CFD技术对室内热环境的数值模拟

CFD技术对室内热环境的数值模拟

汪晓华1,李　超2

(1.内蒙古轻化工业设计院有限责任公司;2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古呼和浩特　010000)

摘　要:采用CFD技术中的Fluent软件对某建筑物室内冬季采暖热环境进行了数值模拟,通过对不同热源温度下,室内不同高度处温度场的分析,提出了满足规范要求和人体舒适度要求的热源温度。为相关系统的采暖设计提供了参考。

关键词:CFD;Fluent;热环境;数值模拟

中图分类号:T U831.2 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)23—0121—03

现代人们的工作压力越来越大,室内的工作时间也越来越长。因此舒适的室内热环境,对工作人员的身体健康和工作效率有很大的影响。同时,适宜的室内温度也是建筑节能考虑的重要因素。在传统的暖通空调设计与分析方法已不能满足现代建筑的要求的情况下,采用CFD技术进行暖通空调的辅助设计、相关节能分析及系统的优化运行越来越受到研究人员的青睐[1]。江向阳[2]利用CFD仿真软件对广东地区某一使用风机盘管的夏季空调建筑室内温度场、速度场进行模拟仿真,得出了夏季空调情况下该建筑的室内温度场和气流组织分布,结果分析表明,其室内平均温度及送风温差满足《公共建筑节能设计标准》。李司秀等[3]使用了CFD软件对某体育场观众区和赛场进行了三维数值模拟,分析模拟的结果表明:观众区和赛场气流组织是满足设计要求的,温度、速度、PMV、PPD、空气龄均较为合适。

采用CFD技术对北方某建筑物室内冬季暖风环境进行了数值模拟,为室内采暖系统的设计及合理布局提供了依据。

1　计算方法

采用CFD模拟软件Fluent对室内的热环境进行模拟。Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD 软件包,在国内外有广泛的应用,只要是涉及流体、热传递及化学反应等工程问题,都可以用Fluent进行计算。它可以准确模拟采暖通风过程中空气的流动、热量的传导、污染物的输移等物理现象。从而减少设计成本,降低设计风险,缩短设计的周期。

1.1　物理模型

选取一典型建筑物室内,开间6.5m(对应x 轴),进深8m(对应y)轴,高度3.4m(对应z轴)。北墙下侧距地面高20cm处左右各设置一热源,其尺寸为1.2m×0.8m×0.1m(长×高×厚)。热源的上部设置1.6m×1.5m(长×高)的窗。南侧墙面有0.9m×2m(宽×高)门一副,忽略室内照明灯、电脑等其它热源设备。建筑物室内几何模型见图1

。

图1　室内几何模型图

1.2　数学模型

假设该建筑物室内空气不可压缩且符合Bossinesq假设,同时为了计算方便,我们忽略墙体面间的热辐射,认为室内气密性良好不考虑漏风影响。该问题中只考虑两个热源的热辐射以及窗户和门的热传导。在以上假定下控制方程[4]如下:能量方程:

t( E)+ ・v

( E+p)= ・k eff T-∑h j J j+( =eff・v )+S h(1)其中,k eff为有效导热率;J

j为组分j的扩散通量;方程1右边的前三项分别表示由于热传导、组分扩散、粘性耗散而引起的能量转移;S h包含化学反应放(吸)热以及任何其它的由用户定义的体积热源。

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　2012年第23期 内蒙古石油化工 收稿日期:2012-09-22

式中:E =h -p +v

2

2

(2)

对不可压流体:

h =∑j Y j h j +p

(3)

方程3、4中,Y j 为组分j 的质量分数:

h j =∫

T

T re f c p ,j dT (4)其中T ref 为298.15K 。辐射传播方程(RT E)为:

dI(r ,s )ds +( + s )I (r ,s )=an 2 T 4

+ s 4

∫

4

0I (r ,s ′) (s ,s ′)d ′(5)

其中:r 位置向量;s 方向向量;s ′散射方向;s 沿

程长度(行程长度);a 吸收系数;n 折射系数; s 散射

系数; 斯蒂芬-玻耳兹曼常数(5.672×10-8W /m 2

-K 4);I 辐射强度,依赖于位置(r )与方向(r );T 当

地温度; 相位函数; ′空间立体角;( + s )s 为介质的光学深度。

计算模型采用离散坐标辐射(DO )模型,控制方程的离散采用有限体积法,采用压力与速度耦合的Simple (Semi -Implicit M etho d for Pressure Linked Equation )算法进行求解。2　边界条件及网格划分

忽略墙体由于温度差引起的热量传递,均可假设为绝热边界。北侧墙面的两个热源温度为分别为35℃、40℃,门和窗户均有热传导产生,传导热量由热传导公式进行计算。

网格的质量和数量直接决定计算的精度和速

度,因该几何模型比较简单,所以该建筑物室内模型统一采用六面体网格,因考虑到计算速度的影响,网格尺寸为0.1m ×0.1m ×0.1m (长×宽×高)。一共划分网格176376个,不同区域的网格采用不同颜色标识,网格划分见图2

。

图2　网格划分图

3　模拟计算结果

根据《采暖通风与空气调节设计规范》(GB 50019-2003)[5],冬季室内舒适温度为18～24℃,温度过高会造成能源浪费,温度过低人体会感觉到寒冷。本文分别模拟了热源温度分别为35℃、40℃时室内0.1m 、0.6m 、1.2m 和1.8m 处的温度场分布。其结果如下

:

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内蒙古石油化工 2012年第23期　

图4　热源40℃时不同高度时室内温度分布图

图中温度单位为开尔文(K ),摄氏度与开尔文的转化关系为℃=K -273,从图中可以看出,当热源温度为35℃时,房间的大部分区域温度为287K (约为14℃),在靠间门的位置,温度不足10℃,只有在靠近热源的局部区域,温度满足规范要求的18℃。越靠房间上部的区域,由于离热源较远,且受到窗户导热的影响,温度越低。

图4显示了热源温度为40℃时不高位置高度处温度场分布。从图中可以看出,房间大部分区域温度为294K(约为21℃),即使在靠近门的位置,温度也满足了18℃的最低要求,靠近热源的局部区域,温度的梯度稍大,但是仍然满足规范的要求,因本模型中没有考虑空气对流和人员活动的影响。在下一步研究中若考虑这些因素影响,则温度的分布会相对均匀,温度的梯度变化将减小。同样越靠房间上部的区域,由于离热源较远,且受到窗户导热的影响,温度越低,但仍大于规范最低温度18℃的要求,也满足美

国ASHRAE55-92标准[6]

建议地面上方1.8m 和0.1m 之间的温差不大于3℃的要求。4　结论

本文利用CFD 技术中的Fluent 软件对某建筑物室内热环境进行了数值模拟。分析了不同热源温度下室内不同位置高度处的温度场分布,指出了在没有其它设备和人为因素下,满足规范要求和人体舒适度要求的热源温度。对于指导该建筑物室内的采暖设计和节约能源等方面有重要的指导意义,也为其它建筑的采暖通风设计提供了参考。

[参考文献]

[1]　李俊梅,李炎锋,樊洪明,等.CFD 模拟课程在

建环专业本科生中的教学实践[J].高等建筑教育,2012,Vol21(3):101～103.

[2]　江向阳.广东地区某建筑夏季室内热环境的

CFD 仿真评价[J].广州建筑,2012,40(1):101～103.

[3]　李司秀,陈伟煌,胡嘉庆.亚运自行车馆气流组

织CFD 的分析和探讨[J].建筑热能通风空调,2011,30(2):84～86.

[4]　陶文铨.数值传热学(第2版)[M ].西安:西安

交通大学出版社,2001.

[5]　GB50019-2003,采暖通风与空气调节设计

规范[S].

[6]　ANSI/ASHRAE Standard 55-92,Thermal

Environmental Com fo rt Co ndition for Human Occupancy [S].

The Simulation on Thermal Environment of Indoor base on CFD Technology

W AN G X iao -hua 1,L I Chao

2

(1.Inner Mo ng olia Light&Chemical Industr y Engineering Corporatio n;2.Water resour ces and Civil Eng ineering College,Inner Mo ng olia Ag ricultur al University ,Hohhot 010018,P.R.China)

Abstract :Based on Fluent softw are of CFD technolog y to sim ulate indoor thermal env ir onm ent during w inter tim e,analysised the tem peratur e field under different heat source temperatur e and heig ht,Found the suitable heat so ur ce tem peratur e to meet the requirem ent of standard and human co mfo rt.It is helpful fo r the improvement of indoo r ther mal environment and therm al comfort.

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　2012年第23期 汪晓华等　CFD 技术对室内热环境的数值模拟