方型柱面貼附置換通風模式影響因素分析

尹海國，李安桂，劉志永，孫翼翔，陳 廳

(西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055)

建筑室內環境的營造主要采用通風空調系統來實現，系統中合理的氣流組織形式既能為建筑空間創造舒適的室內環境、提供較好的空氣品質，又能降低空調系統能耗[1-2]．目前通風空調系統采用的氣流組織形式主要有基于稀釋原理的混合通風和以浮力控制為動力的置換通風[3]．前者存在通風效率較低、衛生條件較差等問題[4-5]；后者能夠解決這些問題，但送風直吹人體易造成吹風感，且布置下送風管需提升地面高度，占用工作區有效空間[6-7]．

經過多年的持續性研究，課題組提出了一種基于豎直壁面的新型貼附置換通風模式，能夠有效解決混合和置換通風各自的弊端[8-10]．為了將其理念進一步拓展應用，結合建筑空間大中量大面廣的柱、廊、桿、條等柱體，充分考慮柱面曲率對貼附送風模式影響下邊界層效應的不同，以具有代表性的“方柱”為研究契機，課題組提出了一種基于方型柱面的新型貼附置換通風模式．

1 方型柱面貼附通風模式

方型柱面貼附置換通風模式屬于貼附射流的一種，圖1為該通風模式氣流組織的示意圖．空氣由位于方柱上部的回形條縫送風口送出后，立即與方柱面形成貼附流動，當流動到地面附近時，在地面逆壓梯度的作用下送風主體與方柱面分離，流動方向也由豎直向變為水平向．此后送風貼附于地面并以方柱為中心輻射擴散流動，進而在工作區形成類似于置換通風的空氣湖通風模式．由于柱面曲率的影響，導致兩個相鄰柱面貼附送風進入工作區后存在一定的交匯，因此水平向又可細分為空氣湖主流區和空氣湖交匯區．

圖1 方型柱面貼附置換通風模式原理Fig.1 Principle of square column attached displacement ventilation model

與傳統混合通風模式相比，方型柱面貼附置換通風模式能夠借助于柱面對送風主體的保持性，將更多新鮮空氣和冷/熱量分區、均勻下送至工作區，提升通風效率和室內空氣品質，且不會出現氣流短路情況；而與置換通風相比，風口上置不占用工作區有效空間，且便于布置．同時，借助于建筑空間內均勻分布的柱體，能夠解決傳統置換通風模式在地鐵車站、商場等大空間建筑中難以應用的問題．

2 數值計算模型的建立及實驗驗證

2.1 物理模型的建立

數值計算用物理模型依據圖 1所示房間建立．原型工況房間尺寸為9.0 m×9.0 m×4.0 m（長×寬×高），方柱寬度為1.0 m；送風口采用回形條縫風口，由四個尺寸為1.1 m×0.05 m（長×寬）的條縫風口組成；回風口與送風口位于在同一高度層面，布置在方柱四周，尺寸為0. 2 m×0.2 m（長×寬）．物理模型網格劃分如圖 2所示，采用結構化網格，經網格獨立性驗證后，不同計算工況網格數目位于280 ～ 300萬之間．為提高計算精度，對送回風口、豎向柱面貼附區、射流沖擊偏轉區和空氣湖區進行了局部加密．

圖2 數值計算物理模型網格劃分Fig.2 Distribution of grids of numerical computational physics model

2.2 湍流模型選擇

采用雷諾平均納維斯托克斯（Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS）模擬的方法預測方型柱面貼附置換通風模式的氣流組織特性．課題組前期對貼附通風模式模擬常用的十余種湍流模型進行了篩選[11-12]，選擇應用較多的重整化群k-ε（Re-Normalization Groupk-ε, RNGk-ε）[13]、可實現k-ε（Realizablek-ε）[14]、剪應力輸運k-ω（Shear-Stress Transportk-ω, SSTk-ω）[15]和基于線性壓力應變的雷諾應力（Reynolds Stress Model-IP,RSM-IP）[16]共 4個湍流模型進行數值模擬．并用實驗數據對各模型的有效性進行驗證，以確定適合于方型柱面貼附置換通風模式數值模擬的最佳湍流模型，為該新型通風模式的深入研究奠定基礎．

2.3 邊界條件設置及求解

本文主要研究條縫風口寬度b為0.05 m時，送風速度、溫度，方柱跨度、寬度和回風口位置對方型柱面貼附置換通風模式的影響．因此數值模擬選擇3個送風速度（u0=1.0、1.5和2.0 m/s）、3個送風溫度（t0=15、17和19 ℃）、3個方柱寬度（d=0.6、0.8和1.0 m）、3個柱子跨度（l=6.0、9.0和12.0 m）和3個回風口位置（回風口到方柱中心水平距離a/柱子跨度l的一半，a/(0.5l)=0.25、0.5和1.0）下方型柱面貼附置換通風模式的氣流組織特性．基于前期研究，熱源邊界條件選擇定熱流模式，方柱體一般位于建筑內部，貼附送風所承擔的外圍護結構負荷比例很小，可忽略不計．因此將熱流分別設在天花板和地面上（面積均為81 m2），單位面積熱流密度分別為20 W/m2（燈光等散熱）和80 W/m2（人員設備等散熱）．

采用有限體積法（Finite Volume Method, FVM）對物理模型進行離散，采用ANSYS Fluent商業軟件進行求解．求解器選用基于壓力（Pressure Based）的隱式（Implicit）格式，對流項離散格式采用二階迎風格式（Second Order Upwind），壓力與速度耦合方式采用SIMPLE算法，密度隨溫度的變化采用Bossinesq假設．計算采用非穩態求解，每次迭代時間步長為3s、每個步長迭代20次，基于對迭代過程典型位置速度及溫度的實施監測，確定迭代步數為6 000步．收斂判定標準為計算模型進出口流量不平衡率小于0.2%，P、ui、k、ω項殘差均小于10-4，E項殘差小于10-6．

2.4 計算模型實驗驗證

為了驗證本文選擇湍流模型數值計算的可行性和有效性，采用課題組前期所做的實驗數據，給出典型工況下豎向柱面貼附區、空氣湖主流區和交匯區數值模擬與實驗結果的對比，如圖3所示．圖中u0表示送風速度，圖3a中um(y)表示豎向柱面貼附區房間中截面（z=0）上距送風口y距離處的軸線速度，y方向采用非均勻布點，測試范圍為0.15 ～2.25 m；圖3b中um(x)表示空氣湖主流區房間中截面（z=0）上距沖擊角落x距離處的軸線速度，x方向采用均勻布點，測試范圍為0.25 ～ 2.35 m；圖3c中um(x*)表示空氣湖交匯區房間對角線截面上距柱角x*距離處的軸線速度，x*方向采用均勻布點，測試范圍為0.35 ～ 3.00 m．

圖3 無因次軸線速度計算值與實驗值對比圖Fig.3 Comparison of non-dimensional maximum velocity with calculated results and experimental data

由圖 3a可知，豎向柱面貼附區，四個湍流模型計算得到的模擬結果與實驗測試數據的變化趨勢幾乎一致．準確性方面，不同測點處采用（模擬值-實驗值）/模擬值的偏差公式，計算得到RNGk-ε、Realizablek-ε、SSTk-ω和RSM-IP四個湍流模型的預測偏差平均值分別為9.57%、11.06%、10.27%和9.08%，RSM-IP模型模擬準確度最高；空氣湖主流區結果與豎向貼附區一致，空氣湖交匯區則是Realizablek-ε準確度最高、其次為RSM-IP模型．同時對本文其他工況進行對比，結果得到RSM-IP模型的綜合預測性能最優，在豎向柱面貼附區、空氣湖主流區和交匯區的平均預測偏差分別為8.96%、10.34%和11.30%．因此，RSM-IP模型能夠有效用于方型柱面貼附置換通風模式的數值模擬研究，本文后續部分結果將采用這一模型計算給出．

3 計算結果及分析

3.1 送風速度、溫度的影響

針對柱子跨度9.0 m，方柱寬度1.0 m的原型工況，給出不同送風速度、溫度下房間中截面（z=0）處速度和溫度場分布云圖，分別如圖4和5所示．

圖4 不同送風速度及溫度下房間高度方向速度場分布云圖Fig. 4 Velocity fields distribution on room height under different supply air velocities and temperatures

圖5 不同送風速度及溫度下房間高度方向溫度場分布云圖Fig. 5 Temperature fields distribution on room height under different supply air velocities and temperatures

由圖4可知，不同送風速度及溫度下送風主體均能沿方柱向下貼附流動，與柱體-地面角落撞擊后方向改變，進而沿地面向前擴散流動，在工作區形成類似于置換通風的空氣湖狀速度分布．送風溫度相同時，隨著送風速度從1.0 m/s增大到1.5 m/s時，空氣湖內對應位置的速度上升了0.1 m/s；而當送風速度從1.5 m/s增大到2.0 m/s時，空氣湖的速度場幾乎沒有變化．當送風速度不變時，送風溫度的改變對房間速度場幾乎沒有影響，說明方型柱面貼附置換通風模式為慣性力主導下的送風．

由圖5可知，不同送風速度及溫度下方型柱面貼附置換通風模式均能在房間高度方向形成比較明顯的溫度分層現象，下部人員工作區溫度低、上部排風區域溫度高，這樣的溫度分布能夠達到較高的通風效率．數值方面，送風速度及溫度與室內溫度值間存在線性變化關系．送風溫度相同時，送風速度每增大 0.5 m/s，房間對應位置溫度降低約3 ℃；而送風速度相同時，送風溫度每增大2 ℃，房間對應位置溫度上升約1 ℃．因此改變送風參數可以實現室內溫度的規律性調節，從而滿足不同的室內環境參數設計要求．

同時，送風溫度對房間溫度場分布趨勢的影響較小．送風速度相同，不同送風溫度下沿房間高度方向的溫度梯度近似相同；而送風溫度相同時，送風速度越大送風主體與室內空氣混合越均勻，沿房間高度方向溫度梯度越少，室內溫度場越均勻．因此工程設計時，在滿足吹風感的前提下應盡量選用較大的送風速度．

方型柱面貼附置換通風模式能夠在工作區地面附近形成空氣湖，為了分析湖內的速度及溫度分布特性，給出地面高度處橫截面（y=0.1 m）速度和溫度場分布云圖．由于送風溫度對速度及溫度場的影響具有規律性，因此僅對送風溫度 15 ℃時，不同送風速度的影響進行分析，如圖6所示．

圖6 不同送風及溫度下空氣湖地面高度速度及溫度場分布云圖Fig. 6 Velocity and temperature fields distribution on air lake under different supply air velocities and temperatures

由圖6可知，送風速度的改變同時影響了空氣湖內速度大小和速度梯度大小，送風速度越大，空氣湖內對應位置的風速越大、速度梯度也越大；送風速度的改變會影響空氣湖溫度數值，但幾乎不會影響溫度梯度的分布．同時，空氣湖區的流場出現了明顯的分區現象，空氣湖交匯區的速度、溫度梯度總是大于主流區．

3.2 方柱寬度的影響

在原型工況的基礎上，研究不同方柱寬度（d=0.6、0.8和1.0 m）對通風模式的影響．由于上一章節分析得到送風速度和溫度的影響具有規律性，因此本章節只對送風速度u0=1.5 m/s、溫度t0=15 ℃典型工況進行研究．不同截面速度及溫差場分布云圖如圖7和8所示．

由圖7可知，方柱寬度在豎向柱面貼附區影響柱面對送風的保持效果，進而決定著送風轉向進入工作區后空氣湖的速度大小．當柱寬由0.6 m增大到1.0 m時，空氣湖速度大小整體上升了約0.1 m/s；溫度場方面，方柱寬度的改變對室內溫度場分布趨勢的影響很小，對房間溫度數值的影響較大，方柱寬度每增大0.2 m，房間溫度就降低約2 ℃，這主要是因為方柱越寬則送入房間的風量越多、對應冷量越大．

由圖8可知，空氣湖區方面，方柱寬度直接決定著送風進入主流區和交匯區的比例，方柱寬度越大，則主流區控制的范圍越大，柱面曲率的影響也相對減少．

圖7 不同方柱寬度下房間高度方向速度及溫度場分布云圖Fig. 7 Velocity and temperature fields distribution on room height under different square column widths

圖8 不同方柱寬度下空氣湖地面高度速度及溫度場分布云圖Fig. 8 Velocity and temperature fields distribution on air lake under different square column widths

3.3 柱子跨度的影響

方型柱面貼附射流屬于受限射流，柱子跨度對室內流場分布存在一定的影響．圖9和10為原型工況的基礎上，送風速度u0=1.5 m/s、溫度t0=15 ℃的典型工況不同柱子跨度（l= 6.0、9.0和12.0 m）下溫度場和速度場的分布云圖．

由圖9可知，隨著柱子跨度的減小，進入空氣湖的送風速度變小，空氣湖厚度變大，同時送風在柱子對面墻壁上的貼附流動速度也變大，送風有效性降低．因此實際應用時需要根據柱子跨度調整送風速度，柱子跨度較小時應當對應采用較低送風速度；柱子跨度的改變并未影響到房間的豎向溫度分層現象，但是柱子跨度越大對應房間溫度值越高，同時豎向溫度梯度越大，特別是下部工作區．工程設計時應當隨著柱體跨度的增加而選擇較高送風速度和較低送風溫度，以應對室內較大的負荷．

由圖 10可知，柱子跨度的改變不影響空氣湖區流場的分布趨勢，但是柱子跨度越大空氣湖水平向速度梯度越大，空氣湖主流區和交匯區的分界線也越來越明顯．同時，柱子跨度對空氣湖溫度梯度有很大影響，跨度越大水平向溫度梯度越大，這將影響室內人員的熱舒適性．總之，方柱面貼附送風模式所能應對的柱子跨度是有限的，本文研究范圍內該通風模式所能適用的最大柱子跨度為9.0 m．

3.4 回風口位置的影響

回風口位置是影響氣流組織特性的一個因素，在原型工況基礎上，研究回風口距方柱中心由近及遠，即a/(0.5l)=0.25、0.5和1.0時對通風模式的影響．圖11和12為送風速度u0=1.5 m/s、溫度t0=15 ℃典型工況下不同截面的速度及溫差場分布云圖．

圖9 不同柱子跨度下房間高度方向速度及溫度場分布云圖Fig. 9 Velocity and temperature fields distribution on room height under different column spans

圖10 不同柱子跨度下空氣湖地面高度速度及溫度場分布云圖Fig. 10 Velocity and temperature fields distribution on air lake under different column spans

圖11 回風口位置不同時房間高度方向速度及溫度場分布云圖Fig. 11 Velocity and temperature fields distribution on room height under different air outlet locations

圖12 回風口位置不同時空氣湖地面高度速度及溫度場分布云圖Fig. 12 Velocity and temperature fields distribution on air lake under different air outlet locations

由圖11和12可知，回風口位置的改變對房間高度方向速度場幾乎沒有影響，對溫度場的影響也可以忽略不計．對于空氣湖區域來說，速度場和溫度場也沒有發生顯著變化．因此，工程設計時可以根據實際需要，回風口在房間上部靈活布置．

4 結語

采用數值模擬的方法對方型柱面貼附置換通風模式送風原理和影響氣流組織特性的主要因素進行了研究與分析，得到以下結論：

(1) 方型柱面貼附置換通風模式兼具混合通風和置換通風的優點，能夠應用于辦公類建筑，以及地鐵車站、商場等存在量大面廣結構柱體場合大空間建筑的通風空調系統之中．

(2) 送風速度和溫度對通風模式的影響主要在室內速度和溫度場的數值上，而對流場形式影響較小．通過合理的送風參數設置，可以滿足不同的室內環境參數設計要求．

(3) 方柱寬度和柱子跨度對方型柱面貼附置換通風模式的影響也具有規律性，室內環境參數可通過送風速度和溫度來調節．柱體跨度小于9.0 m時，方柱寬度越大，通風效果越好．

(4) 回風口位置對該通風模式影響可忽略，工程應用時可根據安裝需求來布置回風口．

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