摘要：在进行通风空调系统的气流组织设计时，通常将送风口出流简化为均匀流动。实际通风空调系统，由于空间限制，送风口前常接有弯头、三通等部件，送风口出流存在明显的不均匀。本文利用数值模拟手段，分析了某办公室房间送风口分别按实测出流特性和均匀出流特性所形成的室内气流组织，说明实际连接条件下送风口出流不均匀性确实存在，并对室内气流组织影响较大，在进行室内气流组织设计时，必须予以重视。
关键词：风口 CFD 气流组织
一 引言
室内气流组织是影响通风空调系统优劣的重要因素。恰当地组织房间气流，营造合理的室内空气流场，对于满足室内环境要求、人体舒适性的需要以及空调通风系统节能设计，都十分重要。对于一些特殊的通风空调环境，如体育场馆、洁净地，由于建筑空间内部分区域对空气流速、温度等有较严格的要求，创造合理的室内空气分布更是通风空调设计的首要问题。在这样的应用背景下，模拟预测室内空气分布对于检验通风空调设计好坏，以及指导设计人员的设计都有重大意义［1］。对于采用机械送风的通风空调系统，送风口出流特性是影响室内气流组织的重要因素。在用数值模拟方法预测通风空调房间气流组织时，通常将送风口处的气流速度简化为均匀分布［2-7］。而实际的通风空调系统，由于空间限制，与送风口连接的直管段一般较短，送风口前常接有弯头、三通等部件，送风口出流可能存在不均匀。
另一方面，随着计算机技术的发展，基于计算流体力学(CFD:Computational Fluid Dynamics)的数值模拟技术得到了长足的发展，该技术具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同工况等独特的优点［8-9］，逐渐成为暖通空调领域进行室内气流组织设计预测的重要手段。
为研究实际连接形式下风口出流是否存在不均匀以及这种不均匀对室内气流组织的影响程度，本文将对某办公楼内典型办公房间的送风口出流特性进行实测，并采用CFD方法，考察实际连接条件下送风口出流特性对室内空气分布的影响。
二 实际连接开工下风口的出流特性
本文所选择的房间为一典型的办公房间。该房间长6.74m，宽3.73m，高2.45m。室内一个会议桌、一个书柜、一个办公桌、一个电脑桌和一个文件柜。房间顶部设置空调送、回风口各一个，均为散流器，型号为青去FK10，规格尺寸为600×600m㎡,送回风口中心距离3m。室内设施具体布置见图1。
图1 某办公室内部设施布置
（1 会议桌； 2 文件柜； 3 电脑桌 4 办公桌； 5 书柜； 6 回风口； 7 送风口）
图2 送风散流器与风道实际连接
图3 散流器出流速度测量的测点布置
为了解在上述实际连接形式下散流器的出流速度分布，我们在送风散流器的每个三角形区域，沿散流器中心到边沿的方向均布8个测点，按方向分别标志为N、S、E、W，编号从d1到d8，如图3所示。四个方向总共有测点32个。实际测量时，将热球风速仪探头紧贴散流器表面进行测量，从而得到散流器出口平面上的速度分布。实际测量的结果如下：
表1 散流器出流速度，单位：m/s
|
d1 |
d2 |
d3 |
d4 |
d5 |
d6 |
d7 |
d8 | |
|
N |
3.6 |
3.7 |
3.6 |
3.6 |
3.1 |
3 |
2.7 |
2.6 |
|
S |
3 |
4.1 |
4. |
4.5 |
4.6 |
4.3 |
4.4 |
4.5 |
|
E |
3 |
3.8 |
2.8 |
2.3 |
1.6 |
0.8 |
0.7 |
1 |
|
W |
3 |
3.8 |
2.8 |
2.3 |
1.6 |
0.8 |
0.7 |
1 |
由测量结果可见，由于送风有的风道影响，送风散流器N、S两个相对方向的出流速度相差较大，按算术平均得到的平均速度分别为3.24m/s和4.23m/s。这说明，实际连接条件下，送风口出流不均匀性确实存在，就此测量工况而言，现象比较明显。
风口不均匀出流的形成主要是由于气流运动的惯性。从送风散流器与风道实际连接形式(图2)上分析，送风口前水平风管内的气流在到达直角拐弯处时，由于惯性作用，竖直连接管中形成不均匀的气流分布，远离来流一侧的气流速度大于另一侧的速度［10］。由于竖起连接管很短，管中气流的不均匀分布直接影响风口出流特性，导致风口出流不均匀。
三.实测与均匀出流特性下的气流组织比较
测量条件下，室内无明显热源，且房间维护结构的保温、密闭性均良好。可将测量环境简化为等温射流工况。为分析实际连接条件下送风口出流特性对室内空气分布的影响，在进行数值模拟时，我们选取两种工况进行对比分析。两种工况送风量相同。模拟工况一送风散流器出流速度均匀。按送风量与散流器出口面积计算平均速度为2.3m/s，以此作为流场计算的均匀入流边界条件。
模拟工况二送风散流器出流速度不均匀。按送风口流测量速度定义房间的入流边界条件。
模拟计算采用清华大学建筑技术科学系建筑环境与设备研究所开发的三给液体流动与传热数值模拟的CFD软件STACH-3。计算所用湍流模型为MIT零议程模型［11］，离散方法为有限容积法，动量方程采用交错网格(即U,V,W方程)，差分格式可以选择使用幂指数格式、混合格式、上风格式等。求解算法为SIMPLE算法，代数方程求解采用交替方向迭代解法(ADI方法)，边界条件采用将其处理为各相应变量源项的方法。［8.12-15］
选取距地面1.0m、1.5m两水平面及过关回风口中心的竖直截面为对比面，比较流场分布特性。
比较图4和图5，整个截面上，流动速度的大小和方向、流场漩涡区的位置及形状都存在十分明显的差别。在该截面的诸多位置上，两种工况下空气流动速度的方向几乎相反，工况二的流动速度大小也明显大于工况一。由于流动速度大小、方向的明显差别，漩涡区位置、形状也存在显著的差别。
图４模拟工况一，距地面1.0m水平面的速度分布 图５模拟工况二，距地面1.0m水平面的速度分布
图6和图7的情况与前面的分析相似，两种工况下整个截面上流动的大小和方向，流声漩涡区的及形状都存在同样的差别，且这些差别更显著。就整修截面上的流动速度进行比较，工况二几乎是工况一的二倍；特别是在送风口正正下方附近，工况二许多位置上的流动速度甚至比工况一的二倍还要大。
图6 模拟工况一，距地面1.5m水平面的速度分布 图7 模拟工况二，距地面1.5m水平面的速度分布
从图8和图9可以看出，工况一中送风口出流在达到回风口之前，在室内流过了较长的距离；而工况二存在较明显的送回风口气流短路。
图8模拟工况一，过送、回风口中心的竖直截面速度分布 图9模拟工况二，过送、回风口中心的竖直截面速度分布
四.结论
在进行通风空调系统的气流组织设计时，通常将送风口出流简化为均匀流动。实际通风空调系统中，由于空间限制，送风口前常接有弯头、三通等部件。本文的测量结果表明，由球状这风口前管道流动提，送风口出流存在明显的不均匀。本文的数值模拟结果进一步表明，送风口出流不均匀对室内气流组织影响较大，在进行室内气流组织设计时，必须予以重视。若仍按均匀出流条件进行室内气流组织的分析与预测，将产生较大的误差，导致设计结果不可信，甚至会违背设计的初衷，得到完全错误的结论。
参考文献
1.路延魁，空气调节设计手册(第二版)，中国建筑工业社，1995.112.赵彬，李先庭，彦启森，室内风口模型综述，暖通空调， 2000，Vol.32，33-38
3.赵彬，人空气流动数值模拟的风口模型研究及应用---博士论文开题报告(内部)
4.Yan Huo, Jianshun Zhang, Chiayu Shaw and Fariborz Haghighat, A New Method to Describe the Diffuser Boundary Conditions in CFD Simulation, Roomvent'96, 1996, pp.1-8
5.Y.Huo, F.Haghighat, J.S.Zhang, C.Y.Shaw, A Systematic Approach to Describe the Air Terminal Device in CFD Simulation for Room Air Distribution Analysis, 2000, Vol.35, 563-576
6.Nielsen, P.V., Description of Supply Openings in Numerical Models for Room Air Distribution, ASHRAE Transactions, 1992, Vol.98, pp.963-971
7.A.D.Gosman, P.V.Nielsen, A.Restivo and J.Hwhitelaw, The Flow Properties in Rooms with Small Ventilation Openings, Trans. ASME Journal of Fluids Engineering, 1980,102 p3216-3223
8.赵彬，李先庭，彦启森，用CFD方法改进室内非等温送风气流组织设计，应用基础与工程科学学报，2000，Vol.8, No.4:376-386
9.P.J.Jones, G.E.Whittle, Computational Fluid Dynamics for Building Air Flow Predication-Current Status and Capabilities, Building and Environment, 1992, Vol.27, 321-338
10.樊洪明，任鸿泽，李先庭，江亿，风口区空气流动的数值模拟，清华大学学报(已录用)。
11.Qingyan Chen ,and Weiran Xu. A zero-equation turbulence model for indoor air flow simulation. Energy and Building. 1998,28:137-144
12.赵彬，李莹，李先庭，彦启森，人民大会堂大礼堂空调气流组织现状的数值模拟分析与改进，建筑热能通风空调，2000，04期：5-8
13.赵彬，李先庭，彦启森，入口紊乱参数对室内空气分布的影响研究，建筑热能通风空调，2000，01期
14.李先庭，李晓锋，彦启森，一种求解湿空气温度和相对温度的CFD算法，暖通空调，2000， Vol.30,No.2:66-68
15.李先庭，赵彬，STACH-3程序说明，清华大学空调教研组内部报告，1999 通风设备网：http://www.tfsb.net