某音乐厅夏季气流组织数值模拟分析_陈绕超

表1
工况 2
－4
舞台区不同送风角度工况
工况 2 工况 3 工况 4 最优送风条件 9° /11° /11°
15° /15° 10° /15° 10° /15° 10° /12° /15° /15° /12° /12°
但舞台 度沿低温射流主体逐渐升高， 等温轮廓明显， 高温区面积大小及位置差异较大。图 3 中温度场均 出现形状不一的高温区域， 最高气温达 30 ℃ 。这是 由于以下原因引起的： 1 ） 舞台送风气流与池座区气 流相互挤压后形成局部涡流， 此时该滞流区与周边 的热传递主要为气流的导热， 不利于该区域的热源 与风口吹出来的冷风进行热交换， 造成热空气未能 及时排除； 2 ） 送风口送风角度设计不佳， 造成局部 区域供冷不足。
4 ） 回风口尺寸 2. 5 m × 3. 5 m， 位于池座后方， 中心标高 9. 0 m， 回风口采用给定压力为环境压力。 2. 3 数值计算方法 模拟采用目前被广泛应用并得到认可的商用
第4 期

等： 某音乐厅夏季气流组织数值模拟分析 陈绕超， 表2
送风角度 θ1 / θ2 / θ3 工况 1
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图2 音乐厅物理模型
1 ） 池座区： 观众区人员静坐时散热量为 108 W， ［8 ］ 考虑到音乐厅群聚系数 0. 89 ， 因此人均散热量按 96 W 简化计算， 并将同排的人员简化为同等负荷的 方块热空气热源， 块高度与人体静坐高度一致， 此方 ［9 ］ 法已 得 到 上 海 PHOENICS 公 司 的 验 证 和 认 可 。 对大空间建筑， 座椅送风如果采用设计方案原风口 模型， 将大大增加网格数量。为了简化计算， 本文采 用地板送风， 送风口简化为条形风口， 位于人体模型 底下， 且将同一排的送风口等效成同一个送风口 ， 风 口送风量为各个风口之和
［3 ］
0
引
言
随着国民经济的快速发展， 物质水平的不断提 高， 人们对于精神文化的需求日益强烈。 音乐厅作 为传播艺术， 提高艺术修养的重要产所， 具有围护结 构冷负荷小， 面光区发热量大， 观众区人员稠密， 人
［1 ］ 员湿负荷大， 新风负荷大等特点 。 因此， 良好的 。 室内气流组织和空气品质显得尤其重要
计算流体力学 （ Computational Fluid Dynamics ） 方法具有成本低， 技术成熟等优点， 被广泛应用于大 空间空调系统设计和研究， 并取得暖通空调工程行 ［12 ］ 业的认可。 章利君 针对音乐厅的特殊性， 对音
件下观众厅的气流分布及舒适性， 指出了采用座椅 送 风 方 式 应 注 意 的 问 题。 郑 志 敏 等 计方案优化。 与常规大空间不同， 音乐厅内部结构设计复杂， 且对室内气流组织要求较为严格， 不合理的空调系 统设计将有可能导致室内环境出现不均 。 因此， 根 据音乐厅的实际结构和热源分布特点， 采用多种送 利用 PHOENICS 软件指导某多功能厅室内热环境进行设
CFD 软件 PHOENICS 。 计算过程中采用 Boussinesq 假设计算浮升力对换热过程的影响， 忽略流体的黏 性耗散。计算区域的离散方法为控制容积法； 压力 速度 耦 合 采 用 SIMPLE 求 解； 压 力 离 散 方 法 为 ＲESTO； 采用二阶迎风格式对控制方程进行求解。 本文迭代次数为 5 000 次， 为了检验计算结果的收 敛情况， 确定在满足以下条件： 1 ） 各参数的残差随 计算次数的增加而降低， 最后趋于平缓； 2 ） 满足质 量守恒和能量守恒 （ 当音乐厅总输入和总输出的质 量和能量的残差小于 10 时认为符合该要求 ） ， 认 为计算结果收敛。 从不同工况的计算结果发现， 音 乐厅的质量和能量总输入和总输出均非常接近 ， 其 中工况 2 的残差值最大， 其计算结果如表 1 。 从表 中可得出该工况质量和能量的最大增值仅占总输入 的0. 001 2% 和0. 004 7% ， 符合规定残差值， 因此可 认为模型的计算结果均已收敛。
3 B 区单个风口送风量 流器送风量均为 1 000 m / h， 3 为3 000 m / h， 送风紊流度为 5% 。
图1
送风口示意图（ 俯视图）
2
2. 1
数值模型
基本控制方程 本文采用选择 kεCHEN 湍流模型， 湍流流动的
基本控制方程的通用形式为： （ ρ） + div（ ρv） = div（ Γ grad） + S （ 1 ） t 式中： 为通用变量； Γ 为输运系数； S 为源项。 式 7］ 。 中各项在直角坐标系中的详细含义见文献［
某音乐厅夏季气流组织数值模拟分析
何石泉， 李 陈绕超，
广州 510006 ） ［ 摘 要］ 以某音乐厅为例， 本文利用 kεCHEN 紊流模型对某音乐厅使用多种送风方式下的气流组织进行了数值模拟 ， 针对楼座及池座区气流组织的特点 ， 通过改变舞台区侧送风角度优化音乐厅送风条件 ， 获得不同送风角度组合下舞台区温度 11° 和 11° 时气流组织达到最优组合 ， 和速度分布的变化规律 ， 发现舞台区送风口的送风角度分别为 9° 、 在此基础上分析了该 最优条件下楼座及池座的温度和速度分布特征 ， 为空调设计方案提供参考 。 ［ 关键词］ 音乐厅； 送风方式； PHOENICS； 气流组织； 数值模拟 + ［ ［ 文献标识码］ A 中图分类号］ V211. 3 ； TU834. 3 1
利用 CFD 技术对剧院采用座椅下送风方式的气流 组织进行优化， 在保证计算的可行性的同时， 介绍了 对人员和座椅实物的简化方式。 金柏铭等
［4 ］
通过
总结了送回风口位 分析了大空间的气流组织特征， 置和送风速度的变化对该类建筑气流组织的影响 。 李金华等
［5 ］
采用数值模拟方法分析了座椅送风条
［6 ］
1
几何模型
音乐厅大小为 （ 长 × 宽 × 高 ） 42 m × 24 m × 21 m， 以中剖面为对 称 面 ， 两 边 完 全 对 称。 为 降 低 复 杂程度节省 成 本 ， 只取音乐厅对称的半个模型进 行模拟 ， 以下的参数除特别说明外 ， 所有的参数均 为半模型 的 值 。 音 乐 厅 由 池 座 区 、 舞台区和楼座 ， 区组成 其中楼座区按送风方式不同分 为 A 区 与 B 区。 池座观众区共有座位 362 个， 楼座观众区共有 座位 91 个， 其中楼座 A 区采用上送风的方式， 共设 有散流器 6 个， 尺寸均为 0. 5 m × 0. 6 m， 距楼座楼 B 区则采用单个百叶侧送 面 4. 5 m ～ 5. 0 m 不等， 风。受工程实际条件限制， 舞台区采用侧送风方式， 采用双层百叶送风口， 共设有 3 个， 尺寸均为 1. 2 m × 0. 25 m， 风口中心距舞台 4. 0 m。 各区位置分布 以及送风口示意图如图 1 所示， 图 1 中 θ1 、 θ2 、 θ3 分 别为舞台区送风口 1 、 送风口 2 、 送风口 3 送风方向 与 Y 轴正方向的夹角。
［收稿日期］ 20141016 ［修回日期］ 20141224 ［作者简介］ 陈绕超（ 1989）， 男， 在读硕士研究生 ［联系方式］ zhou_xiaoqing03@ 163． com
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建筑科学 2. 2 边界条件及源项的确定
第 31 卷
风方式相结合的方法， 既可以合理地利用空间， 也可 。 以保证各区域的空调要求 给出详细的模型简 本文采用 PHOENICS 软件， 化过程以及计算结果验证方法， 对采用多种送风方 式的某音乐厅夏季气流组织进行数值模拟分析 ， 针 对楼座和池座区气流组织对舞台区温度和速度场的 影响， 通过改变舞台区侧送风角度组合 ， 指出最优送 风方案。
第 31 卷第 4 期 2015 年 4 月 10028528 （ 2015 ） 04012906 ［ 文章编号］
建
筑
科
学
Vol. 31 ， No. 4 Apr． 2015 DOI： 10. 13614 / j． cnki． 111962 / tu． 2015. 04. 022
BUILDING SCIENCE
由于音乐厅位于大剧院内区， 周围房间均为空 调区， 且音乐厅室内墙壁均设有隔音层 （ 两道带空 气槽的混凝土墙 ） 及隔音材料， 因此通过墙壁的导 热量可忽略不计， 模拟时将其简化为绝热边界。 演 出期间考虑到音乐厅演出时观众区不需要照明 ， 因 此计算时没有考虑日常照明负荷。根据音乐厅建筑 图纸， 建立如下物理模型， 见图 2 。
3 ［10 ］
， 风速与设计方案速度
· P） 取值， 共设条形风口 一致， 送风量按照 60 m / （ h 49 个， 送风温度为 21 ℃ ， 送风温差为 5 ℃ （ 下同） 。 2 ） 舞 台 区： 该 区 单 个 送 风 口 送 风 量 均 为 1 350 m3 / h。 演出期间， 舞台面光区发热量大， 且热 量主要集中分布在上表面， 因此本文将舞台的内热 源简化为一个覆盖于舞台上表面的薄热源体 ， 热源 体底面积与舞台面积一致， 发热量为 15 kW。 3 ） 楼座区： 楼座观众区具体的人员负荷以及人 体简化形式与池座观众区一致。 其中 A 区单个散
丽， 周孝清， 王
伟（ 广州大学 建筑节能研究院， 广东省建筑节能与应用技术重点实验室 ，
Numerical Simulation of Air Distribution in a Concert Hall in Summer
CHEN Ｒaochao ，HE Shiquan，LI Li，ZHOU Xiaoqing，WANG Wei （ Academy of Building Energy Efficiency of Guangzhou University，Guangdong Provincial Key Laboratory Building Energy Efficiency and Application Technologies，Guangzhou 510006 ，China） Abstract： The kεCHEN turbulence model was used for numerical simulation of air distribution in a concert hall where multiple air supply methods were applied． With respect to the characteristics of air distribution in balcony and stalls，the varying pattern of temperature and velocity distribution in stage area with different combinations of air supply angle was obtained by changing the sidewall air supply angle in stage area to optimize air supply condition of the concert hall． The results showed that the air distribution reached its best combination when the air supply angle of air distributor in stage area was 9° ，11° and 11° ，respectively． The characteristics of temperature and velocity distribution in balcony and stalls in the optimal condition were then analyzed． The findings provide a reference for air conditioning design． Keywords： concert hall，air supply method，PHOENICS，air distribution，numerical simulation 并 乐厅采用不同送风方式的气流组织进行了比较 ， 分析了置换通风系统在音乐厅的应用。 任中俊