基于正交試驗的新型空氣幕數(shù)值模擬研究

曹冬冬，王 鏑，韓 悅，初高明

（吉林省建苑設計集團有限公司，吉林 長春 130011）

0 引言

在嚴寒地區(qū)為了保證室內(nèi)的溫度，公共建筑大門經(jīng)常設有防寒門斗，為了抵抗室外冷風滲透，在防寒門斗內(nèi)部又會設有上送式空氣幕。在生產(chǎn)和生活中，不同種類的空氣幕使用范圍廣泛，設置場景多元，因此對空氣幕的創(chuàng)新性研究至關重要。以長春市某實際防寒門斗為物理模型，根據(jù)空氣幕的射流出口和回風位置的不同，創(chuàng)新的提出了3種空氣幕安裝形式[1]。利用數(shù)值模擬的方法，模擬不同的設計參數(shù)對3種空氣幕安裝形式下的空氣幕效率的影響并進行對比分析，以期得到最佳的空氣幕運行工況組合。

影響空氣幕運行性能的主要設計參數(shù)有：空氣幕的射程、射流速度、噴口寬度及射流角度等[2]。2017年，孫策等[3]利用Airpak模擬了某設置空氣幕的購物中心冬季入口熱環(huán)境，最終得到空氣幕的使用可以顯著改善購物中心入口熱環(huán)境，發(fā)現(xiàn)室外風速是影響入口熱環(huán)境的主要因素。因此為了更加全面的研究公共建筑大門空氣幕的運行性能，將室外橫向風速也作為影響因素進行研究。對公共建筑大門的研究需要考慮的因素種類較多，各因素的影響水平也各不相同，很難將所有工況進行全面研究。為解決多因素、多水平的研究問題，引入正交試驗[4]，將本文研究的空氣幕安裝形式、射流速度、噴口寬度及室外風速4項因素列入正交分析表，根據(jù)正交試驗的直觀分析法對空氣幕運行效果進行數(shù)據(jù)分析，得到最佳的空氣幕安裝形式與參數(shù)組合。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

以長春市某公共建筑食堂大門防寒門斗作為研究對象，利用ANSYS軟件將該食堂大門門斗、空氣幕、室內(nèi)環(huán)境區(qū)域和室外環(huán)境區(qū)域物理模型進行簡化，具體模型尺寸為食堂大門的尺寸：寬×高=6 m×2.9 m，食堂大門常開1扇，模擬中門洞尺寸設為：寬×高=1.8 m×2.4 m；食堂門斗尺寸：長×寬×高=8 m×2 m×3.2 m；空氣幕尺寸：長×寬×高=1.8 m×噴口尺寸×0.21 m，安裝于食堂大門的上部，距離門0.1 m；室內(nèi)環(huán)境計算區(qū)域：長×寬×高=10 m×6 m×3.2 m；室外環(huán)境計算區(qū)域：長×寬×高=6 m×6 m×6 m。具體物理模型如圖1所示。

圖1 空氣幕及環(huán)境區(qū)域模型

1.2 邊界條件

模擬采用四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，步長設為0.2 mm，將上述物理模型導入mesh中，并在空氣幕和大門兩側流動復雜處進行了網(wǎng)格加密，自動生成約43萬個網(wǎng)格。根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB 50736—2012中的室外空氣計算參數(shù)進行室外風速的選取，以及人體熱舒適的要求，將邊界條件按表1進行設置。

表1 模擬邊界條件的設置

本次研究室外風速w選取1 m/s，2 m/s，3 m/s進行對比分析。噴口寬度選取常用噴口寬度50 mm，100 mm和150 mm進行對比分析，在3種噴口寬度條件下根據(jù)彎曲模量理論計算得到空氣幕最小射流速度分別為5.9 m/s，4.3 m/s，3.6 m/s，在考慮1.3~2.0的安全因子后空氣幕射流速度見表2~表4[5]。

表2 空氣幕出口的射流寬度為50 mm時，空氣幕射流速度

表3 空氣幕出口的射流寬度為100 mm時，空氣幕射流速度

表4 空氣幕出口的射流寬度為150 mm時，空氣幕射流速度

彎曲模量Dm的計算公式為：

式（1）中：Dm為彎曲模量；b為噴口寬度，m；u為射流速度，m/s；H為大門高度，m；Tc為室內(nèi)氣流溫度，K；Tw橫向氣流溫度，K；T0為射流溫度，K；g為重力加速度，取9.8m/s2；ρw為橫向氣流密度，kg/m3；ρ0為射流氣流密度，kg/m3；ρc為射流密度，kg/m3。

1.3 模擬結果

首先在FLUENT中計算大門的邊界條件為壁面條件時，得到內(nèi)部流場達到穩(wěn)態(tài)條件下大門處每個節(jié)點的x方向速度值和節(jié)點總數(shù)，此時大門處的冷風滲透量為每個節(jié)點x方向的速度與包圍每個節(jié)點的控制體面積的乘積之和。再將大門的邊界條件壁面條件變?yōu)閮?nèi)部條件，重新計算此時的冷風滲透量。根據(jù)公式（2）進行計算空氣幕的效率：

式（2）中：E為空氣幕效率；I為未開啟空氣幕的冷風滲透量，m3/s；I′為開啟空氣幕的冷風滲透量，m3/s。

空氣幕的效率值E越接近1，即空氣幕開啟時的冷風滲透量I′值越接近0，幾乎接近無冷風滲透，則說明此時的空氣幕對冷風滲透的阻隔效果好；空氣幕效率越接近0，即的差值接近0，即空氣幕的啟閉對冷風滲透量的影響不大，則說明此時的空氣幕對冷風滲透的阻隔效果差。

2 結果分析

根據(jù)正交試驗設計方法，將本文研究的空氣幕安裝形式、射流速度、噴口寬度及室外風速4項因素列入正交分析表，射流速度選擇安全因子為1.6時的理論射流風速，具體水平設置見表5。

表5 因素水平

以空氣幕效率E作為評價空氣幕阻隔效果的考察指標，以直觀分析法和方差分析法對該項指標進行分析，得到影響空氣幕效率因素的主次，以及與空氣幕安裝形式（見表6）匹配的最佳參數(shù)設置，并根據(jù)此參數(shù)設置進行補充模擬。

表6 安裝形式

2.1 直觀分析法

直觀分析法采用L9（34）正交表來設計正交試驗，見表7，該表共有5列，A，B，C，D分別代表4項影響因素，第5列空列填入空氣幕的效率進行分析。

表7 正交試驗結果直觀分析

表8中的K1，K2，K3分別表示各個因素在3種水平下的平均空氣幕效率，使用平均值來反映各因素不同水平對空氣幕阻隔效果的影響，可以得到該因素的最佳水平。R值表示各因素平均水平的極差，極差值的大小可以反映該因素的水平產(chǎn)生波動時對試驗結果的影響。根據(jù)表中極差值的大小可以判斷影響因素的主次順序為：安裝形式〉射流速度〉室外風速〉噴口寬度，表7中工況1空氣幕效率最高，即空氣幕阻隔效果最好的工況設置為空氣幕安裝形式為空氣幕在室內(nèi)、射流出口回風口異側，射流速度為9.4 m/s，噴口寬度為50 mm，室外風速為1 m/s時。

表8 空氣幕效率結果分析

2.2 正交分析指標圖

正交試驗的直觀分析法進行模擬結果的分析，簡便、直觀、計算量小[6]，以影響因素為橫坐標，CFD模擬得到的空氣幕的效率為縱坐標進行因素指標關系圖的繪制，如圖2所示，得到因素最佳的參數(shù)設置組合為A3+B1+C1+D1。

從圖2可以看出：對因素A即空氣幕的安裝形式而言，空氣幕的安裝形式二當空氣幕在門斗內(nèi)、射流出口回風口異側時的空氣幕效率極低，此種空氣幕安裝形式不推薦應用于實踐中，空氣幕的安裝形式一與形式三對冷空氣的阻隔效果都可以滿足室內(nèi)熱環(huán)境需求，并且安裝形式三當空氣幕在室內(nèi)、射流出口回風口異側此種空氣幕安裝形式對冷空氣的阻隔效果更好，更推薦應用于實際中。對因素B即空氣幕的射流速度而言，當空氣幕安全因子為1.6時，空氣幕射流速度越大空氣幕的效率越高。對因素C即空氣幕的噴口寬度而言，空氣幕的效率隨空氣幕的噴口寬度的升高而減小，當空氣幕的噴口寬度由50 mm增大到100 mm時，空氣幕的效率曲線有明顯大幅度下降，而噴口寬度由100 mm增大到150 mm時，空氣幕的效率曲線變化逐漸趨于平穩(wěn)。對因素D即室外風速而言，空氣幕的效率隨著室外風速的增大而減小，并且室外風速越大空氣幕效率下降的越明顯，圖2中當室外風速由1 m/s升高到2 m/s時空氣幕效率曲線下降程度較小，而當室外風速由2 m/s升高到3 m/s時空氣幕的效率曲線下降程度增大。

圖2 因素指標關系

3 補充模擬

根據(jù)正交試驗直觀分析法得到的最佳參數(shù)設置組合為A3+B1+C1+D1，將Fluent數(shù)值模擬中的邊界條件設為該種參數(shù)組合，即當空氣幕的安裝形式設置為三（空氣幕在室內(nèi)、射流出口回風口異側），空氣幕射流速度設為9.4 m/s，噴口寬度設為50 mm，室外風速設為1 m/s，根據(jù)CFD模擬計算得到在最佳的參數(shù)設置下的空氣幕效率為0.875。

4 結論

根據(jù)正交試驗結果分析得到影響空氣幕效率的主次因素為：安裝形式〉射流速度〉室外風速〉噴口寬度；空氣幕效率最優(yōu)的參數(shù)設置組合為A3+B1+C1+D1，即使空氣幕安裝形式為空氣幕在室內(nèi)、射流出口回風口異側，射流速度為9.4 m/s，噴口寬度為50 mm，室外風速為1 m/s；根據(jù)最佳參數(shù)設置組合進行補充模擬得到的最大的空氣幕效率可以達到0.875。新型空氣幕效率較高，有著較為廣闊的應用前景，可以推動我國節(jié)能事業(yè)的發(fā)展。