嚴寒地區體育場館氣流組織優化研究

康智強 李繼成＊ 邵冬晨 錢偉樂

（沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

近年來，國內外學者對體育館內氣流組織實測和模擬進行了大量研究，從而提高體育館內人員的舒適性。潘林波[1]采用數值模擬的方法，對體育館進行氣流組織模擬研究，通過實測驗證選出最佳方案。Seduikyte等[2]通過實測和CFD模擬相結合的方法對立陶宛考納斯籃球訓練館進行研究，發現使用相同的加熱輸出并結合置換通風，可滿足設計要求。通過調研發現，側送側回的送風方式舒適性相對最優，因此，側送側回的送風方式為大多數嚴寒地區體育館的首選[3-6]。本文以沈陽建筑大學體育館為例，對體育館內氣流組織進行模擬優化研究。

1 體育館模型建立及模擬分析

1.1 體育館簡介及物理模型建立

體育館比賽大廳模型如圖1所示。

圖1 體育館比賽大廳模型

沈陽建筑大學體育館是一個多功能體育館，初步空調方案采用側送側回，南北側和東側各使用12個Ф600 mm球形噴口。東側送風速度4.0 m/s，送風溫度19.0 ℃，送風角度為向下5.0°；南北兩側送風速度2.8 m/s，送風溫度19.0 ℃，送風角度為向下15.0°；回風口設置在送風口下方2.8 m處。

1.2 數學模型及邊界條件

采用標準k-ε模型對體育館進行模擬研究。標準k-ε模型相比其他模型，有較大幅度改進，目前標準k-ε模型在實際中得到廣泛應用[7]。

k方程：

σk=1.0，σt=1.3，c1=1.44，c2=1.92。

利用ICEM軟件將模型進行網格劃分，對送風口、回風口、觀眾席等關鍵部位進行加密處理。將送風口設置為速度入口，回風口設置為自由出流，將人體熱源和體育館內其他熱源簡化在觀眾席壁面[8]。體育館模型網格外觀如圖2所示。

圖2 體育館模型網格外觀

1.3 溫度場及速度場分析

比賽場地8.00 m 以下的氣流速度為0.10～0.40 m/s，分布較為均勻，比賽場地人員活動區域風速為0.05～0.30 m/s。因此，比賽場地的氣流速度不滿足進行羽毛球比賽的風速要求。觀眾席上方0.50 m處氣流速度分布在0.10～0.30 m/s之間，觀眾無明顯吹風感。比賽大廳溫度為24.0～26.5 ℃，觀眾席的溫度為25.0～32.0 ℃左右，比賽場地人員活動區域溫度在24.0～25.5 ℃之間。整個比賽大廳除觀眾席部分區域外，溫度基本滿足體育館的設計要求。

典型截面的溫度、速度分布云圖如圖3所示。

圖3 典型截面溫度、速度分布云圖

2 優化設計

2.1 優化方案

通過模擬分析可知，初步空調方案比賽場地風速過高，不滿足進行羽毛球比賽的要求，且觀眾席溫度過高。根據體育館的實際使用情況進行調整，具體優化方案為：東側送風溫度調整為18.0 ℃，送風角度改為向下10.0°，送風速度調整為3.5 m/s；南北兩側送風溫度調整為18.0 ℃，送風角度改向下20.0°，送風速度調整為2.4 m/s。

2.2 優化后速度場、溫度場分析

整個場地8.000 m以下的風速為0.050～0.200 m/s，比賽大廳風速為0.015～0.170 m/s；觀眾席上方氣流速度為0～0.250 m/s。比賽大廳溫度分布在24.5～26.5 ℃，活動區域溫度分布在24.5～27.0 ℃；觀眾席的溫度為24.5～26.5 ℃，優化后的體育館滿足設計要求。

優化后典型截面速度和溫度分布云圖如圖4所示。

圖4 優化后典型截面速度、溫度分布云圖

2.3 實驗驗證

對沈陽建筑大學體育館進行實測驗證，選取體育館典型截面x=23.3 m處進行溫度與速度的測量。實測值與模擬值基本吻合，證明本文選擇的數值模擬方法的準確性。速度、溫度實測數據與模擬結果對比如圖5、圖6所示。

圖5 實測速度與模擬速度對比

3 結語

本文從送風溫度、送風角度、送風速度3個方面總結出體育館氣流組織優化策略。體育館進行羽毛球比賽時，需要著重考慮送風速度對羽毛球比賽的影響，此時送風速度應較原送風速度略有下降，將南北兩側送風速度由2.8 m/s降至2.4 m/s，東側送風速度由4.0 m/s調整為3.5 m/s；原設計方案觀眾席部分區域溫度過高，此時應將送風溫度降低，將南北兩側送風溫度由原來的19.0 ℃降至18.0 ℃，東側送風溫度由原來的19.0 ℃調整為18.0 ℃；原設計方案后排觀眾席降溫效果不明顯，此時應增大送風角度，南北側送風角度由原來的向下15.0°增大為20.0°；東側送風角度由原來的向下5.0°改為向下10.0°。優化后，整個體育館溫度、速度分布均勻，體育館內人員感覺相對舒適，滿足設計要求。