第三类边界条件数值模拟室内热环境及其实验验证

贾玉凤 邹志军 黄晨 罗行 李俊红

摘要： 本文应用数值模拟软件，利用第三类边界条件对某实验房的室内热环境进行数值模拟，并通过实验进行验证。验证结果表明模拟值与实际测量值基本吻合。在数值模拟验证的基础上，论文通过设置不同围护结构热工特性、室外空气温度、以及送风参数的模拟，得到了相应室内热环境随围护结构热工特性、室外温度、送风参数变化的特性与规律，进一步扩大了实验范围，充实了实验手段。

关键词： 数值模拟 实验验证 变参数模拟

0.引言

随着计算机的大容量化和高速度化以及计算流体力学的发展，在室内热环境方面，特别是大空间建筑室内热环境设计中已逐渐普及采用CFD来解决室内气流组织、热环境等问题的研究^[1]，从而使室内热环境特性研究及其全面评价成为可能。

本文应用软件Airpak，利用第三类边界条件对某实验室室内热环境进行数值模拟，并通过实验予以验证，进而利用数值模拟对室内热环境特性进行分析。

1.环境实验室简介

如图1所示，环境实验室内尺寸为4.9m×3.5m×2.5m，墙体均采用保温材料。气流组织采用顶送下回，送风口尺寸为16cm×69cm，距东墙中侧设有一30cm×30cm的回风口。室内东西墙附近各有一个散热器，图1中Z向为北向。

2.数值模拟计算与结果

2.1 物理模型及数学模拟概况

模拟用物理模型如图1所示，其墙体传热系数为0.383W/(K×m²)，墙外侧温度28℃。送风速度为2.35m/s，送风温度17.8℃，靠近东、西墙处的散热器散热量分别为840W、2410W，且室内日光灯关闭。

数值模拟用数学模型为K-ε紊流模型，利用第三类边界条件对房间进行热环境模拟。对送、回风口及回风管处、散热器等采用了网格加密的处理，总网格数18655个。

2.2 数值模拟结果

2.2.1 温度场分布

如图2（a）、（b）所示，沿着风口自上而下，温度逐渐变化。近风口处等温线密集，温度分布存在明显的扩散现象。在图2（a）中，由于右侧存在一个散热器，导致了两边温度分布并不对称。在图2（b）中，水平方向温度梯度明显变小，存在衰减现象，回风口处等温线相对稀疏，房间居住域温度变化相对缓慢。图2（c）为南墙表面的温度分布，从图中可以看出，墙面自下而上温度逐渐升高，离风口较远处的温度相对较高，等温线较密集。图中所标数字单位均为℃。

2.2.2 速度场的分布

图3为室内速度场模拟结果。模拟结果表明，射流断面速度从射流中心开始逐渐向边界衰减并沿射程有所变化，导致流量沿程增加，射流直径略有增大。回风口的气流近似于流体力学中所述的汇流。离开汇点距离越大，流速衰减越大，呈二次方衰减^[2]。从图中可以看出，风口下方速度较大，自上而下存在衰减现象。其余区域速度较小。图3（a）中，气流在左右两侧各形成一个较小的涡流。图3（b）中，除送风口与回风口处速度较大，整个房间的速度较小，且分布比较均匀。

3.实验验证

3.1 实验布点与测量方法

实验中共布置九个速度测点，在宽度方向上取中间截面布置七个点，两个散热器附近各布置一个测点。空气速度采用万向风速仪，其输出信号通过Fluke采集器进行集中采集。布点位置如图4（a）所示。

采用垂直方向上均匀布点的原则，实验中布置二十个温度测点，采用带防辐射屏蔽罩的T型热电偶进行测试，数据采集通过Anjelun采集器集中采集，每分钟采集一次，布点位置如图4（b）所示。

3.2 实验结果与模拟值的对比分析

表1、表2分别为图4（a）、图4（b）各测点实验值。定义系列测定误差为：

其中 x_s——实测值；

x_m——模拟值；

n——测点总数。

计算σ时剔除最大偏差值。经计算，速度系列误差σ_v=0.15m/s，温度系列误差σ_t=1.66℃。速度误差相对较大，这是由于在速度均匀区域测点较少，某些点实测值与模拟值相差较大造成的。温度误差相对较小。对比表中的各个数值，说明模拟热环境与实际热环境基本一致，数值模拟结果可靠。

表1 速度模拟值与实测值比较

表2 温度的模拟值与实测值

4.室内环境特性模拟

对围护结构传热系数、室外空气温度、以及送风温度、速度等参数进行了变参数模拟。选取在房间中间位置点10和靠近出风口处点5作为观察对象。（参看图4（b））

4.1 变送风参数模拟结果

分别设置送风温度14、16、17.8、20、22℃，由图5（a）可知，随着送风温度的增加，点10，5的温度都在增加，室内温度也随之升高，点5温度增加的趋势要高于点10。

分别设置送风速度1.8、2.1、2.35、2.7、3.0m/s，由图5（b）可知，随着送风速度的增加，点5的速度增加趋势略为明显，这是与点5位于风口附近，受送风速度影响较大有关。点10的风速变化并不明显，速度较均匀。

4.2 变热工参数的模拟结果

分别设置墙体的传热系数为0.383、2.5、4.5、6.5、8.5W/(K×m²)，其他参数不变，由图6可知，随着传热系数的增加，室内温度略有升高。这是因为随着传热系数的增加，材料的保温性能降低，比较容易受到室外参数的影响，点5影响较小。

5.3 变室外温度的模拟结果

分别设置送风温度20、24、28、32和36℃，由图7可知，随着室外温度的升高，点10，5的温度略有增加，室内热环境受室外温度影响较小。

6.结论

采用Airpak软件对某实验室热环境数值模拟，经实验验证结果表明基本吻合，模拟结果可靠。利用经验证后的数值模拟体系进行一些列变参数模拟结果表明，随传热系数增加，室温提高，当传热系数增加到2.5 W/(K×m²)以上后，室温影响减弱，这是由于室内热源较大，墙体热工参数影响相对减弱所致。此外室内温度受送风参数影响较大。通过论文研究表明，借助一定的实验，利用数值模拟研究室内热环境是一种比较有效、可靠的研究方法，其研究成果可为空调设计提供参考和指导。

参考书目：

[1] 黄晨等.大空间建筑室内垂直温度分布的研究.暖通空调.1999,No.5.

[2] 赵荣义等.空气调节.北京: 中国建筑工业出版社,2002.151-156.