CFD技术与风口描述

CFD技术与风口描述
CFD技术在暖通空调领域中的研究和应用发展迅速。

在2012年发布的《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012中，将CFD技术作为确定通风量的一种有效方法。

然而，CFD方法还存在可靠性和对实际问题的可算性等问题。

对于实际工程而言，风口入流边界条件描述复杂、湍流模型难以选择、迭代计算耗时等问题，影响了CFD在实际工程的应用。

本文将针对影响实际工程应用问题之一的风口入流边界条件描述问题展开讨论。

1研究现状
现有风口模型按照描述过程的不同进行归类，可分为直接描述类和间接描述类。

直接描述类包括基本模型[4]、动量模型[5]、N点风口动量模型[3]、局部定义法[8]。

间接描述类风口模型包括盒子模型[1]、指定速度模型[5]和主流区模型
[1][2]。

2 多元定义风口模型
多元定义法风口模型结合了N点动量风口模型和局部定义风口模型的思想。

将风口断面分为N个区域，每个区域选取1个具有代表性的点，故选取N个点，再对每个点进行定义。

每块区域作为模型的一个"射流元"，实际的风口就由这N 个"射流元"组成。

2.1 百叶风口的多元定义风口模型
百叶类风口包括單层百叶风口和双层百叶风口，特点是出流方向可调，送风方向可能不均匀，将相同方向的出流合并为一束，则射流单元数取：N=送风口出流方向束数（2-1）
对百叶风口而言，颈部入流速度v0一定，出流可能会有两种情况：一是出流方向平行，速度大小不均匀；二是出流方向和大小都不均匀。

（1）出流方向均匀（平行），速度大小不均匀的情况
（2）出流方向和速度大小都不均匀的情况
百叶风口常用的对开角度为40°、60°，这里取叶片倾斜角为30°，叶片长度为40mm，对图1的物理模型进行详细描述及合并两种情况的模拟。

下的百叶风口模拟时不建议取N=1。

实际应用的百叶风口出流方向束数通常为1或3，少数情况为5或7，按照出流方向束数描述入流边界条件并不会明显增加计算量[3]，因此为了保证更好的模拟风口射流对室内空气分布的影响，推荐按照式（2-1）取出流方向束数为多元定义法风口模型中的N值。

2.2 散流器类风口的多元定义风口模型
常见的散流器类风口包括方型散流器、条缝散流器和圆形散流器。

下面以方型散流器为例。

为了模拟方型散流器的周边对称出流特性，所用的N个开口出流情况也应该具有此特性，对应的最少开口数是N=4，如图4a所示。

但是方型散流器中心方形部分没有出流，对应该情况的具有周边对称出流特性的N的开口最少数目为9[7]，如图4b。

实际情况下，中心区域的空气出流速度可以近似为0，因而只需描述8个点的速度值。

如图5所示，可以看出，对于速度较大的区域取N=9时模拟得到的结果与详细描述时吻合较好，N=4差别比较大；对于速度较小的区域仍然是N=9时与详细描述较接近。

因此，对于方型散流器采用多元定义风口模型进行模拟时宜取
N值为9是合理的。

圆形散流器的出流特性与方型散流器类似，因此在采用多元定义法模拟圆形散流器时可参考本章方法。

对于条缝散流器，其出流特性和风口结构可认为是百叶风口的固定情形，具体模拟时可参考百叶风口的多元定义法，在此不再累述。

3 射流元数N的取值讨论
研究表明[6]，对于百叶类风口而言，当<0.004，合并为一束描述风口入流条件的模拟结果与按照实际束数描述的模拟结果差别不大；当>0.004时，二者结果差别较大，不宜将不同束数合并。

对于散流器类风口，本文以方型散流器为例进行了研究，由于该类型散流器出流方向是固定的，因此N的取法也固定，研究结果表明取N=9能够较好的表示出散流器的出流特性，其模拟结果与详细描述最为接近。

4 结论
本文提出的多元定义法风口模型结合了N点动量风口模型和局部定义风口模型的思想。

既保证了影响射流的主要因素如风口的外形尺寸和位置和实际一致，又保证了入流的质量流量、动量流量、浮力通量和实际一致。

另外，本文从实际工程应用简洁方便的思想出发，给出了常见风口类型如百叶类风口、散流器类风
口的多元定义风口模型的射流元数N的取值分析，对工程实际应用有一定的参考作用。

参考文献：
[1] Nielsen P V. Description of supply openings in numerical models for room air distribution，ASHRAE Trans，1992.。