基于CFD的會議室內環境的模擬研究

張 媛，賈永博，王鐵權，路 顏

(陜西鐵路工程職業技術學院,陜西 渭南 714000)

現代生活中人在室內所停留的時間接近90%[1-2]，室內環境的好壞直接影響到人們的身心健康，目前在室內設計中主要考慮的是室內環境的溫度[3-5]，通風以及污染物釋放對室內環境的影響，在傳統設計這些因素的研究受到多方面限制，室內的溫度及速度分布規律難以揭示，這也給室內設計工作帶來很大的困難。隨著計算機技術的發展，在此基礎之上發展而來的計算流體力學受到越來越多的關注，隨著各大軟件及模型的完善[6-7]，CFD軟件已經在建筑設計中得到了廣泛的應用。

本文采用FLUENT軟件，在考慮太陽輻射和室內環境之間熱交換的情況下，對辦公室內溫度、速度分布及氣體流動特性進行數值模擬，所得結果以期對室內暖通設計及舒適性改善提供參考價值和科學依據。

1 模型建立

1.1 幾何模型建立

模型選用本校會議室模型，主要包括空調系統的進風口及出口，窗戶為透明玻璃，模型中建立簡易的三維人體幾何模型，采用FLUENT首先對僅考慮太陽輻射計算得到會議室外墻溫度分布，在采用S2S表面輻射模型得到辦公室內部溫度分布。幾何模型如圖1所示，具體參數如下：

1)會議室：幾何尺寸7 m×5 m×3.4 m；

2) 排風口：幾何尺寸0.8 m×0.5 m；

3)進風口：幾何尺寸0.8 m×0.5 m；

4)窗戶：幾何尺寸1.5m×1.2 m；

5)門：幾何尺寸2.7m×1.05 m。

圖1 辦公室三維幾何模型

1.2 網格劃分及參數設定

圖2為模型整體網格劃分圖和室內局部網格劃分圖，本模型采用混合網格，在通風的進出口及門窗采用局部加密的方式，而在室內整體適當減少網格數量從而在保證精確度前提下減小運算量。

圖2 網格劃分圖

Fig.2 The grid division graph

邊界條件：

1)空調進風口速度為2 m/s，溫度為22℃；

2)會議室內人體溫度為36℃；

3)直接太陽輻射為1423W/m2；漫射太陽輻射為200W/m2，光譜分數為0.5；

4)采用西安地區經緯度：經度:108.93 緯度:34.27；

5)時間為6月21號上午十點。

1.3 數學模型

會議室內環境的模擬主要分析溫度及速度的影響，基于的數學方程有：能量守恒方程；質量守恒方程；動量守恒方程，各控制方程如(1)～(3)所示[8-9]，本文主要熱傳導主要受熱包括了對流及輻射兩部分，對于整個傳熱過程遵循能量守恒定律，求解溫度場中同時將輻射傳熱項與傳熱相結合對溫度場進行求解，同時整個過程其動量守恒可基于動量守恒方程對于速度場的變化分布特點進行求解。

(1)能量守恒方程：

(1)

(2)

(3)動量守恒方程：

(3)

式中：P為靜壓；η為流體動力粘度； λ流體導熱系數。

輻射模型選擇DO模型及S2S多表面輻射換熱模型，輻射控制方程為：

(4)

(5)

其中，qout,k為離開表面的總輻射熱流，εk為發射率，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，qin,k為從周圍物體發出的入射輻射熱流。

2 模擬結果分析

2.1 溫度場

圖3 會議室外墻溫度分布圖

圖4 會議室內墻溫度分布圖

圖3、圖4分別為會議室外墻體溫度分布圖及內墻體溫度分布圖，由于會議室外墻主要受太陽輻射的影響，可以看出外墻溫度最高點位于通風口最上方處，為36℃，玻璃處最高溫度為31℃，這主要是由于此處位于太陽直射位置及此位所處外部通風口死角，空氣流動性也比較差共同作用使得此處的溫度明顯高于外墻其他位置。在會議室內墻由于考慮到人體及玻璃等表面輻射作用，溫度的分布相較于外墻發生了明顯的變化，溫度的最高點位于玻璃窗上，為30.4℃，內墻的溫度相對分布比較均勻，最大溫差在10℃左右。

圖5為室內空間溫度分布截面圖，分析中分別截取Z=0.8 m和Y=2.5 m兩個面，由于室內溫度很大程度上受外部太陽輻射影響，而輻射主要通過設置的玻璃窗進行熱量的傳遞，所以在靠近窗戶附近的溫度相比較略微升高，從圖中可以看出整個房間內溫度基本在25℃以下，僅在通風口處溫度比較低，在靠近人體頭部位置溫度基本在22.1～ 23.1℃之間這樣的溫度基本在人體較為舒適的溫度范圍之內。

圖5 室內空間溫度分布截面圖

2.2 速度場

圖6 室內速度分布圖

圖6 、圖7分別為室內速度分布圖及氣體流動軌跡圖，從圖中可以從通風口處流進的氣體流經室內空間上部后在對面頂墻處形成一個回流，然后再循環流動到四周，明顯可以看出在通風口及回流處的人體模型部位氣體流動速度比較快，空氣流動速度基本在0.2 m/s以下，會議室內通風口處及門拐角處風速較低，可適當增加通風口數目來改善此處通風情況。在實際設計時一般需要根據房間空間的大小合理設計通風口的位置，將通風口設置于房間一角應距離人體垂直具體2.5 m以上，可以在有效保證室內空氣流動的充分性同時降低局部位置風速過大，從而避免直接對室內活動人體造成影響。

圖7 室內氣體流動軌跡圖

3 結語

本文采用了數值模擬的方法對西安地區一處會議室進行通風及溫度分析，研究結果可以看出太陽輻射及室內的熱對流都會對室內溫度產生影響。玻璃窗位置，通風口位置也會對室內的溫度及空氣流動產生影響。 本文通過對會議室典型舒適度參數的分析，為實際房屋的設計提供理論依據。