旋流风口的数值模拟与试验研究

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中图分类号： TH138.7；TU83 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.05.001Numerical Simulation and Experimental Study of the Swirl DifusersⅡ Yi-tong。，SUN Li-ying ，NA Hai-tao2，WANG Wei ，LIU Liang(1.Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Harbin Heating Company，Harbin 150009，China)Abstract： The shapes of swid difusers are relatively complex，whose modeling situations afect indoor flow field and indoor self-purification time.In order to study the influence of swid difusers infl ow conditions on the indoor flow field，the real and simplifedphysical models of the swid difusers were numerical simulated.Indoor temperature distribution and CO2 concentration were ex-perimental tested when air supplied in swirl difusers，thereby verified the correctness of the swirl difusers physical modelingmethod.The research results showed that the simplified physical model Which was given axial velocity and tangential velocity tea-sonably，can simulated indoor flow field with swirl difusers accurately，then we do not have to spend a lot of computational re-sources to calculate the real physical mode1。

Key words： swirl difusers；indoor flow field；temperature field；self-purification time1 前言在室内气流分布的模拟中，空调送风口的描述是建模的难点，随着计算流体力学(CFD)技术的不断发展，目前有很多学者应用 CFD方法对各种送风 口进行 了数值模拟研究≌调通风房间-般都是通过送风口的空气射流来实现送风和室内空气的混合，以达到空气调节和通风的目的，送风 口的空气人流条件对空调房间的空气流动情况有着重要的影响。为了正确预测室内的空气流场分布情况，需给出送风的详细参数以正确描述人流边界条件，旋流风口因其几何形状较为复杂，给送风速度和和角度的描述带来了-定的难度 J。风口射流的质量流量和动量流量对室内空气分布情况有着关键作用。因此，通过合理建立风口模型来合理描述房间人流边界条件是准确、快速地模拟室内空气流动的关键 l3 J。因此，本文将通过 2种方式建立旋流风口的物理模型，通过数值模拟对旋流风口送风时的室内温度惩 CO 浓度厨行分析和讨论，并与试验结果比较，得出可行的旋流风口建模方法。

收稿 日期 ： 2012-09-25 修稿日期： 2013-01-08资助项目： 中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目(HEUCF130210)；黑龙江省 自然科学基金资助项目(E201139)2 FI UID MACHINERY Vo1.41，No.5，20132 数值模拟2.1 物理 模 型本文研究的模拟房间尺寸为4.81m×3.31Inx2.8m，如图 1所示。送风口为旋流风口，其结构形式如图 2所示，设在房间的顶部中央处。回风口为百叶风口，尺寸为 0.56m×0.4m，设在房间侧墙下方，房间气流组织形式为上送侧回方式。

图 1 试验房间物理模型图2 旋流风口实物通过两种方法建立旋流风 口的物理模型，方法-是将经导流叶片出来的气流速度可以分解为切向速度和轴向速度 ，根据导流叶片两个直角边的边长之比求出切向速度和轴向速度之比，在Airpak里定义切向速度和轴向速度之比就可定义旋流特性；这种方法的优势是建模方法简单、节势算资源，缺点是不能考虑出风口的具体形状；方法二是按风El实物建立真实的物理模型，这种方法的优势是物理模型和实物完全相符，能够真实反应出风口的具体形状，缺点是建模方法复杂、需要把网格划分到毫米甚至更小的量级才能知道送风参数的细节，这样就将导致计算区域内网格节点数 目巨大，需要耗费较长的计算时间 。

根据实验室的气流流动情况，对所给的物理模型做以下假设和简化 ：(1)假设室内气流为常温、低速、不可压缩牛顿流体、稳态流动；(2)符合气体状态方程的等压流动；(3)室内无内热源，围护结构非绝热；(4)符合Boussinesq假设；(5)自然对流、强迫对流和辐射换热都存在的湍流流动；2.2 数学模型目前在空调房间的气流组织数值计算中，QChen提出的零方程模型得到了较多的应用，因为该模型将湍流粘度归结为当地平均速度和长度尺度的函数，应用起来非常方便，并且计算量非常小 B 。当采用零方程模型时，房间内的传热和传质模型可以由以下方程描述。

连续性方程： ·( )0 (1) r 、运动方程：G (pv ) ·(p ) - Vp ·(；)p喜 (2)能量方程：茜( ) (p ) [( K) ].s (3)传质方程：茜(p ) ·(pvYi)：- J S (4)零方程模型也称混合长度模型，可以利用下式计算紊流黏度：pl S (5)式中 P--空气密度t--时间- - 气流速度P--静压力- - 应力矢量苔--重力加速度F--其他的阻力h--空气焓值K--层流传导系数K--紊流传导系数S --热流密度- - 第 种物质的所占的质量分数.， --第 i种物质的散发流量2013年第41卷第 5期 流 体 机 械 3s --第 i种物质的散发率- - 紊流动力粘性系数z--混合长度s--平均应力率矢量系数模拟过程中需设定房间的送风浓度 c ，根据质量守恒 ，空调机组的送风浓度和回风浓度存在如下关系 ：C5：[coDr，(1-rF)GR](1-'7) (6)CRCs 卢 (7)N r NR仅∑. ∑(rn，eA )1 (8)篓 nr1 薹。 )] (r Ac JⅣ， NRCoD∑，r屁 (1-叼 )∑.(rnrRADF )(9)由式(6)～(9)可推出系统的送风浓度：[coDr，(1-r，)卢](1-71)- l-(1-r，)(1- )(10)式中 coD--室外空气的污染物浓度C --回风口的污染物浓度ASnCte--空气处理装置所有送风口对第n，个房间中与空气处理装置相连的第 个回风口可及性A --稳态下，房间n，内P点污染源可及性7 --房间 的直接新风的污染物净化效率A --全新风系统时，房间 ，内 P点污染源可及性r --第 个 回风 口风量占总风量 比列.s --房间 n，内污染源的总发散率Q --房间n 的总风量- - 空气处理设备的新风比- - 第 n 个房间的回风比7--空气处理设备的污染物去除率2.3 边界条件计算所需的边界条件如下：(1)送风口采用速度人口边界条件，送风量为250m /h，送风温度为 16。C；(2)回风 口按充分发展段处理，设为 自由出流边界条件；(3)墙壁采用第-类边界条件，即给定外界温度28℃，墙壁采用砖墙的物理属性，厚度为0.24m，导热系数为0.7W/(m·K)。

2.4 模拟结果与分析2.4.1 速度场的模拟结果与分析旋流风口送风的速度矢量分布如图 3所示。

通过图3可以看出，无论是简化模型还是真实模型的速度截面，在出风口下面都出现旋流区，效果十分明显，且沿着远离风口的方向上，射流区域不断扩大，所以说简化模型可以达到真实模型的旋流效果。

(a)简化模型 Y2.1截面ty1.271.1lO.96O.800.640.48O-32O.160.O0(b)真实模型Y2.1截面 ·图 3 速度场分布矢量2.4.2 CO 浓度场的模拟结果与分析在空调系统开始运行时，室内 CO：浓度随通风时问的变化是-个瞬态过程。瞬态模拟时，最主要的就是时间步长的确定。时间步长太长，模拟的不够准确；时间步长太短，则需要花费大量的计算资源，本文根据克朗特数(实际上是指时间步长和空间步长的相对关系)选择的时间步长是1S。本文用 fluent建立旋流风 口的真实模型，用airpak建立旋流风口的简化模型，然后对模拟结果进行分析，验证简化模型的可行性。

模拟房间的CO 平均浓度变化如图4所示，在开始的时候设定-个 CO 初场 2000 ppm(与试验房间初始值-样)，按照式(10)算出的送风浓4 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013度开始送风∩以看出在0～500s时室内浓度下降比较快，在 500～3000s时 室内浓度下降的比较缓慢。这是因为在初始时送风浓度与室内浓度相差比较大，所以稀释效果特别明显；随着时间的推移，浓度差越来越小，则浓度场稀释的越来越缓慢∩以看出，到达 1000s的时候，室内CO 浓度已经下降到了500 ppm，已经非秤近大气中的CO 含量，真实模型的自净时间要比简化模型要小-些。

ge越0U 18OO0 1500时间(s)图4 CO 平均浓度随时间变化3 试验研究实验房间的情况与模拟条件完全相同，尺寸为4.81m×2.8m×3.3lm，送风量为250m /h，旋流风口布置在房间正中心，其风口底面距地2.1m，风口直径为 0.36m。回风 口为单层百叶回风口，位于实验房间右侧的下方壁板上，尺寸为0.56m×0.4m，按照自然出流情况考虑。

3.1 试验仪 器采用Agilent数据采集器及热电偶测量实验房间的温度场，热电偶的测量范围是 -4O-375oC，测量精度是 4-0.1 oC。Testo480主机和CO 传感 器测量 CO 浓 度场，测量 范 围 0-5000ppm，测量精度是 4-1%。电子风量罩测量旋流风口的出风量，测量范围70～4000m /h，测量精度是 ±5%。

3.2 温度场测定在实验房间内均匀布置 6支测试数，每支测试树上又布置4个测点，高度分别是0.4m、1.0m、1.5m、1.8m，如图5所示。在测量温度场时，尽量避免对实验房间的扰动，数据采集器 自动记录测点的温度。

(a)测点布置平面(b)温度场测点布置轴测图5 温度场测点布置3.3 CO2浓度场测定在室内高度为 1.1m(人直坐时脸部所在截面)的平面均匀布置 4个 CO 传感器，如图6所示。首先在实验房间内焚烧纸类，使室内产生大量的cO ，并让其扩散均匀，以形成-个浓度较高的初常然后，打开 Testo480主机，其每隔 30s自动保存数据。最后，打开空调机组开始测试。

图6 CO 浓度场测点布置4 数值模拟结果与试验结果的对比与分析4.1 温度场的数值模拟与试验的对比分析根据数值模拟结果，有针对l生的选择测试断面温度常测试断面选择Y0.4m、Y1.0m、Y1.5m、Y1.8m 4个特征断面。数值模拟与试验测试鹏 则 2 3 4 -2013年第4l卷第5期 流 体 机 械 5断面温度曲线如图7所示。图中纵坐标表示温度，横坐标表示4个特征断面上的24个测点。

25.325.024.7l2 24测点图7 模拟值与试验值温度场对比l8001000l800100002000 1500 3000时间(s)(a)A测点O 1500 3000时间fs)(c)C测点数值模拟结果与试验结果对比发现，实测特征断面温度曲线与数值模拟温度曲线误差不大，最大相对误差为 I.57%。但试验温度值较 CFD模拟计算值分散，这是因为试验测试条件和测试仪器精度的影响，以及试验中受到外界不确定因素的干扰等原因。比较温度场的数值模拟和试验测试结果发现两者虽然存在-定误差，但是误差很小，这也证明所建的旋流风口模型及给出的边界条件是合理的。

4.2 CO，浓度场的数值模拟与试验的对比分析各测点 CO：浓度的模拟结果与试验值变化曲线如图8所示。

1800loooU 200l800粤 i000 妊U 2000 l500 3000时间(s)(b)B测点O 1500 3000时间(s)(b)D测点图 8 模拟值与试验值 COz浓度场对比从图7中可以看出，采用真实的和简化的旋 度增大，而简化模型忽落了真实模型的-些细节，流风口物理模型得出的数值模拟结果和试验值均 所以曲线介于两者之间。

吻合较好，只是在某-时间段有-定误差。各测点 CO 浓度的变化趋势是-致的，采用真实的和 5 结论简化的旋流风口物理模型得出的模拟值均明显低于实测浓度值。其中采用简化的旋流风口物理模 (1)采用真实的和简化的旋流风口物理模型型得出的数值模拟结果和试验值更为接近，这是 得出的数值模拟结果和试验值均吻合的较好，其因为真实模型的模拟结果应该是最准确的，CO 中采用简化的旋流风口物理模型得出的数值模拟浓度场的试验值下降缓慢是因为试验条件的限 结果和试验值更为接近，这充分证明了采用简化制，试验室排风和新风有-定的混合导致送风浓 旋流风口模型建模的可行性；6 FLUID MACHINERY Vo1. 41，No.5，2013(2)根据旋流风 El的导流叶片角度可以给出送风的轴向速度和切向速度，就可以正确描述旋流风口特性，而不必为了知道风口送风参数的细节，而把计算区域内的网格划分到毫米甚至更小的量级，导致出现计算网格数目过大而不能计算的问题。