室内流场湍流模型对比研究

室内流场湍流模型对比硏究
张盟盟，凡凤仙，胡晓红
(上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093)
摘要：为探明不同湍流模型求解室内流场的适用性，基于计算流体力学软件F lu e n t和A irp a k的零方程模型、
室内零方程模型、标准C%模型、RNG C%模型和Realizable C%模型，对暖通空调领域三种典型室内流场（无障
碍物时的等温强制对流、有障碍物时的等温强制对流、有内热源时的混合对流）开展数值模拟，并将数值模拟得
到的风速分布与实测值进行对比分析。

结果表明：基于F lu e n t的Realizable C%模型和基于A irp a k的RNG C%
模型能够准确预测三种典型室内流场的速度分布；室内零方程模型对于室内无障碍物时的等温强制对流预测
结果较差，而对于有障碍物时的等温强制对流和有内热源时的混合对流，在计算精度要求不是特别高的工程计
算中可以使用；零方程模型对三种典型室内流场的预测结果均较差，在室内流场特性研究中应避免使用。

关键词：暖通空调（H V A C);计算流体力学（C F D);室内流场；湍流模型；数值模拟
中图分类号：〇355 文献标识码：A 文章编号：1004 -3950(2018)02-0052-08
A comparative study onturbulence models for indoor air flow field
ZHANG Meng-meng，FAN Feng-xian，HU Xiao-hong
(School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for
Science and Technology，Shanghai 200093，China)
Abstract %I n order to explore t he applicability of turbulence models in solving the indoor air flow field，the numerical simulations on three t ypical indoor air flow field，including isothermal forccd convection without and with obstacle，and
the mixed convection witli an internal heat source in the area of heating，vent performed. The zero-equation m odel，indoor zero-equation m odel，standard Cx m odel，RNG Cx model and realizable
C% model based on the computational fluid dynamics packages Fluent and Airpak were adopte butions obtained from the numerical simulations were discussed by comparing wit!i the experi The resiilts showed that the Realizable C x model based on Fliaent and the RNG C x model based ble of accurately predicting the velocity distrilDutions of the three typical indoor air the isothieraial forced convection withiout the obstacle using indoor zero-equation model cient ，while this model could be used for predicting the forced convection wit!i an obstacle as well as the mixed convec­
tion wit!i an internal heat source in engineering computations when the computational accuracy required was not very high. M oreover，the zero-equation model should be avoided using in the stiidy of indoor prediction for the typical air flow fields.
Key words % heating，ventilation and air conditioning (HVAC) ；computational flijid dynamics ( CFD) ；indoor air flow；turbulence m odel；numerical simulation
〇引言
随着技术的进步和经济的发展，暖通空调技术大量 于公共建筑、商 筑、民 筑及工业建筑中。

近几年，我国大、中城市灰霾事件频发，人们对室气品的要求。

这就迫切要求暖通空调（heating，ventilation and air conditioning，H V A C)领域的科研和技术人员
收稿日期：2017 -05 -20
作者筒介：张盟盟（1992 -)，男，江苏徐州人，硕士研究生。

研究方向：多相流动与传热。

E-mail:myidianyuanfan@163. com 通讯作者：凡凤仙（1982 -)，女，河南项城人，副教授。

研究方向：多相流动与传热。

E-mail:fanfengxian@ hotmail. com
-52 -
针对室内环境空气品质的改善开展研究。

室内流场是室内空气品质研究的基础。

室内流场研究的方法 [1]、研究[2]和数值 [1?]等。

随着计 技术的持续发展和计算流体力学（computational fluid dnamics!CFD)的不断完善，数值模拟逐渐成为研究室内流场的重要手段。

，室内气流形式多样，涉及自
然对流、强制对流和混合对流等，值模拟方法研究室内气流流模型的选择困[*_)]。

流型描述室内流场的准起了
H V A C领域众多学者的关注。

1995年，CHEN[1°]基于商用C F D软件Phoem:的标准C%模型、低雷诺数C%模型、RNG C%模型、双层C%模型和双 C%模型 室 流、强制流、混合对流以 射流流场，并将计算结果与实验
结果进行对比，发 REG C%模型与实验结果吻合最好。

1996年，CHEN[11]采用数值模拟和实验结合的方法，研究 力模型和标准C%模型 室内流场的适用性，结表明，力型能准确预测室内气流存在再循环时的流场特，准C%模型的 结 。

1998年，C H E N等[12]—种新的零方程模型一室内零方程模型，型 求解的方程少，因此所
计 存 间小，计速度比标准C%模型快10倍。

1998年，NILELSEN[1(]比较了零方程模型、标准C%模型、C%模型和大涡模拟
在 混合通风和置换通风时的准，研究发，方程模型 于低湍流度的，且收敛快；准C%模型中的浮力项对C方程 重要；
C%模型能够很好地预测近壁面流场；大 能 丰富的湍流信息。

2000年，Z H A O等[14]基于C H E N与X U等[12，15]提出的室方程 型研究 室 气流 ，结 表 ，
模型用于 室内气流 为经济且能 工程要求。

2001年，赵彬等[16]比室内零方程型和带有浮升力的C%模型对混合对流流场特的 结果，认为室 方程模型描述流场更为准确。

2003年，PO SN E R等[2]基于F lu en t的层流模型、C%模型和RNG C%模型对有障碍物存在的室 流场进 值 ，与 结 进
对比，发现RNG C%模型的计算结果最为精确。

2007年，ZH A N G等[17]研究了 R A N S模型、分离涡模拟和大涡模拟在封闭环境中的 ，结表明，大涡模拟比R A N S模型的计算准确度高，但是前者计 间较长；在计 和计 间上都劣于R A N S模型和大 。

2009年，ZUO等[18]比较了 CFD和 FFD"fast fluid dynam­i c，FFD)方法 室内气流的结果，发现F F D方法能大大缩短计 间，且能 为详尽的实时
流场信息。

2009年，W A N G等[19]设计了等温强制流和混合 流 ，RANS型、大和 的计算结果与实验结果进 —比，发 R A N S模型 于简单流动，大涡模拟最为 和稳定，如 中亚格子尺度能，结 以著改善。

上述对湍流模型在H h A C领域适用性的研究 研究具有。

近几年，专 i
H V A C计 A i p a k的出现，减
间，进一步促进了 H h A C的发展。

虽 为研究者 诸多便利，但是在复杂的室内环境流场 ，湍流型是否能取得理想的计算结果还不得而知。

本研究将分别基于Fluent 17.0 和A ip a k 3.0的湍流模型，针对室内三种典型流场进 值 ，值 结 与 结
进行对比，以各湍流模型的适用性，从而为利
用Fluen t和A irp ak进行H V A C领域流场特性研究。

1模拟工况与边界条件
1.1模拟工况
数值模拟采用与文献[19]完全相同的参数条件：模拟区域为2.44 m x2.44 m x2.44 m的室间；气流进口位于左墙紧贴天花板处，为2.44 m X0.03 m;气流出口位于右墙紧贴地板处，尺寸为2.44 m x0.08 m。

图1给出了三种典型流场模拟工况的示意，其中，图1(a)为室内无障碍物时的等温强制对流；图1(b)为室中央设有尺寸为1.22m X1.22m X1.22m的障碍物时的等温强制对流；图1(C)为室中央设有尺寸为1.22 m X 1.22 m x1.22 m、发热量为700 W的内热源时的混合 流。

1.2边界条件
模拟边界条件和实验[19]一致，图1所示的三种模拟工况下，进口气流速度均为1. 37 m/s，气温为22.2]。

此外，压力 ，壁面采用无滑移边界条件；图1(a)和图1(b)中
-53 -
的所有壁面与周围流体均无热量交换；图1(c)中的障碍物通面与周围流体发生热交换，热通量为94.06 W/m2,而其他壁面与流体以及周围环境之间无热量交换。

0.08 m|
(a)无障碍物时的等温
强制对流
|进口
y0.03 m
O W
出口丄
丨进口
2 44I
0.08 m|
(b)设有障碍物时的
等温强制对流
图1三种典型流场模拟工况示意
y0.03 m
700W
出口丄
2.44 m
0.08 m|
(c)设有内热源时的
混合对流
2数学模型与网格划分
本文中的数值模拟分别借助Fluent和Airpak 两种CFD，这两种软件各有特点。

F36t是目前国际上比较流行的商用C,D二包，它有丰富的模型和数值计算方法以大的 能，在多相流科研和工程领域有着广的 '20-22(;F lu e n t的湍流模型，本文中研究了其中的零方程模型、标准C%模型、RNG C% 模型和 Realizable C% 模型。

Airpak 软件 是面向H V A C领域工程师、建筑师和室内设计师等的专业人工环境系，于 暖通系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等[23-25]; 中方程模型、室 =方程模型、标准C%模型、RNG C%模型等。

2.1零方程模型
零方程模型是指不需要微分方程，而是使用代 系式，流粘度与值联系起来的模型，零方程模型中湍流粘度$可写为'26-27]:
$ =p/2S(1)式中:P为流体密度，kg/m3;<为混合长度，m;U为 平 速率张量的模量。

< 和U的表达式分为式（2)和式（3)。

<m min"K:，〇. 〇9:m a X)(2)
U三槡U&U&(3)式中：K为冯.，K = 0.419;:为与壁面
的间距，m;: m a n为间距的最大值，m;U&为平均应变速率张量，表达式为式（4)。

-54 -式中：）为流速，m/s。

2.2室内零方程模型
室内零方程模型是A irp a k中专门用于室内气流 的 流 型。

型 的 流粘$的表达式为式（5)[12，15-16]。

$ = C〇pUd m：n(5)式中：/〇是模型，/〇 = 0.03874; U为局部速度的最大值，m/s;:m m为与壁面的间距最小值，m。

2.3 标准C%模型
标准C%模型是一个基于揣动能C和揣动能耗散率％输运方程的半经验模型。

C方程和％方 程可写为'28-30]:
a $
b a UC(6)
i(#)+$L(#))=忐[卜+/：)■] +
($a)-/%#%+U%(7)
式中：$表示由平均速度梯度产生的湍动能，k/(m *s3);$表示浮力产生的揣动能，k/(m *s3); 足和U%为源项，/1%、/%、/%、/和/%为模型常，^1%= 1•44，C2%= 1• 92，/：= 1*0，/% = 1. 3[26,28]。

/.的取值取决于主流方向，当主流方向与重力方向平行时，/%=1，当主流方向与重力方向垂直时，^*3% = 0'27]。

揣流粘度$由C和％的 值计算得到，其表达式为式（8)。

S
式中％/为模型常数=0.09[27-28]。

2.4 R N G C'模型
RNG C'湍流模型是由O R S Z A G等[31(提出 的，该模型通过修的粘度项体现小的影响，消除了控制方程中的小运动项，可以好地 以及流线 程 大的流。

RNG C'模型的C方程和％方程为[31_32]:
3/7、3/c、3/$k\
Y t(##a$L(p kUi)+
a$b a Uk())
3 (x 3 (、 3 /$ s\
^l%^($k+/3%$b#~/2sP % ~B s+U%(10#
(8)
式中：—=1.39，-% = 1.39，揣流粘度$的表达式同式（10)，但 / =0.0845&/#% =1.42，/% =1.68, 的值与标准C%模型 。

此外，B%的表达式为式（11)。

式中：+ 三U C/%，+0 = 4. 38，y S = 0. 012。

2.5 Realizable C-% 模型
(16)
!= &j[/
(17)
(e&e&) 2
_3%&\3(18)式中：2&是从角速度3的参考系中观察到的时转动速率张量。

2.6网格划分
计算区域的网格划分情况如图2所示，计算 网格为A irp ak产生的结构化网格，在进口和出口，进 加密，并在障碍物周。

(a)无障碍物时 （b)有障碍物或内热源时
图2分
3结果与讨论
Realizable C—模型是一个相对较新的揣流模型[27’31(。

该模型 力的某些数学约束，认为湍流粘度计算式中的/不应是，与 应变速率联系起来。

其C方程和％方程为[33&34]:
孓(#〇 +3L(#)) 3 L[卜$、3k ^
/J3l
a$b _P% a Uc(12)
p/S%-_C2+/1%f/，b+U% (13)
C a槡m K
式中：模型常数 /=1.0，/% =1.2，/=ma x [0. 43，+/( + a5) ]，/ = 1.9，/% = 1.44，/%同式 (9)&m为运动粘度，m2/s;$的表达式同式（10)，C/x由式（14)给出。

^ 4. 0 a槡6c o s i.-C/%
中，
1=^cos_1(槡6!)(15)
针对图1所示的三种典型工况开展数值模拟。

结果，对于不设障碍物和设置障碍物（热源）的工况，分别选择位置1和位置2 (见图3)进 值 与 结果的对比。

图3 中l _z面代表地板平面，与之 的方向设定为A向，位置1和2代表 于l-_面的线段，该线 沿A向地板和天板，两位置在l_z面的为（1.6002,0，1.2192)和（1.2192,0, 2.2114)。

为于和结 比，结
进 量纲，无量纲表示，其中？为距地板的，〇 =2. 44 m为天花板距地板的高度；无量纲速./.m a n表示，其中.m a n为三种工 的室内气流速度最大值，.m a n = 1.5 m/s[19]。

3. 1无障碍物时的等温强制对流
无障碍物时的等温强制对流是三种工况中几何形状和流场最为简单的。

在工，将基于Fluent与A irp ak的揣流模型得到的位置1处的速度分布与进 比，如图4所示。

一方面，气
热汾?名我2018年，第2期_ 55
-
图3数值模拟和实验对比点
流自位于左墙紧贴天花板的进口向右喷射进入室内，射流 墙后，受天花板与右墙的拐角的影响而改变方向，转而向下，遇到地板，气流方向再次改变后，与射流相反，因室回流旋
[16]，室气流大致呈附壁流动的特点。

另一方面，由于进口的射流和天花板的壁面效应，靠天花板的气体薄层中，流速 速增加最大值，之如图4中的 ，即流速呈现出先减小（〇. 70 < <0. 95)，再基本不变（0. 30 < F/L <0. 70)，最后变大（0 < < 090)的特点。

究其原因是气流贴天花板的进口喷射，天板附近的气流速度最大；随着射流不断卷吸室气，气流速小；气流
在自上 流动的过程中，速基本保持不变，并 于位置1处于旋涡中心，因而气流速小;
由于 的影响及气流附壁流动的特'，？/N< 090，随 气流速增大。

图4的结果表明，基于Fluen t的零方程模型、标准C'模型、RNG C'模型和Realizable C'模 型 的数值 结 能 的速度，型 的准有所，以Realizable C'模型预测的结果最为准确。

基于A irp a k的湍流模型对位置1的气流速
结 示，RNG C%模型的预测结果与实验值最
为 ，标准C%模型次之;零方程模型的速
度值在相当大的高度范围内（0.30 < ?/L< 095)偏大，但在 上和 的速度分布变化趋势一；室 方程 型 的速 与 值
大。

室 方程模型无法准[测气流速度分布的原因在于型是针 有热量传 程的室 等温流发的，模型 是基于室 流和混合对流的值 结的[16]，这与 工 大。

-56 -3.2 有障碍物时的等温强制对流
室内设有障碍物时，在障碍物与气流之间不存在热量交换的，仍是等温强制对流过程。

图 5 位置 2 的速 值 结
与实验结果的对比情况。

该工 的速度自
上 的 与无障碍物似，即存在速
度降低、速基本不变、速度增大三个区域。

，于障碍物的，这三个区的 ：段与无障碍物时不尽相同，分别为0. $5 < F/L <
0.95、0.50 <?/!<0. 85、0<?/!<0. 50。

由图 5
(a) 可知，基于F lu en t的Realizable C'模型的数值 结果最为精确；标准C%模型和RNG C'型的结果次之，RNG C%模型收敛较慢，零方程型的 结 与 有 大 。

图 5 (b)以，A irp a k的室 方程模型求解有
障碍物时的等温强制对流比无障碍物时有大善，这是因为障碍物的存在室内气流的
中心旋涡，计结好[16]。

考虑到室'方程模型收敛迅速，能在很大程度上节省计卜间，在对计求不是的工程计算中，
进
口
可以使用该模型求解无明显漩涡的室内流场。

此 外，A irp a k的方程模型的结果与值有
较大差别；标准C%模型预测出的速度值在0.10 <?/[<0. 40时与实验值偏离过大，A irp a k的四 种模型中RNG C%模型的计算结果与吻合
最好。

3.3 有内热源时的混合对流
在设有内热源时，由于存在热量传递，因此室 内流场表现为兼有强制对流和流 的混合对流。

图6位置2处风速的数值结与 结果的对比。

从Fluent各模型的计
算结果看出，Realizable C%模型、标准C%模型和REG C%模型的预测结果与实验结果吻合较好，其中Realizable C%模型的计算结果最好；总体看，方程模型也能和 的速度汾
似的 。

基于A irp a k的 结 示，零方程模型难以反映中间段（0. 30 < F/L <0. 85)速度基不变的&室 方程模型的求解结果在0.80 <?/L< 0.95与实验有较大差异，而当0 <?/L<0.80时，计算结果与实验结果吻合得较好；R N G C%模型的 结果与 吻合良好。

虽
图6中的结果表明F u e n t中Realizable C%和 Airpak的RNG C%模型都能够准确预测室内流场速 ，然而由于Airpak优越的建模性能，因此
对室内混合对流进研究时建议采用Airpak
的RNG C%模型。

此外，在 求不高，尤其是顶部区域流场不是研究的重点时，为省计算
时间，也可采用A irp a k的室内零方程模型研究室混合 流。

4结论
本文中基于C F D通用软件F u e n t和HVAC 领域专业软件A irp ak对三种典型室内流场特性进 值 ，值 结果与进 卜比分析，从而对Fluen t和A irp a k中的湍流模型在
H V A C领域的 进 。

基于本研究结果，如结论％
(1)于室内无障碍物时的等温强制对
-57
-
流，还是室内有障碍物时的等温强制对流和有内
热源时的混合对流，F lu e n t的Realizable C'和 A lrpak的RNG C%模型都能够准确预测室内流场
速 $
(2 )A irp ak的室内零方程模型对于室内无障
碍物时的等温强制对流结 &于有
障碍物时的等温强制对流和有内热源时的混合对流，在计求不是的工程计算中，可
以使用A irp ak的室内零方程模型，利用A irp ak建 模方便、室 方程模型计速的特点，缩短研
究周期。

(3)总体看来，零方程模型对三种典型室内
流场的 结果与C%双方程模型以及室内零方
程模型相比较差，在室内流场研究中I免。

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