为热力分层高度。 2 置换通风房间模型的建立 在本文的研究中，采用Srebric的办公室置换通风测试作为算例[2]，这也是ASHRAE（美国供暖、制冷空调工程师协会）用于验证数值计算结果的报告中的算例之一，如下图2所示。 图2 置换通风房间模型 该办公室的几何尺寸为：长χ宽χ高＝5.16mχ3.65mχ2.43m，置换通风送风口为扁平型置换通风散流器，送风口的中心线与墙体中心线相重合，距离地面0.03m，送风温度是21.2℃，送风速度是0.12m/s。回风口位于房顶顶板的中心，尺寸为0.43mχ0.43m，日光灯尺寸为0.2mχ0.2mχ0.8m，均匀分布在房间顶部。室内有计算机、人员、灯光等热源，还有桌子和壁柜等家具，室内热源功率如表1所示。 表1 室内热源功率 热源项目 热源大小（W） 人体 75×2 计算机1 108 计算机2 173 日光灯 34×4 围护结构 180 总计 747 3 置换通风房间流场的计算 置换通风系统的气流组织形式与其它通风系统的不同之处在于浮力的影响很明显，室内气流方式由送风口送入的冷空气流和室内热源上方产生的浮力烟羽所控制。本文数值模拟中将流体假定为不可压缩流体，使用Boussinesq近似[3]来处理浮力的影响，采用涡团扩散湍流模型。 S.J.Ress等人的研究指出，置换通风系统中，当室内负荷在45～72W/m2时，室内气流会产生类似周期性的流动，热源上方的烟羽到达吊顶撞击顶棚，会有复杂的侧向摆动，产生明显回流[4]。此房间热负荷为：747W/ (5.16m×3.65m)＝39.6 W/m2，不超过40 W/m2，根据S.J.Ress的理论，数值模拟可以产生稳定的流场。经过多次调试，得到如下所示的温度场和速度场，迭代计算的收敛过程大约需要8h。 图3 Z＝1.825截面上的温度分布 图4 Z＝1.825截面上的速度分布 图3和图4与文献[2]的模拟结果进行比较，发现二者基本一致，只是图中所显示的温度区间有所不同，但两者温度梯度是相符的。这说明本文关于流场的模拟正确，在此基础上可进行热力分层高度的数值研究。 4 热力分层高度的数值计算方法 在计算收敛的流场中取图5所示的模拟测点，分别个不同位置不同高度的可以判断热力分层高度就在此高度区间范围内。曲线前半部分向上凸后半部分向下凹，由拐点的性质可知，在此高度区间内存在曲线的拐点。 图5 数值模拟测点的位置分布 图6 A点温度的拟合曲线 为求出拐点的坐标值，将对x求二阶导数，并令，解方程得，而，此值即为该置换通风房间的