1、引言

　　空調設計是以經(jīng)濟技術(shù)合理的系統以及設備選型實(shí)現所要求的室內氣候環(huán)境（溫度、氣流、污染物濃度等的分布）。為實(shí)現對這些環(huán)境參數的合理控制，有必要把握其分布特征，CFD計算是除模型實(shí)驗以外的可詳細研究室內氣流分布特征的重要手段〔1-41.相比傳統的模型實(shí)驗與經(jīng)驗公式預測流體的流動(dòng)與傳熱，CFD計算具有成本低、速度快、資料完備等優(yōu)點(diǎn)。

　　很多學(xué)者對空調的氣流組織進(jìn)行了深入的研究，這些研究大多采用穩態(tài)的模型，其研究大多不考慮室內與室外的熱源、房間內部主要是空態(tài)的，這與實(shí)際運行時(shí)的情況有一定的區別。本文的研究是比較壁掛式空調在窗輻射、室內熱源與墻體熱源的情況下，對室內三維流場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行計算模擬，分析室內的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)。

　　2 、幾何模型

　　為了簡(jiǎn)化實(shí)際問(wèn)題，便于分析，在建立數學(xué)模型前對室內氣體的流動(dòng)作如下假設：

　　1）室內氣體滿(mǎn)足牛頓內摩擦定律，為牛頓流體；2）室內氣體溫度變化不大，密度可視為常數；3）室內氣體的流動(dòng)形式為穩態(tài)紊流；4）在紊流中心區，忽略能量方程中由于粘性作用而引起的能量耗散。

　　以傳統室內壁掛式空調為研究對象，對其溫度場(chǎng)進(jìn)行數值模擬計算。

　　建立房間三維立體模型，長(cháng)、寬、高分別為 5 m、4 m、3 m. 如圖 1，空調安裝高度為 2.5 m. X、Y、Z 3 方向坐標也表示于圖中，設定空調的原始參數如下。

　　幾何尺寸：800 mm×300 mm×200 mm；出風(fēng)角度：45°；

　　出風(fēng)速度：送風(fēng)速度 2.6 m/s；制冷量：2500 W；

　　出風(fēng)溫度：制冷時(shí) 18℃，制熱時(shí) 18℃。

　　根據已知參數，建立適當的房間有限元模型。為使結果盡可能接近真實(shí)情況，邊界條件設定為：6 面墻處于絕熱狀態(tài)，制冷運行時(shí)的壁面固定溫度為 30℃（制熱時(shí)為 5℃），空調本身不發(fā)熱，房間內部無(wú)任何熱源。

　　2.1 k -ε 方程模型

　　數學(xué)模型采用 k -ε 雙方程模型[3]. 模型的基本微分方程包括連續方程、動(dòng)量方程、紊動(dòng)能 k方程及紊動(dòng)能耗散率ε方程，分別表示如下：

　　k 方程：

　　ε 方程：

　　式中：

　　ρ 和 μ 分別為容積分數平均密度和分子粘性系數； μt 為紊流粘性系數，它可由紊動(dòng)能 k 和紊動(dòng)能耗散率 ε 求出：

　　式中，Cμ ＝0.09 為經(jīng)驗常數。 σk 和 σε 分別為 k 和 ε 的紊流普朗特數，其中 σk =1.0，σε =1.3. Cε1＝1.44 和 Cε2 ＝1.92 為 ε 方程常數。 Pk 為由平均速度梯度引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項，定義為：

　　數值求解算法采用控制容積法，在每個(gè)控制容積單元中對微分方程進(jìn)行積分，再將積分方程線(xiàn)性化，把控制方程離散為可以數值求解的代數方程，就可以得到相應各未知變量，如壓力、速度、紊動(dòng)能 k 及其耗散率 ε 等變量的代數方程組，然后再對方程組進(jìn)行求解，就可以求出各未知變量及其空氣的溫度（或焓值和）。

　　　3、 模擬結果與分析

　　有了以上的數學(xué)模型和物理邊界條件，筆者模擬了該空調房間的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，并選取了其中具有代表性的斷面進(jìn)行分析，模擬結果見(jiàn)以下各圖。

　　由上述空調的兩種運行狀況可以看出：在空調制冷運行時(shí)，由于冷空氣自身的下墜，靠近地面的水平面的溫度較低；由于空調射流的自身卷吸作用，加速了冷熱空氣的混合，從而使其室內溫度場(chǎng)分布較為均勻。 在空調制熱運行時(shí)，由于熱空氣的浮力作用，熱空氣難以到達地面附近，在人體垂直方向上存在溫度梯度，頭部比腳部溫度高，這是由于冷空氣較熱空氣密度大，向下趨勢明顯，從而導致房間下部要比上部降溫快。 溫度差會(huì )造成人體局部性熱感不適，隨著(zhù)時(shí)間推移溫度梯度會(huì )逐步漸小。

　　4、 結論

　　本文利用湍流 k -ε 、 k -ω 方程計算了壁掛式空調的制冷與制熱運行時(shí)的三維速度與溫度場(chǎng)，分別比較了制冷與制熱運行時(shí) 3 個(gè)不同坐標平面內的速度與溫度分布。 空調的制冷與制熱運行的兩個(gè)工況，制冷運行中出現了冷風(fēng)下墜現象，在制熱運行中有部分熱空氣未經(jīng)充分熱交換而直接回流，能量利用不充分，溫度均勻性也不好。 利用 CFD 計算可以改善室內的氣流組織，通過(guò)改變空調不同氣流出口速度、不同的出口角度從而得到合理的氣流組織形式，這是采用傳統的射流理論無(wú)法做到的。

　　參考文獻：

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