某會展中心報告廳空調氣流組織的CFD模擬分析

胡宗，楊文杰，朱柏山

（機械工業第三設計研究院，重慶 400039）

0 引言

隨著社會的進步，人們對生活質量的追求，除物質生活外，對精神、文化等方面有了越來越高的要求，為此需要更多的功能合理、質量上乘、環境舒適的公共活動空間。對此，如何根據建筑結構的要求，通過合理的系統設計及設備選擇，創造一個健康、舒適、節能的室內環境，是暖通專業一直需要努力的方向。而氣流組織是室內空調設計的一個重要環節，尤其在大空間建筑中，它直接影響著空調系統的使用效果，因為只有合理的氣流組織才能充分發揮送風的冷卻和加熱作用，均勻地消除室內熱量，并有效地排出有害物和懸浮在空氣中的灰塵，滿足室內的舒適性和衛生要求。

本文應用FLUENT6.2軟件，對某會展中心報告廳內的氣流組織效果進行了模擬研究，所得結論為報告廳空調系統優化設計、預測氣流組織等提供了理論依據和指導方法。

1 工程概況

報告廳建筑面積為2100m2，地面離吊頂最高點距離為16.5m，無柱空間跨度為39m，可容納1200人。

2 空調組織方案的確定

該報告廳為滿足業主所提出的多功能要求，原空調方案考慮其內部可根據業主需要設置臨時的舞臺，活動座椅等裝備，氣流組織為在兩側設置噴口，風口射程為20m，回風采用在出入口及觀眾廳后墻面下部設置的風口集中回風的分層空調氣流組織模式。后報告廳根據業主對其功能的最后確定及裝修要求，改為有固定主席臺及固定階梯座位，并且由于修改了裝修方案，在大廳兩側增設了耳光調控室，側墻及頂棚均采用了折線形的造型設計，使得原空調方案的側送下回的空調方式無法實現。

在進行空調方案修改時，我們最先考慮的是在大空間公共建筑中運用比較廣泛，節能效果顯著的分層空調。擬采用座椅送風，側墻回風的下送側回的氣流組織形式，保證5m以下空間空調效果，而上部的熱氣流則可通過在屋頂設置的通風兼排煙系統排出；但因項目是在已經完成土建后進行的修改，階梯座位是修建在一層結構板上的，現場條件的限制使得觀眾席的前十排無法在座椅下設置送風口，該區域的空調效果也無從得到保證，因此該方案不具備可行性。根據裝修和工程的實際情況，只能采用在報告廳頂部及觀眾廳后部頂送下回的氣流組織形式，我們考慮在主席臺上部設置旋流風口，主席臺至前十排的觀眾席上方及觀眾席后方設置噴口，在觀眾席的后十排座椅下及主席臺下方設置回風口，以期能達到較為合理的送回風循環。在經過負荷計算和氣流組織設計計算后，確定了系統的冷熱負荷及送、回風量，共選用了6臺風量為12000m3/h及2臺風量為6000m3/h的柜式空調器作為報告廳的空氣處理設備，同時在回風管段上段均設置了回風機，以保證空調時的回風效果及非空調季節的通風運行。

3 空調組織設計中有可能存在的問題及解決問題的方法和工具

在初次的系統設計完成后，我們認為存在的問題是:在實際運行過程中，達到設計要求的室內溫度時，是否存在有局部溫度不均勻的現象？同時因為系統設計主要是根據冷負荷較大的夏季工況進行的負荷計算、設備選型及末端風口的布置，冬季運行時，是否需要調整風口角度才能滿足室內的氣流組織要求？

針對上述問題，如能對氣流組織方案下的室內溫、速度分布效果加以科學地預測，則可以實現設計方案的優化。為此，該工程擬利用目前國際流行的計算流體動力學和傳熱模擬軟模擬，提出優化的送、回風口布置方案以及送風參數的合理建議，供工程設計借鑒和參考。

4 數學和物理模型的簡化

4.1 物理模型簡化

由于所模擬的報告廳空間幾何空間大，而所采用的送、回風口的尺寸較小。因最大與最小尺寸相差懸殊，在數值仿真時勢必建立較密的網格。但過密的網格往往會導致計算難以快速實現，甚至結果很難收斂。因此結合會議廳建筑本身結構對稱的特點，以過主席臺中心的中軸面為對稱軸。把中軸面設為對稱邊界條件，取一半空間作為模擬對象，減少了一半的網格數，使運算速度得到提高[1]。

由于座位和人員較密集，如若將主席臺和觀眾席的每個人都用一個長方體來代替，將導致網格劃分時數量巨大，難以實現問題的數值求解。因此，為降低網格劃分的難度和網格數量而把人體總散熱量平均分配到了50個大小為1×0.6（高×寬）長度不等的長方體的五個面上，人體表面熱流量為130W/m2；在會議廳氣流組織模擬時，模擬的空間內共設有37個屋頂送風口，送風口直徑為0.34m。另外，在主席臺前端設置18個0.5×0.15的回風口，兩風口中心距離為0.3m。觀眾席區域的座椅風口簡化為102個0.2×0.2的風口，兩風口中心距離為1.23m。

4.2 網格生成

由于幾何構造復雜，因此采用了非結構化網格（四面體網格）。這種網格節點的位置無法用一個固定的法則予以有序地命名，生成過程比較復雜，但對于會議廳這種幾何形式復雜的模擬對象，卻有著很好的適應性，尤其對于具有復雜邊界的流場計算問題特別有效。由于計算空間很大，建立網格時對空間進行分區加密處理，如貼近送風口和人體的區域網格均加密。簡化后的模擬空間模型及整場網格劃分狀況如圖1所示。

圖1 模擬空間及其中網格情況顯示圖

4.3 邊界條件的設置

為確保座椅回風和屋頂送風達到室內良好的氣流組織效果和熱舒適性，避免局部區域溫度過高、風速過大等問題的發生，合理選取風口的大小、數量、送風角度以及送風參數等顯得十分重要。鑒于會議廳處于建筑的內區，故壁面按絕熱處理，其他邊界采用了表1給出的幾種邊界條件進行模擬。

表1 不同氣流組織方案時所選用的邊界條件

5 室內氣流數值模擬及分析

5.1 夏季工況風速場結果與分析

通過對觀眾席送風口不同角度（30°，45°）工況一和工況二的送風方案模擬計算，圖3～圖6是室內代表斷面Y=0.5m處的溫度和速度對比圖，從圖2～圖3可以看出，觀眾席上空送風口采用30°傾角送風的工況時，由于送風角度較小，射流到達工作區的距離比較短，低溫射流有效地降低了工作區的溫度，使觀眾席工作區的溫度維持在26℃以內。由于主席臺的工作區氣流速度較小，該區域溫度較觀眾席工作區的溫度略高，但沒有超過28℃。

圖2 送風口傾角為30°時，Y=0.5m處溫度剖面圖

圖3 送風口傾角30°時，Y=0.5m處速度剖面圖

圖4 送風口傾角45°時，Y=0.5m處溫度剖面圖

圖5 送風口傾角45°時，Y=0.5m處速度剖面圖

從圖4～圖5可以看出，觀眾席上空送風口采用45°傾角送風時，低溫射流衰減的距離較長，到達工作區之前已和工作區上部熱氣流進行了充分的熱交換，導致工作區溫度較30°傾角送風時要高；通過對比兩種傾角送風可以看出，在觀眾席后排局部區域風速較大，但都未超過0.5m/s。通過以上分析可以看出，觀眾席上空送風口采用30°傾角送風較為合理，其在絕大部分工作區風速可滿足舒適性要求，在射流斷面及工作區產生的漩渦最小。

為了降低觀眾席局部區域和主席臺工作區溫度，通過對工況三送風方案模擬計算，由圖6～圖7可以看出 ，增加2個風口后，主席臺工作區的速度較工況二有所增加，有效的消除了工作區的熱量，使工作區的溫度下降，其溫度基本維持在26℃左右，達到了設計要求。

圖6 取22個風口時，Y=0.5m處溫度剖面圖

圖7 取22個風口時，Y=0.5m處速度剖面圖

綜合考慮工作區的風速及溫度分布，筆者認為觀眾席上空風口設置為30°傾角和22個送風口為最優的方案，其在絕大部分工作區溫度和速度均能滿足舒適性要求，且在工作區溫度波動最小，速度場較為均勻。

5.2 冬季工況風速場結果與分析

考慮冬季工況熱氣流在浮生力的作用下，較難送入工作區，為實現冬季室內達到20℃左右的舒適溫度要求，本文采用觀眾席上空的風口數量22個風口的方案，保持送風量與夏季相同，對冬季采用不同送風角度（工況四、工況五）時室內的溫度場和速度場進行了模擬和比較分析，由圖8～圖9可知，冬季送風口傾角為30°時，會議廳內溫度場和速度場分布較為均勻，基本滿足設計要求；從圖10～圖11可以看出，若冬季送風口傾角為45°時，熱射流在觀眾席后部匯集，在其上部匯集產生較大氣流渦旋，人體頭部區域最大風速超過1m/s，不能滿足設計要求的0.5m/s。通過以上分析，冬季會議廳送風口傾角為30°較為合理。

圖8 送風口傾角為30°時，Y=0.5m處溫度剖面圖

圖9 送風口傾角為30°時，Y=0.5m處速度剖面圖

圖10 送風口傾角為45°時，Y=0.5m處溫度剖面圖

圖11 送風口傾角45°時，Y=0.5m處速度剖面圖

6 結論

（1）由模擬結果分析，觀眾席上空送風口傾角為30°和風口個數為22個時，流場均勻性最好，能夠滿足工作區熱舒適要求。

（2）對冬季工況數值模擬結果進行分析，確定了在觀眾席采用22個風口布置，送風溫度采用22℃送風，送風口傾角為30°。以上優化設計可以使建筑內絕大部分工作區溫度和速度均能滿足舒適性要求，且在工作區溫度波動最小。這樣既可以滿足設計要求，還可以達到更好的節能效果。

[1]許彬，陳少松.淺析對稱邊界在數值計算中的應用[J].暖通空調，2007（9）.

[2]胡定科，榮先成，羅勇.大空間建筑室內氣流組織數值模擬與舒適性分析[J].暖通空調，2006(5).

[3]付祥釗，何天祺.供暖通風與空氣調節[M].重慶:重慶大學出版社，2008.

[4]王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社，2004.

[5]韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社，2004.