体育馆空调系统不同送回风方式的模拟及比较

华中科技大学硕士学位论文体育馆空调系统不同送回风方式的模拟及比较姓名：赵化申请学位级别：硕士专业：供热、供燃气、通风及空调工程指导教师：徐菱虹20061101华中科技大学硕士学位论文I摘要气流组织，是空调系统设计中最重要的环节之一。空调房间气流组织设计是否合理，直接影响着房间的空调效果和空调系统的能耗量。在气流组织的所有影响因素中，送回风方式的选择和送风参数的设定是影响气流组织最重要的因素。我国体育事业的蓬勃发展导致了体育场馆的高速建设，同时也向通风空调行业提出了更高的要求。目前，国内尚没有针对各类体育建筑的空调设计规范，对体育馆空调系统的研究也有待进一步的深入。体育场馆内空调气流组织的设计一直是空调系统设计中的一个难点，也是广大科研人员研究的热点。本课题以空调系统送回风方式为上送上回方式的恩施某体育馆为研究对象，通过调研分析，指出了其气流分布的不合理之处。其次，采用发展较成熟的数值模拟，利用目前应用较广泛的FLUENT系列软件，对体育馆空调系统的实际工况下比赛大厅的内部环境进行了数值模拟。通过与调研结果的对比，指出FLUENT能够比较真实地反映出全尺寸现场条件下体育馆比赛大厅的气流分布，证明其用于模拟预测体育馆建筑室内气流分布，从而进行定性分析和辅助设计是具有可应用性的。然后，利用FLUENT，对体育馆空调系统采用上送上回、上送侧回、上送下回三种不同的送回风方式工况下比赛大厅的温度场和速度场进行了模拟分析与比较。结果表明，三种送回风方式中，采用上送下回方式可以得到最好的气流分布。最后，对采用上送下回方式时选择不同的送风参数下的工况进行了模拟分析和比较，并得出了最优的送风参数，为实际工程设计提供指导和参考依据。关键词：体育馆送回风方式数值模拟分析比较华中科技大学硕士学位论文IIAbstractInairconditionengineering,designingoftheairdistributionisoneofthemostimportantparts.Airflowinair-conditionedroomdirectlyaffectstheindoorairenvironmentandtheenergyofairconditionedinroom.Airdistributiondependsonmanyfacets,ofwhichtheairflowpatternandtheparametersarethecrucialfacets.Sinceathletes’recordscanvarygreatlydependingonairvelocitiesinsportshall,airflowpatternhasplayedthemostimportantroleintheHVACdesigningingymnasiums.ButinChina,wedonothaveaairconditiondesigningcodeforgymnasium.Withregardtothisstatus,HVACdesignersandresearchershavepaidmoreandmoreattentions.Basedoncomputationalfluidmechanicsandheattransfertheory,thethesisusethemostpopularnumericalsimulationsoftware――FLUENT,tonumericallysimulatestheairdistributionofagymnasiuminEnshiCity.Calculationresultshavebeencomparedwiththecorrespondingmeasuringresults.SuchcomparisonsshowthevalidityofFLUENTinsimulatingindoorairflowpatternandtemperaturepatterningymnasium.Then,simulationsofindoorairdistributioningymnasiumunderthreekindsofairflowpatternshavebeenconductedbyusingFLUENT.Bycomparingtheresults,theconclusionprovidesthattoformgoodairflow,itisbettertosettheoutletventsontheundersideofthegymnasiumwhentheinletventsareontheceiling.Finally,simulationthetemperatureandvelocityoftheindoorairunderdifferentventilationparameterswhentheairflowpatternofthegymnasiumisupgivenlowreturn.Theresultsuppliestheoptimizationventilationparametersforgymnasiums,ofwhichtheairflowpatternisupgivenlowreturn.Accordingtothedifferentsimulationresults,properdesigningaboutairsupplyoutletsofHVACsystemingymnasiumhasbeensuggestedinthispaper.Keywords：gymnasiumairflowpatternnumericalsimulationcomparison独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题研究的背景通常空间高度大于5m，体积大于10000m3的建筑被称为大空间建筑[1]。在公用民用建筑方面主要是指影剧院、音乐厅、大会堂、体育馆、展览馆等建筑。体育馆是最典型的高大空间建筑。20世纪80年代以来，由于建筑技术的进步（结构、环境设计等），生活水平的大幅度提高，人们对文化生活的需求日益增长。因此体育类建筑的规模日趋庞大，建筑造型也日趋多样化。体育馆类高大空间建筑的特征如下[2]：（1）高度高。音乐厅、剧场高度为10～20m，普通体育馆高度为10～30m；室内棒球场为30~70m；高层建筑的中庭高度达100m以上。这是形成温度梯度的主要原因。（2）高大空间的外墙与地板面积之比较大。办公楼建筑标准层为0.2~0.3m2/m2(地面)，而大空间可能为1m2/m2(地板)，这就形成了外界界面对室内空间的自然对流影响较大，冬季易在四周造成下降冷气流。（3）室内体积大，换气次数小。大型体育馆可达20万m3，运动场型体育馆可达上百万立方米。居留区的人员比较密集，对于大空间建筑而言，人均占有空间体积大，从卫生角度看是良好的，但换气次数较小。（4）使用功能多。体育馆类大空间建筑除乐具备体育设施的功能以外，还有许多其他的功能要求，如杂技、演剧、音乐会、展示会等，因而要设置临时的舞台，活动座椅等装备。不仅对空调带来多种环境要求，而且由于这些装备的存在也影响空调系统的设置。此外，对空调系统的控制要求有相当的灵活性。这就使空调系统负荷的分配以及冷热源的配置都应作相应的考虑。（5）负荷特性特殊。各种高大空间建筑的负荷因素所占的比例并不一样，通常高大空间的冷负荷构成为：人体散热占50%~80%，灯光散热占2.5%~11%，维护结构占7.9%~26.5%，漏损得热占9.5%~11.2%。与普通民用、工业建筑一样，体育馆类大空间建筑也应该满足健康、舒适、能源有效利用和环境保护等方面的要求，这对以经验数据为设计基础的传统暖通空调系统设计提出了很大挑战，尤其是怎样设计合理的送回风方式，从而得到合理的气华中科技大学硕士学位论文2流组织来满足大空间建筑内部人员的热舒适性要求和使用要求。文献[3]详细讨论比较了目前主要的四种预测室内气流分布的方法，即射流公式、区域化模型、CFD方法和模拟实验，从四种方法的预测成本、周期、可模拟的条件以及准确性、实施的方便性等综合比较可以得出结论，目前比较理想的室内气流分布预测方法是CFD方法[3]。由于CFD方法具有成本低、速度快、资料完备等特点，故其逐渐受到人们的青睐。为此，可以利用CFD可能在较短的时间内获得不同送回风方式下体育馆内气流分布详细信息的特点，设计出合理满意、低能耗的气流分布。1.2大空间空调气流组织数值模拟现状CFD是英文ComputationalFluidDynamics（计算流体动力学）的简称，现代模拟仿真技术的一种。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，CFD相当于虚拟地在计算机上做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。CFD产生于1933年英国人Thom首次用手摇计算机数值求解二维粘性流体偏微分方程。1974年，丹麦的Nielsen首次将CFD用于暖通空调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟[4]。由于CFD技术具有成本低、速度快、资料详细等特点，在之后短短的20多年内，在暖通空调工程中的研究和应用有了长足的发展，逐渐成为广大空调工程师和建筑师解决分析工程问题的有力工具。对于体育馆类高大空间空调气流组织的研究，目前暖通界的主要研究手段是采用CFD技术进行气流分布的数值分析，而对于实际建筑工程的气流组织设计则主要采取CFD数值模拟分析与模型试验相结合的方法。国内在这两方面取得的成果有：哈尔滨工业大学市政环境工程学院李晓冬教授对大空间建筑侧送分层气流组织进行了数值模拟，提出分层空调和分层热风供暖是大空间建筑中较为合理的气流组织方式，大空间气流组织对垂直温度梯度的影响很大，而垂直温度梯度又与大空间的空调与供暖负荷关系密切[5]；北京市建筑设计研究院马晓钧工程师利用CFD技术对体育馆不同上座率下观众席温度分布进行预测和，得到了符合最佳技术经济条件的计算上座率[6]；湖南大学土木工程学院对长沙世界之窗中心剧场（大剧院）空调设计进行了数值预测、仿真[7]；同济大学谭良才博士采用CDF技术和模拟实验结合的方法研究高大空间恒温空调气流组织设计，提出室内的温度场和速度场同时受华中科技大学硕士学位论文3到冷射流和热源的影响，不能用单纯的射流理论进行精度较高的恒温空调系统设计[8]；清华大学赵彬博士等对人民大会堂大礼堂空调气流组织现状进行了数值模拟分析，并提出改进方案[9]，并提出了用CFD技术进行体育馆类高大空间的气流组织设计的新思路[3]。在国外，尤其是日本、美国，其数值模拟技术已经比较成熟，利用CFD技术对体育馆类高大建筑空间空调气流组织进行模拟做的比较多，均已进入了实用化阶段。日本关于CFD软件的具体应用，主要用于大空间空调方案设计，其计算规模大都在105网格数以上，用于实际的离散化法主要是MAC法和SIMPLE法，紊流模型以标准K－ε模型居多，分析坐标系多采用直角坐标具体的应用事例有体育馆（如大阪DOME、东京DOME等），中庭大空间空调计算分析，大空间工厂的通风效率预测，音乐厅（如加古川WELLNESSPARK音乐厅、东京艺术剧场等）的空调设计方案研讨，会议大厅的置换式空调的计算分析，玻璃窗对室内热环境的影响，地下停车场的喷嘴诱导送风系统，在CFD中引入PMV计算[10]。美国MIT在CFD技术方面也做了很多研究，如从描述空调风口入流边界条件的方法、湍流模型等方面进行研究，以对室内空气流动进行简化模拟；研究大涡模拟这一高级湍流数值模拟技术在室内外空气流动模拟中的应用；研究室内空气流动模拟和建筑能耗的耦合模拟，通过将简化的CFD模拟方法和建筑能耗计算耦合对建筑环境进行设计等[11]。1.3本课题的主要内容（1）对恩施市某体育馆比赛大厅空调系统的运行效果进行实际调查研究；（2）以该体育馆为研究对象，利用数值模拟软件FLUENT，对其比赛大厅气流分布进行模拟计算，并将计算结果与实际调研结果进行对比，考察FLUENT软件的可用性；（3）对该体育馆比赛大厅空调系统采用不同的送回风方式时的气流分布进行数值模拟和对比分析，得出相应结论；（4）对该体育馆比赛大同空调系统采用一种送回风方式和不同的送风参数时的气流分布进行数值模拟和对比分析，并得出相应结论。华中科技大学硕士学位论文42空调气流组织设计与送回风方式2.1空调系统气流组织与送回风方式概述2.1.1空调系统的气流组织空调房间的气流组织也称气流分布，是空调设计中的一个重要环节。空调房间中经过处理的空气由送风口进入房间，与室内空气进行热湿交换后，由回风口回风口重新进入空调风系统，或者由排风口排出。空调房间的温度场、湿度场、速度场和浓度场的均匀性和稳定性与室内空气的流动情况有着密切的关系，同时速度场往往是其它场（如温度场、湿度场和浓度场）存在的基础和前提。空气调节气流组织的任务就是合理组织通风空调室内的空气流动，满足室内舒适性条件或性要求，如速度场、温度场、湿度场等，同时保证较低的空调能耗和良好的室内空气品质IAQ(indoorairquality)。空调房间气流组织是否合理，直接影响着房间的空调效果和空调系统的能耗量。影响气流组织的因素很多，如房间的几何形状、室内热源位置和散热量、送回风口的位置、送风的形式、送风量、送风温度、送风速度等。其中送回风方式的选择和送风参数的设定是影响气流组织最重要的因素。2.1.2空调系统送回风方式从基本形态来看空调房间的送回风方式有两种：挤压方式和稀释方式。采用挤压方式中可采用为单向流（图2-1）和置换流（图2-2）。稀释方式可采用切线式送风（图2-3）和扩散式送风（图2-4）。各种气流组织方式的示意图如下：图2-1挤压方式单向流华中科技大学硕士学位论文5图2-2挤压方式置换流当气流组织采用挤压方式时，送风将室内的热湿空气从回风口挤压出去，在所需的主流方向上气流只有很小的横向运动，气流分布均匀，换气效果好，多用于洁净室、手术室、特殊生化实验室、喷漆车间等对气流组织要求很高的场合。图2-3稀释方式切向送入图2-4稀释方式扩散送入当气流组织采用稀释方式时，多利用诱导作用。这使从送风口送入房间的射流由于其卷吸作用，使射流周围的空气不断地被吸入，吸走了空气的空间又由回返气流中的一部分去补充，于是形成了旋转的涡流。在旋转的涡流区中，热质交换比较充分，因此温度场、湿度场也比较均匀。但在诱导作用达不到的地方，如墙角处则容易形成死角。两种基本送回风方式的设计要点和技术要求详见参考文献[12]。华中科技大学硕士学位论文6在实际工程设计时中，按照送风口、回风口的分布位置以及气流方向，常用的送回风方式有四种：（1）上送下回气流方式（图2-5）；（2）上送上回气流方式（图2-6）；（3）下送气流方式（图2-7）；（4）中部送风气流方式（图2-8）。各种送回风方式的具体形式如下图所示：a)单侧上送风、单侧下回风b)双侧上送风、双侧下回风c)顶部散流器送风双侧下回风d)顶棚孔板送风、单侧下回风图2-5上送下回方式华中科技大学硕士学位论文7a)单侧上送上回b)双侧外送上回c)双侧内送上回d)风口装于吊顶，一侧送一侧回e)暗装吸送式散流器图2-6上送上回方式a)下送上回b)下送下回图2-7下送风方式a)双侧中部送风、双侧下部回风b)中部送风、下部回风、顶部排风图2-8中部送风方式各种气流组织形式详见参考文献[13]、[14]。华中科技大学硕士学位论文82.1.3送回风方式的计计算方法气流组织计算方法很多，世界各国所采用的计算公式基本上相同，一般都是沿用美国的Koestel单股非等温（垂直或水平）射流计算公式为基础，通过试验得出经验系数，因而公式的差别仅在试验系数或指数上有所不同。我国在高大空间体育建筑的气流组织方面亦做过不少模型试验研究，结合实际工程的实例，总结回归提出了经验计算式。现将目前经常使用的设计计算方法介绍如下[15][16][17]：（1）非等温侧送射流的计算方法：非等温单股喷口侧送计算公式000cosnyxxtgCArdddθθ±=+（2.1）式中y－射流落差（m）x－射流射程，从射流出口中心到计算点的水平距离（m）0d－风口直径（m）θ－风口安装角度，即风口中心线与水平面的夹角C－实验常数，它与风口形式有关，0.42Ck=k－风口特性系数，由风口型式确定Ar－送风的阿基米德准数Ar＝0020gdtvT∆（2.2）式中0t∆－送风温差（℃）0v－送风速度（m/s）g－重力加速度（m/s2）T－室内空气绝对温度（K）n－实验指数，一般为n＝3说明：冷射流为（－），热射流为（＋），前者为下降距，后者为上升距。根据前面所述，体育建筑比赛大厅的体形为圆形、矩形和多边形，基本上都是由大厅四周向场中心送风，射流在送风流程上截面逐渐变小，即变截面非等温射流，可取C＝0.1，n＝3。华中科技大学硕士学位论文9非等温多股平行射流计算对于比赛大厅的送风，一般都为多股平行非等温射流。所谓多股平行射流是指风口平行布置，风口之间的间距在（5～15）0d，射流在（10～20）0d以内就相互叠加汇合形成一片气流，时射流射程加长，称这种为多股平行射流。其特点：汇合后射流断面周界要小于汇合前各单股射流断面周界，因此，射流扩展和速度衰减都减慢，在达到同样末端速度时，其射程要比单股射流长，落差要小，这就是多股平行非等温射流与单股射流的区别。根据中国建筑科学研究院空调所的研究得出下列计算公式[13][18][19][20]：轴心轨迹公式为：2.61.1580000.812yxxtgArdddθ±=+（2.3）射流轴心速度衰减公式为：1.510.147003.347xvxArvd−−=（2.4）式中xv－末端送风速度（m/s）其他参数与前述相同将式和联立求解，则可得出0d和0v()0.6150.3020.6871.230.064cosxTxdyxtgvTαα−=+∆（2.5）()0.5911.1240.5330.18204.295cosxTxvyxtgvTαα−−−=+∆（2.6）设计计算步骤如下：确定计算参数，即要求的射程x，落差y和末端速度xv及送风温差T∆。对于多股平行冷射流，一般当0xd＝30～50范围内，0.5pxvv=（pv为工作区平均速度，m/s），也就是说，当要求工作区平均速度pv＝0.2m/s，则xv＝0.4m/s。对于喷口侧送，由式（2.5）、（2.6），求出风口直径0d和送风速度0v。校核计算结果，若0d不在0.2～0.8m范围内，0v不小于10m/s时，重新设定T∆华中科技大学硕士学位论文10或y和x，重复上述计算，直到合适为止。由0d和0v计算每个风口风量0L计算确定风口个数。（2）非等温垂直送风（即上送）计算单股垂直射流计算公式：13800011.9xvdArxkvxkd=±（2.7）多股垂直非等温射流计算公式：30010.02xeeevdxxkDdDv=−（2.8）式中xv、0v和k与前述相同ed——风口当量直径（m）eD－每个风口管辖的断面积Ar的当量直径（m）4eDArπ=（2.9）风口间距为031.30.32ppvlxklv=+（2.10）式中l－风口间距（m）pv－工作区允许风速（m/s）pl－单位面积送风量（m2/h.m2）2.2体育馆气流组织设计与送回风方式2.2.1比赛大厅气流组织设计要求随着我国经济建设的迅速发展，国力不断增强，我国的体育事业也随之蓬勃发展。尤其是近年来，我国运动员在国内外赛场屡创佳绩，同时广大群众也积极参与全民健身活动，不断追求健康向上的高素质生活。在这种背景下，我国对各类体育华中科技大学硕士学位论文11设施，特别是体育馆建设的投入不断加大。体育场馆的高速建设，为我国建筑业，包括空调行业提出了更高的要求。尤其是2001年7月13日北京申办2008年奥运会获得圆满成功，北京更提出了“新北京，新奥运”的口号。另一方面，随着可持续发展战略在中国的实施，建筑能耗问题已成为人们关注的热点。体育馆建筑属于大空间建筑，体积大、维护结构传热量大、人员灯光密集，空调负荷较大。因此，设计合理的气流组织，以使得馆内气流分布满足比赛和观众的要求，同时又保证空调系统能耗较低就具有重要的意义。这也与我国承诺的“绿色奥运”的思想紧密相连。为此，如何快速、准确地合理设计体育馆类高大空间的气流组织形式就成为一个重要的问题。由于体育建筑比赛大厅的送回风方式既要满足观众舒适要求，又要适应各种体育项目比赛时要求的环境条件，同时还要结合建筑体形进行综合考虑。因此，对比赛大厅的气流组织设计要求如下[1]：（1）送风气流能在观众区形成均匀温度场和速度场，无吹风感，并尽量避免“脑后风”；（2）观众看台上部和下部的温差不能太大，建议不要超过2℃；（3）送风气流要满足比赛场地各种体育项目比赛的要求，例如羽毛球比赛对风速的要求为在高度9m以下的区域风速要小于0.2m/s，乒乓球比赛的风速要求为在高度3m以下的区域的风速要小于0.2m/s，其它比赛时，风速<0.5m/s；（4）在满足上述要求下，要做到调节灵活，尽可能节省能量。2.2.2比赛大厅的送回风方式目前体育场馆的送回风方式可分为分区送回风和混合送回风两种方式。分区送回风是指在体育馆内，观众席和比赛场地分区送风和回风，以适应两区的不同要求。这种方式适用于大中型体育馆、游泳馆。一般而言，对于综合性体育馆，比赛场地的空调，主要是为了满足不同比赛对风速的要求；而在游泳馆的比赛池区，则还要满足相应的温度和湿度要求。对于大型体育馆，观众区有时也分为几个区，以期达到空气温度分布均匀，不会形成较大的上下温差。混合送回风是指观众席和比赛区集中进行送、回风处理。这种方式多在小型体育馆中采用，个别大型体育馆考虑到现场结构条件和经济条件等因素，也采用这种方式。体育馆常见的送风方式有侧送风方式、上送风方式、下送风方式等几种。华中科技大学硕士学位论文12（1）侧送风方式侧送风方式是体育馆比赛大厅采用得最广泛的一种方式，以采用喷口侧送方式最为常见，具体形式见图2-9。体育馆比赛大厅无论规模大小，通常都具有空间大、比赛场地位置低、观众席逐渐升高的“碗型”特征，且风口离空调区域（特别是比赛区）较远；而喷口侧送风射流长、流量大，可以适应上述条件，因而在大型体育馆中应用最多。采用侧送风方式时，喷口布置在大厅周围侧墙上或结构网架的周边横梁上，回风口则常设在后排观众席侧和比赛场地边缘，空调区域温度均匀，靠近喷口的后排观众基本处于回流区，避免了“脑后风”[21]；此外，喷口送风可以节省管道、降低造价。但它也存在着一些不足：比赛场地的风速难以控制，风速有时会超过0.2m/s，对乒乓球、羽毛球比赛有影响；此外，由于送风温差大、射流长，冷空气下降和热空气上升的现象十分明显。为了避免这种情况，许多体育馆都将喷口设计成可以转动的，以便进行调节。如莫斯科奥林匹克体育馆[22]、东京代代木体育馆[23]等。除了喷口送风外，侧送风方式还包括百叶侧送。但由于有噪声和“脑后风”等，百叶侧送只作为辅助送风方式被采用。（a）喷口侧送下回（b）双排喷口侧送下回（c）百叶风口侧送下回（d）双排百叶侧送下回图2-9侧送风方式华中科技大学硕士学位论文13（2）上送风方式上送风方式，是指将送风口安装在比赛大厅的顶棚或上部网架空间内，将回风口设在观众座位台阶和比赛场边的侧壁上，空气自上而下送至观众席和比赛区，然后由回风口抽走，具体形式见图2-10。其送风形式包括散流器、喷口、旋流风口、条缝和孔板送风等。从使用效果上讲，上送风方式是比较好的。它能把处理好的空气均匀送到各个部位，以满足不同区域所需的空调参数。特别是当比赛要求风速不能过大时，采用顶棚孔板上送形式，完全能够达到使用要求[21]。但上送风也存在着诸多不足：冷热负荷均较大，能耗高，送风量比喷口侧送大25%~30%左右[24]；另外，由于绝大多数体育馆均采用轻质网架结构，顶棚网架内风管布置困难。近年来，新建体育馆和游泳馆，采用上送风形式的并不多见。上送下回的工程实例有美国波特兰的玫瑰园(RoseGarden)体育馆[25]。在体育馆大厅有吊顶的条件下，还可以采用条缝或孔板送风等形式进行上送风，北京首都体育馆及香港伊丽莎白(QueenElizabeth)体育馆[24]就属此类。（a）散流器上送下回（b）喷口上送下回（c）旋流风口上送下回（d）孔板条缝上送下回图2-10上送风方式华中科技大学硕士学位论文14（3）下送风方式20世纪70年代初，随着世界能源危机的出现，建筑节能已越来越引起各国工程界的重视。下送风方式作为一种节能型的气流组织形式，在观众大厅空调中得到迅速的发展。国外将这种方式应用于体育建筑中较早，我国在影剧院、会堂中也相继采用了这种形式。近年来，一些中小型体育馆，如北京地坛体育馆和木樨园体育馆使用了观众席地面送风的方式。下送风方式是将送风口设在观众席的地面或座椅上，直接对观众席送风，回风口设在顶棚和观众席后上部，具体形式见图2-11。这种形式具有明显的节能特点，据有关资料介绍，夏季可节省冷负荷26%以上，相应的空气处理设备也大为减小[25]；此外，观众区温度场和空气速度场均匀，但其缺点是无法对比赛场地进行控制，而且风口形式复杂、数量多，不利于运行管理。（a）座椅送风（日本）（b）座椅背送风（c）座椅柱脚送风（d）堞式通风座椅图2-11下送风方式华中科技大学硕士学位论文15通过上面的介绍，几种气流组织形式均各有利弊。国内外的大中型体育馆、游泳馆大都同时使用不同的送回风形式，以期取得最佳气流组织效果。（4）多种气流组织形式的混合使用为了达到最佳的气流组织效果，同时取得更加经济、节能的运行方式，从八十年代至今，工程设计人员把多种气流组织形式结合使用，即分区送风，以此达到能耗低与效果好的统一。通常是在比赛大厅内，将观众区和比赛场分区送风和回风，以适应两区不同的要求，这种方式适用于大型综合体育馆、游泳馆等。一般而言，对综合性多功能体育馆，比赛场的送风方式，都是作为有风速要求的比赛时辅助使用，以保证赛区风速要求。观众区有时也可分几个区送风，以保证观众区均匀的温度，不会形成较大的上下温差。如北京奥林匹克体育中心体育馆采用上送风形式对观众席送风，而在比赛区则采用喷口与旋流风口交替侧送的方式[26]。2.3气流分布的预测方法及比较2.3.1室内气流分布组织的预测方法及比较为了使室内的气流合理地流动和分布，使空调房间的温度、湿度、气流速度以及污染物浓度等都能满足舒适性条件或工艺条件的要求，设计者必须预知确定的空调系统下的室内气流分布情况，以分析其是否满足要求。为此，预测室内气流分布情况就成为空调系统气流组织的关键。自20世纪40年代起，众多研究者就对机械通风房间送风口的射流特性进行了实验和理论研究，并于50年代初建立了一系列射流公式用于室内气流分布的预测[27]，成为最经济简单的室内气流分布预测方法；1970年，有学者提出ZonalModel，对自然通风的通风量、温度分布等进行预测计算，近来又有人指出该方法经改进后可用于机械通风[28]；1974年，丹麦的P.V.Nilsen首次利用计算流体力学CFD方法对室内空气流动进行了数值模拟[29]。而最为可靠的预测方法就是模型试验，它借助相似理论，在等比例或缩小比例的模型中通过测量手段来对室内气流分布作出预测。以下是对这4种室内气流分布的预测手段作简要介绍：（1）射流公式法利用射流公式计算出相关参数，预测机械通风室内气流分布是最为简单和经济的方法。按照通风空调送风口射流在室内的状态，可分为自由射流、受限射流等；华中科技大学硕士学位论文16按射流入流空气温度是否相等，又分为等温射流和非等温射流；结合送风口形态又分为平面射流、方形和圆形射流、径向射流、不安全径向射流、锥形射流和旋转射流等。通过理论分析和实验测量，人们整理出关于各种射流的半经验公式，主要是关于湍流射流平均特性主体段中心速度、温度衰减、断面流速分布、射流扩展角、冷射流贴附长度等。（2）ZonalModel1970年ZonalModel被正式提出。在早期的二维模型中，研究工作集中在如何对要计算的区域进行划分；现在，研究者已经可以利用三维模型来有效地预测自然通风、混合通风情况下房间内的空气温度、速度、质量流量、热舒适、壁面导热以及有向流动等问题。其模型得到实际上还是一种相对“精确”的结果。（3）CFD方法由于计算机技术、湍流模拟技术的发展，用计算机对室内空气的湍流流动进行数值计算成为可能,这就是CFD。简单的说，CFD方法就是在计算机上虚拟地作实验，依据室内空气流动的数学物理模型，将房间划分为小的控制体，把控制空气流动的连续的微分方程组离散为非连续的代数方程组，结合实际的边界条件在计算机上数值求解离散所得的代数方程组，只要划分的控制体足够小，就可认为离散区域上的离散值代表整个房间内气流分布情况。（4）模型试验借助相似理论，利用模型试验对室内气流分布进行预测，不需依耐经验理论，是最为可靠的方法[31]，但也是最昂贵、周期最长的方法。搭建实验模型耗资巨大，如文献[30]中指出单个实验通常耗资3000-20000美元，而对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更多，周期也长达数月以上。因此模型试验一般只用于要求结果很准确的情况。四种预测室内气流分布的方法各有利弊，最简单的射流公式适用性最差，所得流场信息也很有限；能获得详细分布信息的CFD方法存在可靠性和对实际问题的可算性等问题；最可靠的模型试验又最昂贵和复杂，这也体现了事物的辨证规律。各种预测方法列表比较如下[31]：华中科技大学硕士学位论文17表2-14种气流分布预测方法比较射流公式ZonalModelCFD模型试验房间几何形状复杂程度简单较复杂基本不限基本不限对实验参数的依耐性几乎完全很依耐一些不依耐预测成本最低较低较昂贵最高预测周期最短较短较长最长结果的完备性简略简略最详细较详细结果的可靠性差差较好好适用性机械通风，且与实际射流条件有关机械和自然通风，一定条件较方便机械和自然通风较难机械和自然通风最难使用是否方便最方便较方便较难最难对以上四种室内气流分布的预测方法的详细介绍及比较见文献[13]。2.3.2体育馆比赛大厅的气流分布预测体育馆建筑往往越来越向复杂化、多样化和大型化发展，建筑内部的气流组织形式变化多样，往往不同的区域有不同的气流组织要求，比如体育馆，比赛场地通常对速度要求比较严格，尤其是进行乒乓球、羽毛球等小球比赛的场地，而观众席通常要求速度，温度的分布满足人体热舒适要求。而且高大空间内部的空气流动远比一般建筑复杂。因而体育馆比赛大厅的气流组织，一直是体育馆类大空间建筑空调设计的一个难点。对于传统的射流理论分析方法而言，由于射流公式本身的局限性，将无法适用于各种复杂情况，如室内人员、灯光负荷的不同分布、送回风口不同布置等[3]。而且各种射流公式都是在特定的试验条件下得出的，对于实际情况复杂的气流分布来说，势必导致较大的误差。另外射流分析方法只能给出室内气流分布的一些集总参数，不能给出设计人员所需的详细资料[32]。Zonalmodel方法是将房间划分为一些有限的宏观区域，通过研究区域间压差和流动的关系来得到房间内的温度分布和气流组织，实际上得出的只是一种相对精确的集总结果，而且Zonalmodel方法目前还难以应用于机械通风的房间[31]。模型试验对室内气流分布进行预测，虽然被认为是最为可靠的方法[31]，但该方法需要较长的实验周期和较大的资金投入，往往难于在工程设计中广泛采用，尤其华中科技大学硕士学位论文18是对于体育馆这样的高大空间建筑。随着计算机大容量化和高速度化以及计算流体力学技术的发展，越来越多的工程设计中都采用计算机数值模拟对室内气流分布的各种参数进行预测，这种方法即CFD方法。具体来说，该方法就是在计算机上虚拟地做实验，依据室内空气流动的数学物理模型，将房间划分为小的控制体，把控制空气流动的连续的微分方程组离散为非连续的代数方程组，结合实际的边界条件在计算机上数值求解离散所得的代数方程组，只要划分的控制体足够小，就可认为离散区域上的离散值代表整个房间内气流分布情况[31]。目前，CFD软件可以相对准确的给出流体流动的细节，如速度场、压力场、温度场、浓度场分布的时变特性，还能以动画功能演示非定常过程，是除模型试验外的可详细解析三维室内气流分布特性的唯一手段[34]。由于计算机模拟具有成本低、速度快、资料完备，且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐。尽管CFD方法还存在可靠性和对实际问题的可算性等问题[35]，但这些问题已经逐步得到发展和解决。2.4本章小结本章对空调房间室内气流组织的任务进行简单的概述，介绍了空调房间送回风的两种基本方式，以及实际工程中常用的四种送回风方式，并对室内送回风方式的设计计算方法进行简单的概述。对于体育馆比赛大厅空调系统，送回风方式的选择既要满足观众舒适要求，又要达到各种体育赛事的气流分布要求，同时还要结合建筑体形进行综合考虑。本章详细总结了对比赛大厅的送回风方式设计要求，并对体育馆的几种常见的送回风方式进行了详细的分析介绍。目前比较成熟的预测室内气流分布的方法有四种，即射流公式、区域化模型、计算流体力学方法和模拟试验。本章对四种预测方法进行了综合比较，并指出对于体育馆比赛大厅的气流分布，目前比较理想预测方法是CFD方法，可以在较短的时间内获得体育馆比赛大厅内气流分布详细信息的特点，设计出合理满意、低能耗的送回风方式及各种参数。华中科技大学硕士学位论文193暖通空调领域CFD数值模拟3.1CFD数值模拟概述CFD即计算流体动力学，是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的，是现代模拟仿真技术的一种。其基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后通过数值计算求解代数方程组获得场变量的近似值[36]。采用CFD的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤[36]：（1）建立反映工程问题或物理问题的数学模型。具体地说就是要建立反映问题各个变量之间关系的微分方程及相应的定界条件，这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。（2）寻求高效率、高准确度的计算方法，及建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。这些内容，可以说是CFD的核心。（3）编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格的划分、初始条件和边界条件的输入、控制参数的设定等。这是整个工作中花时间最多的部分。由于求解的问题比较复杂，比如Navier-Stokes方程就是一个十分复杂的非线性方程，数值求解方法在理论上不是绝对完善的，所以需要通过实验加以验证。正是从这个意义上讲，数值模拟又叫数值试验。应该指出，这部分工作不是轻而易举就可以完成的。（4）显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分析质量和结果有重要参考意义。CFD用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，这其中将涉及流体力学（尤其是湍流力学）、计算方法乃至计算机图形处理等技术。对于暖通空调领域内的流动问题，多为低速流动，流速在10m/s以下；流体温度或密度变化不大，可看作不可压缩流动。从此角度而言，此应用范围内的CFD和数值传热学等同。另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，由于湍流现象至今没有完全华中科技大学硕士学位论文20得到解决，这又给解决实际问题带来很大的困难。目前暖通空调中的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。3.2湍流流动及其数学模型3.2.1湍流概述实验表明，空调房间的气流流动基本上都是湍流流动。湍流是一种流体在时间上和空间上都有某种准周期性和连续性特征的随机运动，湍流现象十分复杂。目前，人们还无法对其做出一个严格的定义。一般认为湍流有以下几个特征[37]：（1）湍流的流体质点的运动类似于分子的运动，具有不规则、瞬息变化的运动特征。（2）虽然湍流的运动参数是随机量，但在一定程度上符合概率规律，具有某种规律的平均特性。（3）湍流流场中任意两个相邻空间点上的运动参数有某种程度的关联，如速度关联，速度与压强的关联等。边界条件不同的湍流具有不同的关联特性。另外，一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的N－S方程对湍流的瞬时运动仍然是适用的，但是由于N－S方程是一组高阶非线性偏微分方程，除了少数简单问题可用解析方法计算外，一般的问题都要采用数值模拟的方法，借助计算机来求解。3.2.2湍流的数值模拟目前，湍流运动的数值模拟已成为计算流体力学和计算传热学中困难最多且研究最活跃的领域之一。已经采用的数值模拟方法可以大致分为三类[37]：（1）直接数值模拟（DNS，DirectNumericalsimulation）：又称为完全模拟。该方法通过直接求解三维非稳态的N－S方程，得到对温度场、速度场、浓度场的所有时间尺寸和空间尺寸的精确描述，对计算机的容量和速度要求非常高。由于实际工程中，在研究室内气流分布时，一般只关心某些点处某物理量（如温度，风速等）在某段时间内的平均值，而不是脉动值，所以DNS不适宜应用于室内气流组织的数值模拟。（2）大涡模拟（LES，LargeEddySimulation）：该方法最初应用于气象科学，华中科技大学硕士学位论文21其基本思想是把湍流流动用滤波方法分解成大尺度流动和小尺度流动，前者通过数值求解流动微分方程组直接计算，后者通过建立近似模型来加以考虑。由于计算是三维非定常的，计算量仍较大，因而在实际工程中也很少应用。（3）雷诺（Reynolds）时均方程法：该方法是将三维非稳态的N－S控制方程方程对时间做平均处理，建立湍流模型，然后在对湍流模型进行数值求解。根据时均处理方法的不同，该方法可分为雷诺应力方程法和湍流粘性系数法两种。雷诺应力方程法所需的计算量仍较大，尚未达到工程应用的阶段。湍流粘性系数法是目前应用最广泛的基本方法，它把湍流应力和雷诺应力表示成湍流粘性系数的函数，整个计算的关键就在于确定这种湍流粘性系数。根据求解这个湍流粘性系数所需的微分方程的个数，又可将该方法细分为零方程模型、一方程模型和两方程模型。当前建筑物室内热环境数值模拟中使用最多、应用最成功的是两方程模型中，经Launder－Spalding修正的高雷诺数εκ−模型。本文将采用雷诺（Reynolds）时均方程法中的εκ−两方程模型法对所建立的模型进行气流分布织的数值模拟。3.2.3εκ−两方程模型采用εκ−两方程模型求解湍流对流换热问题时，控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍流脉动动能κ方程及湍流能量耗散ε方程。湍流控制方程的导出是从流体力学的基本方程出发，引入时均值及脉动值的概念，经过若干假设及简化，演化成为适于湍流粘性流动的湍流时均方程。根据Boussinesq（1877）假设[37]，湍流脉动所造成的Reynolds应力也与层流运动应力那样，可以与时均的应变关联起来，即Reynolds应力可表示为：VdivXVXVpvvyijjiiyijiδµδρ32)(//−∂∂+∂∂+−=−（3－1）式中Pi——脉动速度造成的压力，定义为：)(3132P222WVUKi++==ρρ（3－2）κ——单位质量流体的湍流脉动动能，定义为：）＋＋（＝222WVU21Κ（3－3）华中科技大学硕士学位论文22iµ——湍流粘性系数湍流粘性系数iµ是空间的函数，取决于流动状态而不是物性参数，可表示为：ερµµ/2Kci=（3－4）式中ε——湍流脉动的耗散率。通过引入ε，可以把iµ与κ联系起来。另外，在模拟室内气流组织时，必须考虑空气密度变化对气流运动产生的影响。为求解自然对流中的浮升力，Boussinesq做出了关于自然对流中浮升力与密度变化的假设：（1）除了浮升力项中的密度差外，其余物性都可视为常数。（2）密度差与温度差成比例，即：）－（）＝－（∞∞TTρβρρ（3－5）式中β——容积膨胀系数T——参考温度综上所述，可得模拟室内气流组织的控制方程组如下形式：（1）连续性方程：0=∂∂XVi（3－6）（2）动量方程：iijjieffjijjiigTTXVXVXXPXVVt)()]([)(V∞−+∂∂+∂∂∂∂+∂∂−=∂∂+∂∂ρβµρρ（3－7）式中effµ——湍流有效粘性系数，teffµµµ+=（3）湍流动能方程（κ方程）：jTtjijjijitjktjjjXTgXVXVXVXKXXKVt∂∂−−∂∂+∂∂∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂σµβρεµσµµρρ)(])[()(K（3－8）（4）湍流能量耗散率方程（ε方程）：KcXVXVXVKcXXXVtijjijitjtjjj221)(])[()(ρεµεεσµµερρεε−∂∂+∂∂∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂（3－9）华中科技大学硕士学位论文23（5）能量方程：])[()(TjTtpjjjXTckXXTVt∂∂+∂∂=∂∂+∂∂σµρρ（3－10）以上控制方程组中的经验常数可按B.E.launsder与D.B.Spalding建议的值选取[38]，如表3－1所示：表3－1εκ−模型中的经验常数µc1c2ckσεσTσ0.091.441.921.31.30.9经验常数的确定主要是根据一些特殊条件下的实验结果而确定的，具有一定适用性，被广泛用于计算边界层流流动、管内流动、三维边界层流动等，并取得了相当的成功。但是，不能对其适用性估计过高，这是因为每一种模型的本身有其一定的局限性。其次，每一种模型所包括的经验常数也有一定的适用范围。上述各个方程从形式上看，均可以用下面的通用方程来表示：SgraddivVdivt+Γ=+∂∂)()(φφρρφ）（（3－11）式中φ——通用变量Γ——通用方程的扩散系数S——通用方程的源项当φ为不同的物理量时，则上述通用方程演化成对应物理量的控制方程。三维直角坐标下通用方程的Γ和S的具体表达式见表3－2：表3－2三维直角坐标下通用方程的扩散系数和源项变量ΦφΓφS连续性I00动量Ueffµ)()()(XWZXVYXUXXPeffeffeff∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂µµµ－动量Veffµ)()()(YWZYVYYUXYPeffeffeff∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂µµµ－动量WeffµgTTZWZZVYUXZPeffeffeff)()()()Z(∞−+∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂ρβµµµ－华中科技大学硕士学位论文24温度TTlpckσµ+TS紊流能量κklσµµ+BGG++−ρε紊流耗散εεσµµl+kCGGCkB221ρεε−+222222{2[()()()]()()()}lUVWUVUWV