利用CFD軟件優化設計時邊界條件的選擇分析

嚴樂 郭愛賓 鄧全亮 高維嘉

北京可視化智能科技股份有限公司

0 引言

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件可有效地模擬計算流體的特性。由于其含有豐富的計算模型，能適應較多場合，被越來越多地應用到室外風場模擬、暖通空調系統的深化設計中，是建筑設計階段的有力工具[1-5]。然而在利用CFD軟件進行深化設計時，邊界條件的確定至關重要，它直接影響了計算結果的合理性和準確性。

本文以北京某公司總部大樓的多個相連通的大廳為算例，首先，根據建筑的物理參數、夏季基礎空調設計參數、夏季空調系統設計方案等，選取所要研究的物理模型及數學計算模型，借助CFD-FLUENT軟件對空調系統設計方案溫度分布、速度分布及熱舒適性進行三維數值模擬研究。研究探討了不同邊界條件對氣流組織設計方案的結果影響，分析優選出較為完善方案并將其應用到實際工程中，然后，對所研究的高大空間會議廳進行現場實際測試，并將完善后的氣流組織模擬所得結果與實際測試結果作對比驗證，以期為實際暖通空調的深化設計提供邊界條件的選擇參考方法。

1 物理及數值模型

1.1 物理模型

本文以北京某公司總部大樓的多個相連通的大廳為算例（圖1），該連通大廳由3部分組成，即南廳、東北廳和西北廳，南廳由1層起，東北廳地下1層起，西北廳2層起，南廳和東北廳在1層相通，東北廳和西北廳在2層通過2組連廊相通。計算對象為此三部分大廳連通形成的內部空調空間，該空調空間南北向最大尺寸為即90 m，東西向最大尺寸為58 m，高度方向最大尺寸為25 m。三個大廳頂部分別設有1組天窗。

圖1 多連通大廳物理模型圖

表1 多連通大廳6組送風口參數

從空調設計角度，根據前期冷負荷計算，該空間共設置6個回風口、6組送風口，這6組送風口的參數見表1：第一組設置在南廳南半部分（hall-downward），其頂部在每隔2m布置有55個20cm口徑的圓形射流風口；第二組設置在南廳的北側墻面，為側送風口（2F-sidewall1），共15個；第三組設置在南廳和東北廳連通的1樓頂部（1F-downward），每隔2m布置有22個20cm口徑的圓形射流風口；第四組設置在東北廳和西北廳的2組連廊底部（CB-downward），共14個；第五組設置在2組連廊側面（CB-sidewall），共28個；第六組設置在西北廳的西側墻面（2F-sidewall2），共21個。

1.2 計算模型

本算例中的數學模型模擬計算采用k-ε兩方程紊流模型。在夏季，通過該大廳頂部的三組天窗的輻射傳熱和導熱形成的冷負荷為主要組成部分，CFD-Fluent軟件提供了四種不同的熱輻射模型（表2），本算例選取DO模型，以得到更準確的計算結果。

表2 四種熱輻射模型特點

表3 物理參數

表4 天窗熱物性參數

本算例計算夏至日室內的空氣情況，在采用DO模型進行計算時，需要算例所處地點時間的太陽輻射照度、角度、經緯度及時區等，本算例位于北京，夏至日時外界參數如表3所示。

2 不同邊界條件的分析

2.1 邊界條件1

送風18℃，連廊向下風口45°角對吹，回風自由出流，該廳四周房間為空調區域，故模擬計算時為絕熱條件，南廳南墻和北廳北墻選擇建筑設計節能規范中的墻壁厚度和傳熱系數，計算結果如圖2～6所示，可以看出，南廳距地面1.5 m高度速度場較為合理，但東北廳相距地面1.5 m高處的速度分布不均勻，并且局部過大，會有不適感。從溫度場來看，東北廳連廊處溫度較高。

圖2 南廳1.5 m高處速度場

圖3 東北廳B1層-4.5 m高處速度場

圖4 東北廳連廊處剖面速度矢量圖

圖5 1.5 m高處溫度場

圖6 東北廳連廊處剖面溫度場

2.2 邊界條件2

與邊界條件1相比，邊界條件2中，所有結構參數參考節能規范，南、北墻為玻璃幕墻，加載人員發熱量，使得邊界條件的選取更接近實際，并且為了解決case1中溫度速度不均的問題，調整連橋處送風方向為45°相背向外，圖7～11為計算結果。

圖7 南側玻璃幕墻加載前后南廳地面溫度對比

圖8 連廊送風角度調整前后大廳剖面度度場對比

圖9 西北廳剖面速度場

圖10 大廳剖面溫度場

圖11 三個廳相對高度1.5m溫度場

從圖7中可以看出，當南墻改為玻璃幕墻后，南廳近玻璃幕墻且為太陽投射地面處溫度明顯有所升高，廳內人員活動區域溫度分布較為均勻但稍高；圖8對比了連廊送風角度調整前后大廳剖面度度場，可看出，調整送風角度向外后人員活動空間速度分布更為均勻合理，并且從圖9可看出西北廳剖面速度場也較為合理；圖10為東北廳、西北廳兩廳東西向大廳剖面溫度場，人員活動空間溫度在26～29℃，整體剖面溫度分層現象明顯；圖11位三個廳相對高度1.5 m處的溫度場，為20～29℃，平均溫度26℃，在可接受的范圍之內。

3 實測驗證

2016年7月，也是算例中總部大樓運行第一年，本文筆者組織測試人員對該大連通大廳進行了溫度的實測（邊界條件與case2相同，對應圖11，約每隔10 m見方，共選擇50個溫度實測點，實測與計算結果對比如圖12），結果表明，溫度的實測結果和計算結果吻合度較高，說明了邊界條件選擇準確時，模擬計算結果的準確性更高。

圖12 實測與計算的溫度對比圖

4 結論

1）CFD中熱輻射模型的DO模型對小尺度到大尺度輻射計算都適用，且可計算非－灰度輻射和散射效應，現今的計算機能力可以適應稍微大的計算量。在計算時，需要的參數較多，但參數選擇準確時，計算結果也更為準確；

2）通過對本工程夏季空調工況下實測值和數值模擬數值的對比分析，可以驗證CFD數值模擬技術的可靠性，并證明CFD Fluent軟件能夠為高大空間類建筑空調系統優化方案設計、預測氣流組織分布、評價熱舒適指標等。

3）一個良好的氣流組織和送風的角度密不可分，本文通過對不同送風角度的氣流組織型式進行數值模擬并定性分析，選定比較合理的氣流組織方案，為實際工程設計提供有利參考；

4）通過兩種邊界條件的計算對比，可看出在利用CFD Fluent軟件進行深化設計時，邊界條件的選擇一定要越接近實際越好，越可以準確輔助設計人員進行空調的優化設計。本算例提供的一系列參數可以為實際暖通空調的深化設計提供邊界條件的選擇參考。可以預測，在實際運行中，基于CFD Fluent軟件和準確的邊界條件的加載，能夠更好地預測空調運行狀態對空間舒適度的改變，以指導系統更合理、更節能運行。