基于fluent軟件的地下室置換通風及換熱數(shù)值模擬綜述

曹朱款冰

摘 要 為了給地下室工作人員提供一個舒適的工作環(huán)境，保證地下工作有效進行，有必要向地下室通入適宜溫度和速度的空氣。本文主要分析溫度、速度對地下室工作環(huán)境的影響，采用gambit軟件建立六面體結構化網(wǎng)格，以能量方程和標準k-e方程為基礎，運用fluent軟件對氣流在地下室的置換通風換熱進行模擬，選取y=2.5，z=0兩個等值面觀察溫度和速度分布情況。結果表明：當送風速度取0.1或0.25m/s時，在兩個等值面都沒有出現(xiàn)速度急劇增大的現(xiàn)象，說明置換通風送風速度取0.1～0.25m/s可行。而且當送風溫度取45攝氏度時，出現(xiàn)了較明顯的氣流回升現(xiàn)象，即送風溫度越大，浮升力影響越大。

關鍵詞 fluent；地下室；置換通風；換熱；數(shù)值模擬

The numerical simulation of the displacement ventilation and heat transfer in the basement based on fluent software

Abstract In order to provide staff in the basement with a comfortable working condition and ensure the underground work can progress effectively，it is necessary for air with proper temperature and velocity to be transported into the basement. The thesis mainly analyzes the effect brought by temperature and velocity on the working condition in the basement. Structured hexahedral mesh is established by using gambit software. Based on energy equation and standard k-e equation， the simulation of displacement ventilation and heat transfer in the basement is performed by using fluent software. Two ISO-surfaces（y=2.5， z=0） have been chosen to observe the temperature and velocity distribution. The results suggest that when the air supply velocity is 0.1m/s or 0.25m/s， the phenomenon that velocity increases violently doesnt occur on both ISO-surfaces， which indicates that it is feasible/OK that the air supply velocity ranges from 0.1～0.25m/s. Besides， when the air supply temperature is 45 degrees， the airflow rebound phenomenon is more obvious， that is， the bigger the air supply temperature， the greater the influence brought by the buoyancy lift.

Key words Fluent； Basement； Displacement ventilation； Heat transfer； Numerical simulation

前言

隨著各地區(qū)人口的不斷增加，所占用的土地資源逐漸增多，室外大氣環(huán)境愈加難以保證，使得部分人不得不選擇在地下室工作。對地下室的工作環(huán)境要求越來越高[1]。但隨著在地下室工作的人數(shù)增多，會產生的二氧化碳會逐漸增多，由于二氧化碳是溫室氣體，積聚得過多會使地下室內溫度過高，產生熱不舒適感；加上如果通入至人員呼吸區(qū)的氣流速度過大（送風速度過大），會使人產生強烈的吹風感[2]。這同樣會嚴重影響地下室工作人員的工作進度，所以需要控制好送風速度和送風溫度從而保證地下室人員工作的舒適度。良好的通風和換熱條件有助于保證適宜的地下工作環(huán)境，能使工作人員的生命安全得到保障。為了保證地下室良好工作環(huán)境，不僅要確定好送風溫度和送風速度，還要考慮選取合理的通風方式。與混合通風相比，采用置換通風方式能夠保證地下室較高的熱舒適性、空氣品質、合理的送風速度，進而可以保證良好的通風效率[3]。當下，在研究地下室內速度分布和溫度分布方面，多數(shù)學者用穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬[4]。

為了全面分析溫度、速度對地下室工作環(huán)境的影響，且鑒于目前置換通風主要應用于辦公室、體育建筑、工業(yè)建筑等，而在地下室的應用未見報道[5]。本文通過fluent軟件采用穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法代替實驗方法，對地下室速度分布和溫度分布進行分析。

1 模型對象概述

本文采用西安某地區(qū)的地下室為研究對象，此地下室尺寸為長*寬*高=30m*5m*20m，除了速度入口和自由流出口外，地下室周圍都是壁面，壁厚為0.2m。有一個西外墻，入口位于西外墻側，尺寸為長*高=0.4m*0.4m，有一個東外墻，自由流出口位于東外墻側，尺寸為寬*高=0.5m*0.5m，頂部壁面與地下室內部空氣直接接觸，無絕熱壁面。通風壁面尺寸為長*寬*高=30m*0.5m*0.5m，通風壁面處有三個尺寸相同的通風口，通風口尺寸與送風口尺寸一樣。上述的長是指x方向，寬指y方向，高指z方向。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 物理模型的簡化假設

地下室內空氣流場為三維湍流流場，為了準確分析模擬結果，特做出以下假設：

（1）地下室內流動的空氣視為理想且不可壓縮氣體；

（2）流動的空氣物性為常數(shù)[6]；

（3）地下室內部沒有濕傳遞；

（4）空氣的流動狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)、湍流；

（5）送入地下室內的冷風量足夠；

（6）送風口處輸送的冷空氣溫度較地下室工作溫度低但相差不大；

（7）地下室周圍壁面與空氣存在對流熱交換；

（8）通入地下室內的氣流速度不高，湍流程度小；

（9）地下室內輻射換熱不計；

（10）地下室內無其他氣流組織[7]；

2.2 物理模型及邊界條件設定

就上述30m*5m*20m的地下室而言，入口設為速度入口邊界條件，并在進口處設置等溫條件；由于出口速度和壓力未知，出口設為自由流出口；除速度入口和自由流出口外，周圍都設為壁面邊界條件。其中除了底面和通風壁面設為等溫邊界條件外，其余壁面都設為對流邊界條件。外界自由溫度為20攝氏度。

2.3 數(shù)學模型

由于涉及氣流在地下室內的流動換熱問題，所以此處空氣流動遵循動量守恒和能量守恒方程。又因為此處假設空氣為理想不可壓縮流體，故連續(xù)性方程也是滿足的。由于是完全湍流問題，不存在層流區(qū)及層流到湍流的過渡，故采用標準k-e模型、標準壁面函數(shù)[8].另需求解輸運方程。

（1）連續(xù)性方程

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能產生項；Gb是由于浮力引起的湍動能產生項；YM代表可壓縮湍流中脈動擴張的貢獻；C1ε、C2ε、C3ε是經(jīng)驗常數(shù)；ɑk、ɑε分別表示湍動能和耗散率對應的Prandtl數(shù)；Sk、Sε是源項。

3 模擬結果分析

首先保持送風速度，送風溫度不變，進行速度場和溫度場的模擬，即分析在穩(wěn)態(tài)情況下地下室內氣流的速度分布和溫度分布，取送風溫度為30攝氏度，送風速度為0.1m/s。本文采用的求解器為默認設置，即壓力基、絕對速度；由于采用壓力基求解器，所用的格式只能為隱式格式。本文采用的湍流模型為標準k-e模型，相應的壁面函數(shù)為標準壁面函數(shù)，算法采用SIMPLE算法。

在采用三維模型進行模擬時，必須要創(chuàng)建內部面才能查看計算結果[9]。此處創(chuàng)建z=0，y=2.5的等值面進行察看，并且建立（0，2.5，0）、（30，2.5，0）的線段，察看此線段的散點圖。從tecplot后處理軟件畫出的等值線和云圖混合圖如下

由上面的云圖、等值線圖和散點圖可看出，z=0截面截過通風壁面，從z=0截面的溫度分布云圖可以看出，最左上角送風口處溫度最高，從最左上角一直到三個通風口處溫度逐步降低，由于采用置換通風方式，進風口處氣流的溫度較工作區(qū)溫度低，而且溫度較高的氣流會向上流動。此處氣流經(jīng)過三個通風口處依次向下流動，故溫度降低。氣流在經(jīng)過三個通風口向下流動時將z=0截面分為四個區(qū)域，其中從最左側到第一個通風口所在區(qū)域溫度最低，約為293K。在氣流從三個通風口逐步下降的過程中，溫度降低幅度不大，溫度梯度較小，故熱量交換不夠強烈。

從z=0截面的速度分布云圖來看，與其溫度云圖類似，還是最左上方送風口處速度最大，約為0.1m/s，氣流從左上方橫向經(jīng)過三個通風口時速度逐漸降低。由于置換通風送風速度較低，動量較小，故湍流強度較低。氣流從三個通風口向下流動時，速度降低幅度不超過0.05m/s。雖然速度變化較小、動量交換不強，但是從速度云圖可以看出，分成的四個區(qū)域中沒有氣流流動，即氣流流動速度為0，產生了動量損失。當氣流流到此截面最下端時，都斜向右流動，直至氣流流動到最底端也未發(fā)生摻混現(xiàn)象。氣流每經(jīng)過一個通風口都會出現(xiàn)分流情況，除了經(jīng)過每個通風口向下流動之外，在橫向，氣流從一個通風口流向另一個通風口時，中間行程中速度保持均勻，直到到達另一個通風口時，速度才會減少。

從y=2.5截面速度分布云圖來看，由于置換通風的送風速度較低，動量交換弱，所以截面各點速度近乎保持均勻，相差不大，不會使人體產生強烈的吹風感。中間的三個小渦處速度較高，三個小渦處的速度由外到內均勻增大，逐步增加0.005m/s，在渦核處速度最高。第一個渦的渦核處速度為0.035m/s，第二個渦的渦核處速度為0.03m/s， 第三個渦的渦核處速度為0.025m/s，氣流從送風口到三個小渦處速度會發(fā)生小幅的降低，離出風口越近，產生的渦層數(shù)越多，渦核處速度越高，動量交換越強烈；離出風口越遠，產生的渦層數(shù)越少，動量交換越弱。渦的周圍速度較低，第一個渦的周圍速度為0.005m/s，第二個渦和第三個渦周圍沒有流線，速度為0

分析y=2.5截面溫度分布云圖可知，溫度線相對速度線分布比較密集，說明熱量交換較動量交換強烈。渦和渦的周圍溫度相差不大，但是三個渦的周圍溫度較低，氣流在經(jīng)過第一個渦之前，溫度基本保持均勻，熱量交換弱。在第一個渦附近溫度為294.5K，在先不考慮三個渦處的溫度分布，而只考慮渦周圍溫度分布的情況下，離第一個渦越遠，溫度越低；從第二個渦開始，每經(jīng)過一個渦，溫度均勻降低，溫度下降0.5K，當氣流徹底遠離第三個渦時，溫度更低，降至293.5K。三個渦處的溫度較其周圍的溫度要高，且每個渦由外向內溫度均勻升高，上升幅度0.5K，在渦核處溫度最高。前兩個渦的渦核處溫度為296.5K，第三個渦的渦核處溫度為296K。三個渦處熱量交換強度基本一致，與距送風口的遠近無關。

從上面z=0截面處的流線圖可看出：由于冷空氣較重，有向下流動的趨勢，所以此截面底部冷空氣密度大，流線相對較密集，不過從各個通風口流到底部的冷空氣溫度差別不大，熱量交換較弱。氣流從第二個通風口流向底端時發(fā)生了摻混現(xiàn)象，雖然氣流有回升，但是回升現(xiàn)象不明顯，說明浮升力影響較小。

從線段line15的速度散點圖可看出，速度大小呈連續(xù)變化，未出現(xiàn)階躍現(xiàn)象，說明動量和能量一樣，不會突然增大或減小。在位置0-5m和11-15m處，速度基本保持不變，大小接近于0，說明此處動量交換很微弱；整體來看，速度出現(xiàn)了三次波動，且位置越遠，波動幅度越大，速度變化越大，動量交換越強，湍流強度越高。從位置x=5m處速度開始增長，到大約x=8m位置處，出現(xiàn)了一個速度極大值，約為0.0275m/s，然后到大約x=11m處速度逐步下降。由x=5m到x=8m及x=8m到x=11m處速度變化幅度基本相同，動量交換強度基本一樣。從x=15m處速度又開始逐步增加，直到大約x=17m處出現(xiàn)了第二個速度極大值，大約為0.035m/s。這段時間內的速度變化率要比x=5m到x=8m區(qū)間要大，速度變化更快，動量交換更強烈，接著速度值又開始下降直到x=18m，從x=8m到x=11m和x=17m到x=18m雖然速度變化幅度基本一致，但是后者位置變化小，說明后者動量交換更強烈；從x=25m處開始不斷增長直到約x=26m的位置，這時速度達到了最大值約為0.0425 m/s，在這一段區(qū)間內速度變化最快，動量交換最強烈。在特征長度和空氣物性參數(shù)保持不變的情況下，雷諾數(shù)達到最大，湍流強度達到最高。在x=26m位置之后，速度先快速下降然后平緩下降，直到x=30m處速度為零。

觀察線段line15的溫度分布圖，從位置x=0處到約x=2.5m處溫度平緩增加，熱量交換微弱；x=2.5m到x=5m及x=10m到約x=14m溫度基本保持均勻，這兩段區(qū)間內幾乎不發(fā)生熱量交換。而在約x=6m到x=10m位置處，溫度變化較大，熱量交換變強，在約x=8m處出現(xiàn)第一個溫度極大值，約為23攝氏度。在x=25m到約x=26m處也是如此，此段區(qū)間內出現(xiàn)了另一個溫度極大值。在x=15m到約x=17.5m位置處出現(xiàn)了溫度最大值，約為23.75攝氏度，其余區(qū)間段溫度變化較平緩。換熱強度較低，但是這條線段上的所有點均比送風溫度低，而根據(jù)置換通風熱輕冷重的原理，溫度較低的空氣都向下流動，也可以說位置越低，空氣溫度越低，故這條線段低于送風口。

再保持送風溫度不變，將送風速度改為0.25m/s，從tecplot后處理軟件得到的y=2.5，z=0截面速度等值線和云圖混合圖如下：

從y=2.5截面速度分布圖可以看出，與送風速度為0.1m/s相似，除了三個小渦處之外，周圍速度分布比較均勻，約為0.0125m/s，可以認為沒有動量交換，而且周圍速度小于三個小渦處的速度。在三個小渦處有較密集的速度線，說明三個小渦處有較強的動量交換。觀察三個小渦由外到內速度均勻增加，在渦核處速度最大，這與送風速度為0.1m/s時的規(guī)律相似，第一個渦的渦核處的速度為0.1m/s，第二個渦的渦核處的速度為0.075m/s，第三個渦的渦核處的速度為0.0625m/s。經(jīng)發(fā)現(xiàn)，三個渦的最外層速度都為0.0125m/s， 第一個渦的渦核處速度和最外層速度相差最大，且第一個渦的渦層數(shù)最多。故渦層數(shù)越多，速度差越大，動量交換越強烈。

觀察z=0截面可以得出，送風口處速度最大，氣流每過一個通風口發(fā)生分流，且速度降低，離送風口越遠，通風口處速度越低。由于冷空氣密度較大，氣流會向下流動。氣流從每個通風口向下流動時速度均勻減小，三個通風口處下降的氣流彼此不發(fā)生摻混。由于氣流從三個通風口下降的過程中速度發(fā)生了變化，即發(fā)生了動量交換，最后速度都變?yōu)?.0125m/s。從橫向來看，從送風口到第一個通風口以及從一個通風口到另一個通風口前速度保持均勻，只是在分流處發(fā)生動量交換。從三個通風口可看出，第一個通風口處速度較其他兩個通風口處速度大，故第一個通風口處下降的氣流動量交換最強烈，第三個通風口處速度最低，說明距送風口越遠，動量損失越大。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，送風速度為0.1m/s與送風速度為0.25m/s的兩截面速度分布規(guī)律相似，y=2.5截面速度分布比較均勻；z=0截面通風口處速度變化都比較均勻，由于冷空氣比較重，所以會向下流動，向下流動時未出現(xiàn)中途回升現(xiàn)象。當送風速度取0.25m/s時，在y=2.5截面三個渦處的速度變化較大，故送風速度越大，動量交換越強。但即便有較強的動量交換，也沒有出現(xiàn)在某一處速度急劇增加的情況，故置換通風送風速度取0.1-0.25m/s內都是可行的。

接著保持送風速度0.1m/s不變，改變送風溫度至45攝氏度，用tecplot軟件得到的y=2.5和z=0截面溫度分布圖如下：

從y=2.5截面溫度分布圖可以看出，在三個小渦處的溫度要比其周圍的溫度要高，且距離送風口較遠的渦的周圍溫度較高，離送風口越近，周圍氣流的溫度越低。故從左向右看，第三個渦周圍溫度最低，約為294.25K，第二個渦周圍溫度次之，且離第二個渦越近，周圍溫度越高，距第二個渦較近的周圍溫度為296.75K，第一個渦周圍溫度最高，約298K。觀察整個截面圖可以看出：自左向右，前兩個渦周圍溫度線分布較密集，第三個渦周圍溫度線分布較稀疏，故前兩個渦周圍溫度較高，且氣流每經(jīng)過一個渦溫度逐步均勻降低。這三個渦呈層狀分布，由外向內溫度逐步均勻增加，每過一層溫度都增加1.25K，在渦核處溫度最高，第一個渦的渦核處溫度為301.75K，第二個渦的渦核處溫度為303K，第三個渦的渦核處溫度為299.25K?？梢酝ㄟ^渦的渦核處溫度和最外側溫度差的大小來判斷三個渦處熱量交換的強度，這三個渦的渦核處溫度和最外側溫度差近乎一致，可以認為這三個渦的熱量交換強度是一樣的，由于三個渦處溫度線分布較密集，所以換熱強度高。第三個渦之后的區(qū)域各點溫度恒定為293K，可以認為無熱量交換。

由z=0截面溫度分布圖可知，送風口處溫度最高為318K。從橫向看，自送風口到第一個通風口且自一個通風口到另一個通風口之前，溫度保持均勻，只有在氣流分流處溫度才發(fā)生變化，離送風口越遠，通風口處溫度越低。由于冷空氣較重，故經(jīng)過通風口時有向下流動的趨勢。氣流從通風口下降的過程中，溫度逐步均勻降低。當下降到最底端時，溫度達到了最低。

從上面的流線圖可以看出，經(jīng)過第一個通風口下降的氣流出現(xiàn)了回升現(xiàn)象，上升至第二個通風口處與其氣流發(fā)生了摻混，從第二個通風口下降后回升的氣流與從第三個通風口下降后左側回升氣流發(fā)生了接觸，從第三個通風口下降后右側回升的氣流回升到了第三個通風口，發(fā)生了輕微摻混現(xiàn)象。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，送風溫度為30攝氏度和送風溫度為45攝氏度時溫度分布規(guī)律相似，在y=2.5截面上三個渦處熱量交換較為劇烈，渦的周圍溫度較低，在三個渦處由外到內溫度逐步均勻升高，只是當送風溫度為45攝氏度時，三個渦處的溫度變化較大，渦核處溫度較高。在z=0截面上都存在分流現(xiàn)象，氣流從通風口下降的過程中，溫度都是均勻降低的。而且橫向看氣流在每經(jīng)過一個通風口前溫度保持均勻，在分流處溫度降低，當送風溫度為45攝氏度時出現(xiàn)了較為明顯的氣流回升現(xiàn)象。說明送風溫度越高，浮升力影響越大。

4 結束語

（1）采用置換通風方式選用的送風速度低，紊流度小，不會出現(xiàn)速度過大或紊流度過大而造成的強烈吹風感，采用置換通風時，適當?shù)乃惋L溫度可以保證人體的熱舒適。

（2）保持送風溫度不變，當送風速度取0.1和0.25m/s時，y=2.5和z=0兩截面的速度分布規(guī)律類似，冷空氣從通風口經(jīng)過時發(fā)生分流，從通風口向下流動的氣流同時斜向右流動，彼此互不摻混。在y=2.5截面上三個小渦的周圍速度分布較均勻。然而當送風速度取0.25m/s時，在y=2.5截面上的三個小渦處速度變化較大，動量交換較劇烈。

（3）雖然y=2.5截面處動量交換較強，但是送風速度取0.1m/s和0.25m/s時都未出現(xiàn)速度急劇增大的情況，故置換通風速度取0.1-0.25m/s都可行。

（4）保持送風速度不變，當送風溫度取30攝氏度和45攝氏度時，y=2.5和z=0兩截面溫度變化規(guī)律類似，但是送風溫度為45攝氏度時，在y=2.5截面上三個小渦處溫度變化較大，可得出： 溫度越高，熱量交換越劇烈。同時觀察z=0截面氣流流線圖可知，兩種送風溫度下都出現(xiàn)了摻混現(xiàn)象，當送風溫度取45攝氏度時回升現(xiàn)象較明顯，所以送風溫度越高，浮升力影響越大。送風溫度越高，向下流動的冷空氣量越少，地下室積聚的熱量越不容易帶走，人員舒適性越難以保證。故取較低的送風溫度30攝氏度較適宜。

（5）從z=0截面氣流流線圖可看出，當送風溫度取30攝氏度和45攝氏度時，雖然在截面底部空氣的溫差不大，熱量交換不強，但是積聚的冷空氣量多。

（6）利用tecplot軟件可以很直觀地看出某截面的溫度、速度值，從而容易判斷某截面的溫度和速度變化規(guī)律。

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