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喷泉对周围热环境影响的模拟研究 林波荣1，张志勤2，李晓锋1，朱颖心1 1清华大学建筑学院建筑技术科学系 2奥雅纳工程顾问公司北京分公司 摘要：喷泉对改善周围热环境、提高环境热舒适有重要作用。本文通过建立水珠与空 气的热质交换方程，并采用拉格朗日方法和PSI—CELL模型相结合的联合模拟方法，建 立了喷泉对周围热环境影响的模拟平台。在此基础上，对影响喷泉周围热环境的各参数 (包括喷水温度、水珠粒径、射流高度、排列方式等)进行了数值实验，提}_}_I了优化喷 泉设计的指导意见。 关键字：喷泉，CFD，室外热环境，PSI．CELL模型 引言 在小区环境设计中，水景尤其是喷泉是规划师手中一个重要棋子，它不仅可以美化社区， 还可以改善夏季周围热环境。由喷泉产生大量的小水珠与周围的空气进行热交换，可以起到 很好的降温效果，使人产生凉爽的感觉，提高夏季室外环境的热舒适性。此外，大量水份蒸 发到空气中，可以提高空气的湿度。 J 然而目前国内外对喷泉周围热微环境的详细研究还未见报道。NobuyaNishimura等人【l 对公园中喷泉的降温效果进行了实测。实验结果证明了水景的降温效果，同时通过风洞实验 证实了可用通过人工方法来控制水景的降温效果。但是这一研究没有对喷泉建立理论分析模 型，而只是通过测量定性分析了喷泉周围热环境的特点，无法进行推广和应用。 因此，本文通过建立水珠与空气的热质交换方程，并采用拉格朗日方法和PSI．CELL模 型相结合的联合模拟方法，建立了喷泉对周围热环境影响的模拟平台。在此基础上，对影响 喷泉周围热环境的各参数(包括喷水温度、水珠粒径、射流高度、排列方式等)进行了数值 实验，提出了优化喷泉设计的指导意见。 1喷泉周围热环境模拟模型 1．1水珠在空气中的运动 在喷泉水珠与空气的相互作用中，喷泉水珠为液态，空气为气态，所以这是两相湍流扩 散流动。目前分析两相流问题的方法主要有两种：拉格朗日方法(或者轨道模型)和欧拉方 法(或者双流体模型)。本文选择拉格朗日方法【2J作为模拟的方法，原因为：喷泉在与空气 的作用中，水珠的数量不能满足连续性的要求，水珠在计算空间的分布很不均匀；粒径分布 范围较广，水珠沿轨迹运动时，直径变化较大；如果采用欧拉方法，必须采用多粒径模型， 不仅需要大量的硬件资源，同时也会导致比较严重的数值发散问题；由于水珠的物性参数可 Carlo方法。 以满足各向同性的要求，在拉格朗日方法中可以采用Monte 根据拉格朗曰方法，首先对水珠进行力学分析，建立运动方程，然后积分求解可以得到 水珠在空气中的运动轨迹：—dx_p：孑p (1) dt 其中x，为水珠位置矢量，Up为水珠速度矢量，水珠的速度通过求解水珠的动量方程得到。 330 计算水珠的速度西，的动量方程如下：mp 拉格朗日时间步长At，为：At，=max(ro，min(r1，Z2乃)) (3) 在拉格朗口模型中，湍流的扩散效应是通过随机模型进行模拟的。假定湍流是各向同性 的，流体速度由时均速度莎和波动速度坑组成：杉：坑+彭 (4) U U 阢．由连续态的欧拉方程计算得到，∥．为波动部分。用来分析流体速度的波动速度的湍 流信息是来自流体方程中的湍动能。假设湍流是各向同性的，其速度的波动部分满足Gauss 压F 分布，标准偏差为： 仃=，f—— V 3 在任何位置波动部分的速度皖是通过随机采样得到的。 数值求解水珠运动轨迹的求解步骤如下：(I)计算拉格朗日时间步长；(2)水珠按照原 来的速度在该时间步长内运动到新的位置；(3)计算得到水珠在新地点的物性(速度、温度