渦流送風室內流場模擬分析

陳麗園 彭小勇 林豹

南華大學土木工程學院

0 引言

隨著人民生活水平的提高、社會經濟水平的發展，人們對室內熱環境要求也越來越高[1]。良好的室內熱環境不僅有益于人們的身心健康，還有助于提高工作效率[2]。通常情況下自然通風舒適性較高，是人們普遍樂于接受的通風方式，但在室外氣象參數不穩定以及室外空氣品質無法保證的情況下，改善空調末端的送風方式不為一種重要的途徑。經研究發現，氣流的波動特性可以提高室內人員的舒適性，其主要表現在增加冷感和室內空氣的新鮮感，自然風主要由自身的非定常特性給人舒適感，氣流的紊流特性對于舒適性送風口的研究也具有重要意義[4]。

針對傳統的送風方式及自然風的特性，本課題將機翼用于送風口，形成一種新的送風方式（渦流送風），當風流過機翼前緣時形成繞流，機翼的上下翼面會產生壓力差，導致流體的橫向流動，與流體相對機翼的縱向移動在脫離機翼后所合成的螺旋狀流動，誘導形成周期性的脫體渦。機翼尾緣產生非定常脫體渦使得尾流內部流動有強非定常性。

1 物理模型及數值模擬方法

本文涉及室內氣流流動屬低速不可壓縮湍流，應用數值模擬方法探討渦流送風口對室內流場特性的影響，其中湍流模型應用Spalatrt-Allmaras 模型，數值方法采用成熟的SIMPLE 算法。

2 機翼繞流流場數值模擬

2.1 物理模型

機翼繞流流場數值仿真計算域見圖1。流場上游來流0.05 m，下游尾流1 m，距離上下邊界各0.12 m，距離左右邊界各0.15 m，機翼展長0.1 m，弦長0.03 m，計算區域1.05 m×0.22 m×0.4 m。圖2 為機翼導流板，左側為導流板前緣，右側為導流板后緣。

圖1 物理模型

圖2 機翼導流板

2.2 計算模擬分析

1）邊界條件

設置入口為速度入口（Velocity-inlet），速度為5 m/s；出口為自由出流（Outflow）；上下壁面為無滑移固壁（Wall）；左右壁面為對稱面（Symmetry）。

2）網格劃分

本文采用ICEM 進行網格劃分。為了更準確得出氣流經過翼片后的流態變化，對風口翼片周圍的網格進行了加密處理，其余部分網格以機翼為中心向各個方向以一定的增長率逐漸稀疏，全部網格都采用六面體結構化網格（圖3）。翼型導流板及周圍網格劃分采取了C 型網格、O 型剖分和Y 型剖分結合的處理方式，如圖4 所示。

圖3 機翼繞流網格

圖4 翼型導流板周圍塊劃分

3）結果分析

機翼繞流流線見圖5，在翼型導流板展向兩側氣流被誘導成兩個方向相反、對稱的脫體渦街。圖6 為渦街在YZ 面上的投影，從圖中可以看出流經機翼導流板的氣流以螺旋的形式向下游擴散且中心速度沿下游方向逐漸減小，整個渦街影響范圍在逐漸增大。

圖5 機翼繞流流線

圖6 機翼繞流流線YZ 面投影

4）網格無關系性驗證

網格疏密度會對數值計算結果產生很大影響，但并不是網格越密、數量越多越好，這樣會消耗大量的計算成本，并且當網格數增加到一定量時，對模擬計算結果影響就很小了，排除了網格數量對計算結果的影響，這時數值模擬結果才有意義。本文選取了三套不同網格數量及最小尺寸的網格進行網格無關性驗證，網格具體信息如表1 所示。

表1 網格信息

取機翼后緣處，取X=0.1，Z=0.1，Y=0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35 五個點，以X 和Y 方向的速度為比較依據，以此來判斷網格數量對模擬結果的影響大小。如圖7、8 所示為不同網格數量X 方向速度分布圖，從圖中可以看出三者結果基本一致，最大誤差為4.6%，因此可以忽略網格疏密度及數量對數值模擬計算結果的影響。為了節約計算成本，本研究之后的網格劃分最小尺寸取0.00075 m。

圖7 X 方向速度分布圖

圖8 Y 方向速度分布圖

3 渦流送風室內流場數值模擬

3.1 物理模型

室內渦流送風物理模型見圖9，該模型尺寸為3 m×2.6 m×2.8 m（長×寬×高），送風口尺寸為0.7 m×0.2 m×0.4 m，回風口尺寸為0.9 m×0.2 m，導流板展長0.3 m，弦長為0.03 和0.08 米兩種情況。送風口距離室內頂部0.5 m，回風口距離地面0.3 m，導流板位于送風口末端。

圖9 物理模型

3.2 邊界條件及網格劃分

1）邊界條件：風口上下壁面及房間所有壁面均設置為無滑移固壁（Wall）；風口左右壁面均設置為對稱面（Symmetry）；進風口設置為速度入口（Velocity-inlet），風速大小為3 m/s；回風口設置為壓力出口（Pressure-outlet）。設置送風速度為3 m/s；導流片角度與水平線夾角為-30°。

2）網格劃分：運用ICEM 進行網格劃分。對風口翼片周圍的網格進行了加密處理，其余部分網格以機翼為中心向各個方向以一定的增長率逐漸稀疏，全部網格都采用六面體結構化網格，見圖10。

圖10 渦流送風室內流場網格

3.3 結果分析

根據《民用建筑采暖通風與空氣調節設計規范》舒適性空氣調節室內風速夏季位0.3 m/s，冬季則小于0.2 m/s[5]。取室內人員長期停留及活動區域內風速小于0.3 m/s 的區域為風速舒適區。本文采取控制變量法進行研究，據《民用建筑室內熱舒適評價標準》人坐姿時吹風感測點位置為距地1.1 m，站姿時距地1.7 m。

導流片弦長Z 方向速度等值線云圖如圖11 所示。從圖中我們可以看出，靠近墻壁區域風速較大，位于房間中間部位的風速較小。Z=1.1 m 的平面平均風速為0.365 m/s，在右側墻壁附近由于貼壁流出現高速區，最大速度為0.939 m/s，舒適區占整個區域面積的45%。Z=1.7 m 的平面平均風速為0.397 m/s，墻壁附近最大速度為0.844 m/s，舒適區占比為38%。

圖11 Z 方向不同高度的速度等值線云圖

圖12 為不同速度大小的速度等值面圖，從圖中可以看出當速度大于0.8 m/s 的分布區域很小且規整，僅在距送風口一段距離、靠近墻面和回風口附近很小的范圍。當速度小于0.5 m/s 時，由于室內流場受到四周墻壁以及回流的影響，使得速度等值面呈現不規則的分布，但所占區域較大。室內平均風速為0.473 m/s，最大風速5.6 m/s，最大風速僅在機翼導流板上下壁面附近。

圖12 室內速度等值面云圖

Y 方向速度流線圖如圖13 所示，從圖中可以看出Y 方向上沒有風口的范圍內只有一個大回流區，有風口的范圍內有兩個回流區，回流中心右側壁面的位置，送風口附近和靠近壁面的風速較高。

圖13 Y 方向速度流線圖

圖14 為X 方向的速度流線圖，從圖中可以看出渦街的大致發展狀況，整個渦街受到房間頂部的影響并沒有發展完全。沿X 方向渦從小逐漸增大，影響范圍也越來越來大，但能量在衰減。大約在X=1.5 m 的位置，由于Y 方向回流及四周墻壁的影響使得渦向四周擴散，直到消失。

圖14 X 方向速度流線圖

4 結論

1）導流板兩側出現兩個對稱誘導渦街且向遠離送風口方向發展，受四周墻壁及回流影響渦街沿該方向逐漸衰弱直至消失。

2）室內平均風速為0.473 m/s；當Z=1.1 m 時，平面平均風速為0.365 m/s，舒適區占比45%；當Z=1.7 m時，平面平均風速為0.397 m/s，舒適區占比38%。

3）靠近墻壁位置的風速較大，出于熱舒適性考慮，工作區域應距墻壁有一定距離。