氣幕送風交通指揮臺夏季熱環境CFD模擬

呂潔 呂慧潔 孫成才

沈陽工業大學建筑與土木工程學院

現有室外交通指揮臺以簡易平臺和帶有遮陽的指揮臺居多，僅有少數指揮臺進行了空調設計安裝；夏季炎熱、冬季寒冷且處于粉塵含量較大的交通十字路口，對于交通指揮員無疑造成潛在的身體健康問題。本文所研究的氣幕送風交通指揮臺是將分體空調應用于指揮臺中，并應用了一種新的送風口，即氣幕送風口，意在在人體周圍形成一層看不見的空氣幕，阻擋外界有害氣體的同時向工作人員輸送空調新風。其中，氣幕送風口是根據風幕機的原理而設計的，空氣幕是利用條狀噴口送出具有一定速度、一定溫度和一定厚度的幕狀氣流，用于隔斷其他氣流[1]。為了確定氣幕送風空調的運行參數，以保證輸送的新風既能滿足工作人員的需要又能形成一層透明的隔斷以阻擋外界空氣流場，本文對氣幕送風交通指揮臺的空氣流場進行了CFD三維數值模擬，分析氣幕送風交通指揮臺在送風系統運行情況下周圍空氣流場和溫度場的分布規律，調整影響氣流偏離的運行參數，根據人體舒適性指標提出較為可行的氣幕送風系統的運行方案。

1 材料與方法

1.1 交通指揮臺原型

該交通指揮臺位于沈陽市市區（41.44°N，123.27°E），沈陽市夏季最多風向為SW，夏季室外平均風速2.6 m/s，夏季空氣調節室外計算干球溫度為31.4 ℃。交通指揮臺外圍尺寸為2.5 m×2.5 m×2.7 m，屬于全開放式。氣幕送風風口位于人體頭頂正上方，初步模擬設定氣幕送風風口尺寸為1.56 m×1.56 m，風口寬度為0.02 m。

1.2 幾何模型

1）交通指揮臺模型

模型采用與實際交通指揮臺等比例創建，坐標原點設置在水平地面指揮臺中心位置，以水平地面為XOY平面，豎直向上為Z軸的正方向，為簡化模型，忽略頭頂設備間內的復雜系統，只保留氣幕送風風口。將室外環境設置為20 m×20 m×2.7 m的密閉空間，一側為室外送風入口，其他側為自由出流面。采用非結構化四面體網格，經過網格無關性檢測后，確定最大網格尺寸為50 mm，氣幕送風風口最大網格尺寸為1 mm，送風側面最大網格尺寸為50 mm，人體表面最大網格尺寸為5 mm，網格單元總數量為824573個，三維幾何模型如圖1所示。

圖1 交通指揮臺的幾何模型

2）人體模型

人體自身散發熱量，人的存在對于交通指揮臺空氣流場的模擬有一定的影響，將人體模型與實際人體等比例創建并置于計算模型中，對于準確模擬空氣流場至關重要。本文根據沈陽市成年男子平均身高等比例創建了人體3D模型，考慮到人體的表面細節，如鼻子、眼睛等細小部位在劃分網格時較為困難，同時考慮到這些細小部位對于交通指揮臺空氣流場影響較小，在不影響計算精度的前提下，本研究忽略了這些細小部位，人體3D模型簡化及模型網格如圖2所示。

圖2 人體模型簡化及模型網格

1.3 數學模型

指揮臺空氣流場內氣體的流動要遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律及組分守恒定律[2]。在此次模擬中，不考慮空氣流場中的組分變化，將空氣簡化為不可壓縮牛頓流體、定常流動。

1.4 邊界條件

1）氣幕送風口入口邊界

在模擬過程中，設定氣幕送風口為速度入口（velocity inlet）邊界，送風速度初步設置為5 m/s，此后逐漸增加，送風溫度初步設定為20 ℃，通過計算初步設置湍流強度為3.9%，水力直徑為0.158。

2）室外環境邊界

模擬選定時間為沈陽市夏季13∶00，將室外環境模型一側設置為速度入口（velocity inlet）邊界，室外溫度設置為31.4℃，風速為2 m/s，湍流強度為3.3%，水力直徑為4.7577；其他側設置為自由出流（outflow）邊界，流量比重（flow rate weighting）設置為0.333。

3）人體表面散熱邊界

在模擬過程中，人體屬于熱源，邊界類型設置為壁面（wall）邊界，采用固定溫度法設置表面溫度為31 ℃。

4）其他邊界

將地面、指揮臺表面等均設置為壁面（wall）邊界，采用固定溫度法設置各邊界的表面溫度。因本模擬結構特殊，人體正上面設有2.5 m×2.5 m的遮陽設備，夏季一天之中較熱的時間段內基本不會使陽光直射到人體表面，因此本次模擬暫不考慮太陽輻射相關模型。本次模擬僅考慮了送風風速對人體舒適度的影響，對于溫度的研究還不夠充分；在構建模型時，忽略了人體表面和室外大環境下的諸多影響因素，在模擬結果上存在一定的誤差。

1.5 數值求解

本文采用Fluent 14.0軟件進行數值模擬，在模擬過程中，采用RNG k-ε湍流模型，采用基于有限體積的離散方法，壓力-速度耦合選用SIMPLE算法，動量與湍流動能選用一階迎風格式。收斂條件設置為流動方程相對誤差為10-3，能量方程相對誤差為10-6。

2 結果與分析

2.1 空氣流場和溫度場模擬結果

本文在五組送風參數下，分別對指揮臺的空氣流場和溫度場進行數值模擬，即送風溫度不變時，送風風速分別設置為 5 m/s，6 m/s，7 m/s，8 m/s，9 m/s。通過數值模擬，分別得到不同送風條件下交通指揮臺的速度場和溫度場。以氣幕送風風速為7 m/s的模擬結果為例，x=0截面和z=2.1 m截面（人頭部位置）交通指揮臺空氣速度場和溫度場如圖3～6所示。

圖3 x=0截面空氣流場速度云圖

圖4 x=0截面溫度場云圖

圖5 z=2.1 m截面速度場云圖

圖6 z=2.1 m截面溫度場云圖

2.2 人體周圍環境處理結果

在得到流場分布圖后，分別對人體周圍2 m內流場的各項參數進行處理和分析。以其中一組模擬結果為例，分析結果顯示，當氣幕送風風速為7 m/s，送風溫度為20℃，外界環境大氣壓為標準大氣壓101325 Pa，平均室外風速為2 m/s，溫度為31.4℃時，z=2.1 m高度即人體頭部大約所在平面高度人體周圍2 m范圍內溫度和風速變化如圖7～8所示。根據圖7～8可清楚的看到人體周圍2 m范圍內各點的風速和溫度值，并通過對模擬結果的處理，得到固定范圍內的平均風速和平均溫度，應用于后續對人體舒適性的研究。

圖7 x=0，z=2.1 m人體周圍兩米范圍內空氣溫度變化曲線

圖8 x=0，z=2.1 m人體周圍兩米范圍內空氣流速變化曲線

2.3 人體舒適性分析

本研究所示的交通指揮臺及指揮臺工作人員均處于室外大環境下，沒有設置圍護結構，屬于室外開放式交通指揮臺。目前國內外有關室外環境舒適性的研究比較少，且大多應用現有室內舒適性評價標準，例如PMV和PPD等不適用于室外的穩態環境舒適性評價指標[3]。由于室外氣候復雜多變，非穩態變化程度較強，舒適性問題比室內復雜[4]。因此本文所研究的室外交通指揮臺下的人體舒適性分析不能應用現有室內舒適性評價指標，而應該應用新的舒適區及評價指標。

目前已探明影響人體熱舒適的室外熱環境因素主要包括空氣溫度、太陽輻射、風速和濕度[5]。近年來，國內外大量學者對各地區室外熱舒適進行了實測研究和統計分析，并應用熱感覺投票TSV、熱舒適投票TCV和熱可接受度投票TAV來作為室外熱舒適的評價指標。國內學者皇甫昊等[5]通過對長沙市等眾多典型公共場所進行為期兩年的測試與調查，收集有效樣本8150份，通過一元回歸對TSV、TCV和TAV三者之間的關系進行相互定量化分析，并選取熱感覺投票作為最根本反應主觀熱反應的指標，采用多元線性回歸的方法建立了夏季各環境因素對熱感覺的影響關系模型，如式（1）所示：

式中：TSV為熱感覺投票，采用ASHRAE7點標度，即-3冷，-2涼，-1稍冷，0熱中性，＋1稍暖，＋2暖，＋3熱；Ta為空氣溫度，℃；Ah為絕對濕度，mg/L；Ws為風速，m/s；Tga為黑球溫度與空氣溫度之差，℃。

綜合比較上述研究成果，綜合分析地區和季節因素，本文選用皇甫昊等研究的熱舒適夏季預測模型，即夏季舒適性預測模型作為本文人體舒適性研究的依據，從而選定氣幕送風的各項參數，確定較為可行的空調運行方案。由于該交通指揮臺所處室外環境復雜多變，且本文研究目的在于改善人體的舒適度使其避免因高溫天氣而產生身體不適等問題，因此分析結果使TSV值保持在不大于+2即為符合人體舒適性要求。

以氣幕送風風速為7 m/s，送風溫度為20 ℃，外界環境大氣壓為標準大氣壓101325 Pa，平均室外風速為2 m/s，室外溫度為31.4 ℃條件下的模擬結果為例，應用式（1）進行熱舒適計算。計算結果顯示，在z=1.7 m高度下，人體周圍兩米內平均溫度為28 ℃，平均風速為0.564 m/s，絕對濕度為17.8mg/L，黑球溫度與空氣溫度之差按照2.5 ℃計算得出的TSV約等于1.07；在z=2.1 m高度下，人體周圍兩米內平均溫度為28.6 ℃，平均風速為0.86 m/s，絕對濕度為18.37 mg/L，黑球溫度與空氣溫度之差按照2.5 ℃計算得出的TSV約等于1.13。因此，該條件下心臟水平高度和頭部平均水平高度的熱感覺投票TSV均接近于＋1稍暖的標度，距離暖和熱的標度有較大的距離，說明該氣幕送風參數滿足本次研究的設計要求。

應用上述方法，本研究對五組送風風速條件下的模擬結果進行了舒適性計算，室外條件不變，計算結果如表1所示。

表1 不同送風風速下的TSV值

通過對五組模擬結果的計算和分析，根據本次研究設定的人體舒適性要求，在送風溫度20 ℃情況下，選定最終較為可行的送風風速為不小于7 m/s，在此運行參數下，人體心臟周圍兩米范圍內平均風速不小于0.564 m/s，平均溫度不小于28 ℃；人體頭部兩米范圍內平均風速不小于0.86 m/s，平均溫度不小于28.6 ℃；熱感覺投票TSV值均接近+1稍暖的評價指標，滿足本次設計的要求。

3 結論

本文對氣幕送風交通指揮臺夏季運行條件下空氣流場和溫度場進行了三維數值模擬，并對數值模擬結果進行了后處理和人體舒適性分析，得出以下結論：

1）在沈陽夏季工況條件下，應用氣幕送風交通指揮臺可改善工作人員的舒適度，調節人體周圍的空氣溫度，達到降溫解暑的效果；

2）在室外溫度31.4 ℃，平均風速2 m/s條件下，以氣幕送風溫度20 ℃，送風風速不小于7 m/s作為氣幕送風空調的運行參數可滿足人體對周圍空氣風速和溫度的要求；

3）氣幕送風氣流受到外界環境影響較大，在流動過程中逐漸衰減且偏向室外風速方向，到達人體下肢高度時基本完全偏離人體。