中央空调房间室内流场数值模拟分析

时间：2024-05-19

贾学斌

(中铁建设集团有限公司，中国北京100040)

0 引言

小型中央空调融合传统中央空调和家用空调的优点，其在空间利用、安装方便和节能等方面的优势，目前成为未来空调发展的主流。随着我国国民经济的增长，建筑和房地产业的迅猛发展，人们生活水平和支付能力的提高，及对居室装潢、品位的要求的提高，人们对室内空调系统的舒适性要求越来越高。空调风口为与室内气流有直接关系的装置，不同送风位置、速度和送风角度都会影响室内气流组织，而不同气流组织形成不同温度场、速度[1-5]，直接影响空调效果与室内舒适性。本文运用流体动力学数值模拟计算软件，采用k-ε湍流模型对夏季中央空调房间中常用的侧送下回风送风形式进行数值模拟研究，分析了不同送风角度对室内气流组织的影响，进而对室内舒适性进行了探讨，为该送风形式下送气角度的调节设计提供参考。

1 数值方法

1.1 物理模型及网格

如图1，计算模型房间空间大小为6m×4m×2.9m，中央空调进风口和出风口以侧送下回风方式安装在房间吊顶处，进风口尺寸为0.6m×0.15m,出风口尺寸为0.6m×0.26m。本文主要研究不同送风角度下的室内气流，为简化模型，省略室内人员或座椅等模型。流场空间采用四面体网格离散，网格数量180多万。

数值计算中，入口给定风速恒定的速度入口边界，合速度大小为2m/s，送风温度为 17℃，送风角度分别为 45°、70°、90°，如图1(b)所示；出口设为自由出流边界；墙壁、地面及天花板壁面为无滑移墙面，采取零热流条件，即绝热边界；房间初始温度为310.16k（即37℃）。

图1 数值模拟计算模型及边界条件示意图

1.2 数学模型

为简化问题，作如下假设：（1）房间内空气低速流动，视为不可压缩流体；（2）空气在室内为稳态流动；（3）忽略四周墙壁的辐射量；（4）不考虑四周墙壁的漏风影响，认为房间气密性良好。

数值计算采用k-ε湍流模型，k-ε湍流模型是工程上常用的一种涡粘性模型，它和代数模型的主要差别是k-ε湍流模型的涡粘性系数μt包含了部分历史效应，将涡粘性系数和湍流动能与湍流动能的耗散率联系在一起，具体的方程见参考文献[6]。

2 结果与分析

为了清楚描述吊顶处空调不同送风角度下，室内气流分布的情况，取剖面y=0分析各送风角度下室内的速度场和温度场分布。如图2（a）和（b）所示，在送风角度为 90°时，入流空气送至左侧，在左侧墙上受到阻碍，并向下流动与出风口形成对流，与左侧热空气混合降温；气流在房间右下方回旋成较大的低速漩涡。而70°送风角度情况下，由于角度偏下，部分入射气流碰右墙后向上流动，而向下流动与出风口对流的流速相对较低，导致冷风送风强度不足，该工况下室内左下及下部区域冷空气未能与热空气充分混合降温，左侧大部分区域温度302K以上，未达到较好的降温效果。在送风角度45°时，入流气流向房间中部送，在入流两侧分别形成漩涡，其中右侧漩涡回旋速度较高，使气流向右送并与右侧热空气混合降温，整体降温情况比其他两种情况好。但该情况下低温区集中在房间中下部人活动频繁区域，且气流流速较高，会影响室内舒适度。

图2 各吹风角度下y=0剖面速度场和温度场

为了进一步分析不同送风角度对室内舒适度的影响，取z=0.8m截面进行速度场和温度场分析。从图3中可以看出，送风角度为90°和70°情况下，右墙附近温度均最低，这是由于右墙周围流速较高，热空气可得到充分的降温。送风角90°情况下，0.8m高度截面温度分布较均匀，温度范围在27℃至30℃范围内，大部分区域风速小于0.1m/s。送风角70°时，截面整体风速较90°情况下小，但由于风速较小，送风能力较小，左侧大部分区域温度范围在302.5K以上。送风角度45°时，参考平面中部出现局部低温，且风速高于0.5，不满足舒适度要求。

对各送风角度工况下，对z=0.8截面对温度和速度取平均后得到：送风角度分别为90°、70°和45°下，参考平面平均温度分别为301.56K、302.15K和301.58K,平均速度分别为0.13m/s、0.11m/s和0.10m/s。可知沿垂线送风角度越小，水平切面平均风速越小。三种情况下，参考平面均达到了降温要求，但送风角度越小，送风气流向地面方向送风，会在房间中部人活动区出现局部低温和较大风速区，不满足舒适度要求。