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1、华中科技大学 硕士学位论文 CFD技术在洪山体育馆气流组织设计中的应用 姓名：毛羽 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 20061106 I 摘 要 近几年来，随着计算机大容量化和高速度化以及计算流体力学（CFD， Computational Fluid Dynamics）的发展，应用 CFD 技术模拟预测高大空间建筑空调 系统的气流组织、热舒适性以及优化设计方案成为可能。 因此，本文配合洪山体育馆正在进行的空调改造工程，对设计院提出的上送下 部分散回风空调系统方案，利用 Fluent 公司推出的专业软件 Airpak 对其空调系统的 热舒适性与气流组织开
2、展了模拟研究，以期研究结果能对实际的空调改造设计具有 指导价值。本文首先介绍了关于体育馆这类大空间建筑空调室内空气分布的预测的 两种手段即，模型试验和数值模拟。并对 CFD 计算原理和方法从数学理论的角度进 行了全面阐述，在此基础上，确定了该技术应用于高大空间建筑空调系统模拟研究 的可行性。基于此方法，在随后的几个章节中本文作者就武汉市洪山体育馆比赛大 厅由设计院提出的改造设计方案展开了模拟研究和评价分析，并利用模拟的结果帮 助设计方案的改进，将 CFD 技术引入到气流组织设计中，具体内容如下： 1首先介绍了比赛大厅空调系统主要设计参数和设计院的初步设计方案。并一 次为基础对整个比赛大厅进行物
3、理建模，通过 Aiapak 软件模拟此空调方案下，夏季 比赛大厅内气流组织分布和热舒适性状况，并根据模拟结果对初步设计方案提出有 益的修改意见，最终完成施工图的设计 2在对比赛大厅设计方案分析的基础上，提出了分层空调的设计方案，并对其 夏季工况进行了 CFD 模拟研究。最终对两种方案进行比较。以期能够为以后在高大 空间空调系统设计和改造时提供实用的参考依据。 由于本次研究的对象为改造工程，所以方案的实施受到原有建筑结构的以及甲 方投资的限制及要求，最后所确定方案不一定满足最佳的气流组织分布和热舒适性 状况，但是能够为以后的新建项目提供使用的参考依据。 关键词：高大空间建筑 气流组织 CFD模拟
4、 热舒适 II Abstract In recent years, with the development of computer industry and computational fluid dynamics (CFD), it becomes possible to use CFD technology to simulate and predict air distribution and thermal comfort condition in a lofty building in order to make an optimal design system. With the
5、 aid of the professional software Airpak 2.1 developed by Fluent Co., a thermal comfort and air distribution of air-condition system in Wuhan Hongshan Gymnasium Hall was simulated and studied to make an instructive proposal to the practical air-condition improvement design. First, two methods includ
6、ing model experimentation and mathematical model to predict the air distribution in a large space building such as gymnasium were intro- duced. And then, elaborate introduction of numeral principle and arithmetic to CFD was presented through a mathematic aspect. Based on that, the feasibility of sim
7、ulating a air-condition system in a large space building was confirmed. In the following chapters, simulation research and evaluating analysis about the reconstruction design was exhibited. With the result of the simulation the design proposal was improved. The detail about this paper includes: 1. F
8、irst the main design parameters and primary design proposal of the air-condition system for the gymnasium were introduced. Based on the simulation research on the inner environment in summer by simulative method, the air distribution and thermal comfort condition in the gym in summer was analyzed un
9、der the primary design proposal. The result is expected to supply a practical reference to the later air-condition system design and rebuilding for a large space building, 2. A layered air-condition design proposal was raised based on the analysis to the design for the gym. The operation condition i
10、n summer was studied through the CFD simulation. At the end, the above two design proposals would be compared together. As the studied target was a reconstruction project, the execution of the design was restricted by the existed building structure and limited investment of desire-party. The final I
11、II confirmed design may not satisfy the best air distribution and thermal comfort condition, but it can be a very good reference to the future newly-building project. Keywords： large space building, air distribution, CFD simulation, thermal comfort 独创性声明独创性声明 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
12、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
13、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 1 1 绪 论 1.1 课题研究的背景 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，我国体育健儿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
14、、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，建筑能耗问题己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，以使得馆内空气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。 我国体育馆的建设发展迅速，截至 1995 年底建成体育馆 883 座（总席位约为 200 万个）1。解放前的体育馆基本上不设空调，1950 年代末起，北京和各省所建的体 育馆大都设置了空调。改革开放后体育设施得到了高速发展，为 1987 年第 6 届全运 会建设
15、的广州天河体育中心，1989 年为亚运会建设的北京奥林匹克体育中心和许多 比赛场馆，以及 1997 年为第 8 届全运会建设的上海许多体育馆均设置了空调装置。 早在 1961 年为 26 届世乒赛而建的北京工人体育馆成功的设计了喷口送风方式。湖 北省工业建筑设计院（现中南建筑设计院）于 1980 年代首次研制了旋流送风口并成 功地应用于洪山体育馆，实现了分区旋流送风空调的实践2。 1.2 本课题研究的来源和目的 1.2.1 大空间建筑热环境特征 体育馆属于高大空间建筑，高大空间特征： （1）高度高； （2）高大空间的外墙 2 与地板面积之比较大。居留区特征：大空间建筑高度大，室内体积远较通常建
16、筑大， 居留区一般仅为大空间底部的一部分，人员密度较大，有较高的舒适性要求，而上 部非居留区则无舒适性要求。热环境特征： （1）受日射影响大，垂直温度梯度大， 空气分层现象突出； （2）居留区与非居留区对室内热环境有明显不同的要求； （3）夏 季空调上部结露现象严重，冬季热空气难以达到居留区。使用特征：大空间建筑由于其 使用目的不同，室内对热环境要求也各有所不同。 如体育馆必须同时满足观众席观赏 和运动场运动员运动需要的舒适性，而博物馆、展览馆等则要求同时满足居留区观众轻 微活动与物品存放所需的热环境。空调特征： （1）室内空调有分区要求，各区空调设计 参数不同； （2）由于结构因素，送回风口难以布置在所需的居留区内； （3）大空间建筑 经常采用上部开口排出室内一部分余热，开口对空调参数和热环境的影响难以确定。 下表列出了典型大空间建筑的特征。 表 1-1 典型大空间建筑综合特征2 环境控制对象种类空间特征 控制区对象 环境控制方式 多功 能厅 a.顶高 515m b.底部为比赛场 c.人员密度小 比赛场状态： a.活
