《室内空气流动数值模拟》05 PDF_377804142

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动量方法
动量方法用一个与原风口或散流器外形相同 量方法 个 原 或散流 外形相 的矩形开口代替该风口或散流器，而将入口 动量置为实际的空气入口动量。动量方法可 理解为“ 理解为 “基本模型 基本模型” ”的极端：即用无数个 “小的 小的” ”矩形开口来代替实际的风口或散流 器。
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动量方法的评价
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第五讲 CFD方法模拟室内 空气流动存在的特殊问题
5.1 风口模型 5.2 热源模型 5.3 污染源（汇）模型 5.4 结露与凝结模型 5.5 辐射计算与 辐射计算与CFD CFD计算的耦合 计算的耦合
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室内空气流动数值模拟存在 的特殊问题
在将数值方法用于室内空气流动的计算时， 还有如下特殊问题需要解决 还有 下特殊问题需要解决
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风口简单处理的适用性
当风口的实际有效入流面积与其外形面积相 比较小时（如方型散流器、百叶风口、格栅 风口等），模拟所用之入流速度和动量与实 际入流相应参数差别将十分显著，从而导致 模拟结果有很大的误差。而以上方法在房间 模 结 有 差 在房间 空气流动的数值模拟中常被采用，主要是因 为其简单、快速，但是其可信度和准确度却 差强人意。 差强人意。 你能想到哪些比简单处理更好的方法？
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盒子方法的评价
当射流充分发展时，盒子方法计算结果准确； 射流充分发 时 盒 方法 算结 准确 但盒子方法需要大量的实验测量，尤其对于 风口样本中没有的风口，更需详细的测量其 轴心速度衰减和断面速度分布规律 这就给 轴心速度衰减和断面速度分布规律，这就给 实际应用带来极大的困难。另外，当射流未 充分发展时 盒子方法 法应用 充分发展时，盒子方法无法应用。
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热源散热特性的详细研究
属于室内空气流动中非常基础的研究内容，要回答的 属于室内空气流动中非常基础的研究内容 要 答的 问题包括：
不同情况下人员散热的差异大吗？如何合理描述？ 不同灯光在不同的安装方式下散热差异大吗？如何合理描述？ 不同设备的散热与环境参数的关系如何？ 能否采用简单、统一的热源模型？
用这种方法对 用这种方法对HESCO HESCO散流器进行了模拟 HESCO散流器进行了模拟，发现计算 散流器进行了模拟 发现计算 散流器进行了模拟，发现计算 结果和实验结果比较接近。但是，动量方法也存在着 问题，那就是当出流方向不均匀时，动量方法难以体 是 流方 均 时 量方法难 体 现其影响，从而带来较大的误差；而且，近来有学者 指出动量方法仍存在缺陷，那就是对于划分得很细的 计算网格，动量方法会带来较大的误差，这就意味着 动量方法无法适用于网格较细的情形，也就无法得到 较为精确的数值结果。
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Gagge的两节点瞬态人体热 模型
该模型将人体简化为两同心圆柱体 该模型 体简 为 柱体——内圆 内 柱体代表人体的核心部分( 柱体代表人体的核心部分 (骨骼、肌肉、内部 器官) 器官 )，外圆柱体代表人体的皮肤层。并且假 设：通过皮肤的传导换热可以忽略；每一节 设：通过皮肤的传导换热可以忽略；每 节 点的温度均匀；新陈代谢产热，外部做功， 和呼吸热损失与内部节点相关联；人体核心 呼 热损失与内部节点相关联 体核 部分与皮肤层通过直接接触和由热调节控制 的外部血液流动进行能量交换。
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人体的热平衡
热平衡方程 M W C R E S = 0 皮肤表面积 AD ＝ 0.202 mb 0.425 H 0.725
身高1.78m 体重65kg AD为1.8m2
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Fanger的单节点稳态人体热 模型
模型假设：人体处于热平衡状态，人体的蓄 模型 体 热平 状态 体 蓄 热可以忽略；人体近于热中性，即人体无颤 抖，且不考虑血液调节作用。 在该模型中，人体内部与皮肤层作为一个整 在该模型中 人体内部与皮肤层作为 个整 体。所以称为单节点模型。 稳态情况下，人体的产热等于人体的热损失， 由此可列出下面的人体热平衡方程. 由此可列出下面的人体热平衡方程 .
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给定速度法示意（二维）
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给定速度法示意（三维）
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给定速度法的评价
指定速度法不需进行实验测量，相对盒子方 指定速度法 需 实 量 相 盒 方 法较为容易，且准确度也不比盒子方法差， 因此比盒子方法更为实用。但是指定速度法 存在着与盒子方法同样的问题 那就是风口 存在着与盒子方法同样的问题，那就是风口 或散流器尺寸相对房间尺寸较大，送风射流 受房间墙壁影响强烈而具有明显的受限射流 受房 墙壁影 烈 具有 受 射流 特征时，该方法无法适用；而且，对于一些 没有速度衰减和分布规律的散流器，需要专 门做实验对其进行测试，以用于指定速度。
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盒子方法
该方法实质是将散流器或风口出口处的入流 该方法实质是 散流 或 流 参数转换为包围它的一个方型盒子的边界参 数，从而忽略紧邻风口出口处较为复杂的流 动细节。对三维情况 风口用一长方体包围 动细节。对三维情况，风口用 长方体包围， 对二维情况则是用一矩型包围风口。
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盒子方法示意
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我们的对策
用尽量少的网格描述风口的流量和动量及浮力通量 N点动量模型
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基本模型
所谓的 所谓的“ “基本模型 基本模型” ”，就是将风口或散流器简 就是将风口或散流器简 化为一个矩型开口，该矩形的长宽比与原风口 或散流器外形的长宽比相同，矩形开口的面积 宽 取为风口或散流器实际的入流有效面积，此时 入口速度可由风量除以面积计算。该模型修正 了传统的风口描述方法会导致的入口动量过大 或过小的问题，确保了入流速度和动量与实际 入流动量一致。 流 量 致
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推荐的风口模型
借鉴动量模型的优点，采用尽可能少的网格 借鉴 量模型 优点 采 少 格 描述各种复杂的风口，提出所谓的N 描述各种复杂的风口，提出所谓的 N点动量模 型
该模型可保证入口质量、动量和浮力通量的正确 该模型可保证入口质量 动量和浮力通量的正确 描述 根据不同的风口，一般采用几个网格描述一个风 根据不同的风 般采用几个网格描述 个风 口
目前已开展部分研究工作，主要集中在对流与辐射热 量的比例，研究的热点在人员散热，但开展得还很不 完善
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人体散热特性的研究
建立人体模型，将人体模型与室内空气环境 建立人体模型 将人体模型与室内空气 境 联立求解，得到人员的对流散热量、辐射散 热量，考虑人体复杂的表面情况
人体模型： 人体模型：Fanger Fanger单节点模型、 单节点模型、Gagge Gagge两节点模型、 两节点模型、 复杂人体模型（UC 复杂人体模型（ UC Berkeley建立了较复杂的人体 Berkeley建立了较复杂的人体 模型） 联立求解人体与环境的流动与能量守恒方程，得 到人体的温度分布和散热情况，分析人体散热规 律（东京大学Murakami 律（东京大学 Murakami等人、丹麦 等人、丹麦P.V. P.V. Nielsen Nielsen、 、 早稻田大学的Tanabe 早稻田大学的 Tanabe等人） 等人）
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风口最简单的处理
将具有复杂形状的风口简化为一个简单的开口，垂直 于风口的速度分量按照入口空气体积流量与开口面积 之比来计算
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风口简化处理存在的问题
对于几何形状复杂的风口或散流器，由于其外 形 复杂 或散流 由 其 形面积和实际入流面积（有效面积） 形面积和实际入流面积（有效面积 ）并不相同： 有效面积大于风口外形面积，按上述方法描述 的入流速度将小于实际入流速度，入口空气动 量也就比实际的入口动量小；如果保证入流速 度和实际的入流平均速度一致，将入流速度取 度和实际的 流平均速度 致，将 流速度取 为实际入流速度，则此时入口风量将比实际入 口风量大；同时该方法还无法考虑出流的不同 方向，即无法满足各个方向上的动量相同
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直接模拟法
在对房间空气流动进行模拟时，先对风口前 在 房 空气流 模 时 先 前 的管道到风口出口处的区域进行模拟，得出 风口出口处的各参数，将此结果作为对室内 空气流动模拟的入口边界条件 进行下一步 空气流动模拟的入口边界条件，进行下 步 的模拟计算。 直接模拟法的问题就是计算机容量和速度不 能满足要求 能满 要求
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Fanger人体热平衡方程
M W Qsk Qres (C R E sk ) (C res E res )
M：人体能量代谢率，决定于人体的活动量大小，
W/m2； W：人体所作的机械功， ：人体所作的机械功，W/m 体所作的机械 ，W/m / 2； Qres：通过呼吸的全热损失率， ：通过呼吸的全热损失率，W/m2 W/m2； ； Qsk：通过皮肤表面的全热损失率， ：通过皮肤表面的全热损失率，W/m ：通过皮肤表面的全热损失率，W/ W/m2； W/ C＋R ：通过皮肤表面的显热热损失率， ：通过皮肤表面的显热热损失率，W/m W/m2； Esk：通过皮肤表面的蒸发热损失率， ：通过皮肤表面的蒸发热损失率，W/m W/m2； Cres：通过呼吸的对流热损失率， ：通过呼吸的对流热损失率，W/m W/m2； Eres：通过呼吸的蒸发热损失率， ：通过呼吸的蒸发热损失率，W/m W/m2；
什么时候需要细致的热源描述？ 什么时候需要简化的热源描述？
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为什么需要热源模型？
室内热源的种类繁多，形状各异，要准确细致地描述 室内热源的种类繁多 形状各异 要准确细致地描述 各种热源几乎是不可能的 辐射对流动和热源散热有很大的影响，严格的热源描 述需考虑辐射、对流与热源的耦合关系，但考虑这种 耦合关系后数值计算量大幅度增加，目前详细研究热 源散热特性时考虑这种耦合，而计算室内空气流动时 则采用解耦的方式进行，即采用简化的热源模型 简 简化的热源模型是分别对各种不同热源的散热特性进 的热源模型是分别对 种 同热源的散热特性进 行研究后，给出的简单易用、且具有一定精度的热源 模型
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基本模型示意
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