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1、通风空调气流组织计算的C F D软件一一S T A C H 一 3赵彬 李先庭 彦启森 清华大学建筑技术科学系 ( 原热能工程系空调教研组)本文 介绍了 清华大学建筑技术 科学系 ( 原热能工程系空调教研组)开发的通用三维流体流动与传热数值计算软件一一S T A C H -3 .在简要阐明 S T A C H - 3的理论基础及其功能之后。以非等温送风、置换通风、大空间气流组织等典垒算例展示了S T A C H -3 指导工程设计的应用情况。3 .简介传统的通风空调主要采用集总参数的方法进行空调设计，房间的空调效果也用平均参数来考察.不能考虑不同室内、不同区域的差别，因此往往出现房间的设计空调
2、负荷很大，设备投资和运行费用很高的 情况 而且，空调气流组织采用传统的射流理论进行设计 川 . 无法预侧室内空气分布的详细信息， 有可能 导致室内不良 的 微环境。 随着计算机技术、 数值计算技术以 及湍 流模拟技术的发展， 计 算流体动力学( C F D : Cm p u w a i io n a l F l u i d D y n a m i c s 己 越来 越广泛地 应 用于 各工 程领 域 而C F D 应 用于 暖 通工 程须 域则 始于1 9 7 4年当时丹麦的 P .V . N i a l s e n首次对室内空气流动进行了 数值模拟a 近 2 0年来，C F D技长 己经大量
3、应月于暖通空调工程领域，并取得了相当大的成就S T A C H - 3是 清华大学建 筑技术科学系 原热能工程系空 调教研组) 穷 8 年之力开发的 三维稳态流动与传热传质的数值模拟程序， 专门针对暖通空调 领域的 通风、空调 房间内以 及室外 微环境的 摸拟仿真等问 题 S T A C H - 3 可以 模拟不同 空调系统送风气流组织形 式下室内的 温度场、 湿度场、 速 度场、 空 气年龄场、 污染物浓度场、 P M V场等，从而可以 对空调房间的气流组织、热舒适性和室内空 气品质进行全面综合地评价。S T A C H -3提供了友好的人机交互界面，用户可以通过标准的 WI N D O W
4、S图形ffO对句题进行前后处理:用户可以输入描述问题的各项条件，如墙体、出入口、热源等，方便地进行A 处理 仁 顶处! = 界面Ll. 3 S T A C H -3 主界面，见下医O a ) :用户还可以利用S T A C H -3 强大的后处理功能一将漠拟所得的速度矢量场、 温度场、浓度场、空气年龄场等用彩图直观地表示d l. 来 ( S T A C H - 3后处 理功能沂能 提供的各种窒内流动物理量场可见下面的图O b , c . d . e . f ) .2 . S T A C H -3 理论基础简介白于通风空调房间内或室外微环境中的流动通常为不可压湍流流动，困此 S T A C H
5、-3的数学物4摸型是三维不可压流体的纳维一斯托克斯 ( N -S )方程。包括:空气琉动输运过程的质量守恒、动里守恒、 能 量 守 恒、 浓 度 愉 运、 空 气 年 龄 输 运 方 程. 而P M V 场 是 根 据P .O . F a n g e r 的 理 论， 由 温 度、 湿 度 、 风 速、 辐射温度求出 的. 对于湍流模拟，S T A C H - 采 用了两个湍流模型:标准 k - r 摸型和美国 M I T建 筑系 陈 清焰等人提出 的新 零方程摸型.标准k - 盆 摸型适于 求解等 温流动. 而新的 零方程模型能快速地模拟通风空 谓 房间内的混合对流流动，同时又不失工程上要求
6、的 准确度。此外， 有别于众多 C F D程序。 S T A C H - 3 考虑了 空调风口 模型:即 将描述风口入流边界条件的基本模型和动盘模型 集成于程序中，这使得 S T A C H - 3具有鲜明的 暇通空调专业的特点，更加适于暖 通空调领域的空气流动模拟仿真. S T A C H - 3采用直角 坐标和圆 柱坐标系统.离散方法为有限容积法。求解算法为 带压力 修正的S I M P L E算法，动互 方程采用交错网格，对于离散后的代致方程组采用 A D 法迭代求解.通过对流体湍流流动的连续方程、运动方程、能量方程纷分方程、空气年龄方程等输运方程以及 尸 MV的代数方程进行求解，5 E
7、 A C H -3实现了模拟颅溯室内空气的速度矢量场、温度场、浓度场、空气年龄场以及热舒适指标 P M V场等分布的功能.一些实验验证表明，S T A C H -3 的计算梢度是可信的。有关S T A C H -3 理论丛础的详细信息和验证结果可参见5 2 3文献1 3 1 1 .3 .S T 人 C H 一 3 应用范围由于考虑了C F D技术在暖通空调领域中应用的一些特殊问姗，引几 入 C H 一J可以模拟各类问题，如室内 地板 采暖、 冷辐射吊 顶和笠 换通风等挤型空 调形式、 高大空调空间空 气流动、 蓄冰池留 热( 冷) 取热( 冷 过程等。比如，利用 g L 、 C H 一 3成功
8、解决的几个典型主要工程是: 苏州交易大厅不同送回 方式下空调能耗和空调效果的比 较分析， 通过对不同的送回风渭况的气流组织的模拟分析， 以决定最优的气流组织方案; 中央电 视台大 演描厅、天津海关报关大厅、 沈阳黎明 厂厂房、 沈阳国际会展中心等高大空间的 气流组织效果分析。高大空间的特殊性决定了其气流组织的复杂性.通过 5 1 再 H 一3进行模拟分析，可以对高大空 间的 气流组织形式和空 调通风效果作出合理的评价: 天桥剧场椅背送风气流组织分析， 椅背送风这种置换式通风是较新的空调技术，其送风速度小、 室内空 气温度明显分层， 通过 S T A C H 一 3的 模拟可以将低速、温度分层等
9、现象摸拟出来，从而合理评价其通风效果:伊朗德黑兰地铁通风效果分析，由于地铁站台是个特殊环搜， 地铁进站和出 站时的 环境尤其难以 预测， S T 人 C H 一 3 成功地预测了 非稳态的 地铁站台 通风效果: 中央电 视台新闻 演描厅 地板采暖方案分析，通过 S T A C H 一3可以 将地板采暖形成的局部热岛模拟出来r从而避免了整个大空间内的空调， 节省了 空调能耗: 清华同 方蓄冰 池蓄热取热动态过程仿真， 通过5 认C H一3的模拟分析，蓄冰池蓄热取热动态过程的温度分层流动现象被动态地显示出来，从而为霜冰池冬季用 于蓄热提供了依据。有关信息可通过 ， 爪 e m el到如下网址查询:
10、腼 p 六. 山 111: lh 二 cl l州 汁 卜ht 印户 肤w 、 、 闷 c h l介 a o l m.洲日划，、众 51 1 习 ， 一之讼、 ，尸 一 一 卜今，卜.公、 ， 、 之于、 、 、1 少 了、 . 、 - 一一， 尸 ， 洲 /了1妻 ， 。 华 二 共 莽 共 共岑下 )图oa s 丁 人 C H .3主界面图obS T A C H 一3 后处理界面之速度矢量场图2 4 J2 月 万2 4B2 522 石图ocS T A C H 一 3 后处理界面之温度场图5 2 4tl】图odS T A C H 一 3 后处理界面之浓度场圈图O e S T A C H 一3
11、后处理界面之空气年龄分布图图O f S T 人 C H一3 后处理界面之P 入 I V场图4 .应用示例4，前言从应用角度而言，S T A C H 一 3用于指导工程设计主要体现为如下两个方面:一为对不同空调通风方案下的微环境进行棋拟，通过比较分析对不同方案的通风空调效果和空调能耗进行全面综合的评价.从而得出既 节省能 耗又能保证 令人舒适的徽环境的空调 通风方案 和气流组织形式; 二为对 特殊空间的空调送风( 如大空间送风、地铁站台通风等)或特殊的空调通风方式如里换通风、冷辐射吊顶等的空调通风效果进行模拟评价和预测，这也包括对蓄冰池的蓄冷 ( 热)和取冷 ( 热)过程、家用空调器流道内空气的
12、流动等特殊流动问题的 模拟和仿真.下面以 三个工程实例说明5 1 人 C H 一 3 在指导工程设 计方面的 应用。毛 2算例分析 ( 1) 变风盆系 统非等沮侧送风 侧 送底回，叉季工况)图la为 某会议室 采用 交风t 系统的 气流 组织结 构 示愈图， 图lb为 该 变 风孟系 统原设 计方 案半负 荷工 祝下的 模拟计葬结果。由圈可见室内出 现了. 冷风下坠冲 现象，加大 送风速度可以 避免以 上情况，但是这无疑增加了 空调能耗。 通过对维持原送风t但改进送风方向为 斜上 4 5 的工况 进行摸拟，结果表明 “ 冷风下坠”问题得到改善 ( 圈I c):圈 . d 给出了冷风下坠时室内
13、热舒适指标P 卜 W场分布，从图中可以看出.由于冷风下坠。靠近风a处的工作区内P MV值较小，令人有吹风感:而改进后的工况人区 P Mv值较大，史接近零，相对令人更为浦意.由此可见，通过 S TAC H 一 3的模拟仿真，可以对不同的空调送风方案进行比较，在保证室内令人舒适的微环址前提下减小空调能耗，从而优化指导设计.( 2 ) 置换通风图 Z a为一采用置换通风的办公室示意图.对于置换通风这样的 特殊的、新型的通风形式，其 送风速阿低，室内温度分层现象明显.由于缺乏成熟可用的设计资料，所以我们难以在设计阶段对室内空仪流动5 2 5的微环境进行预测。为 此， 采用 S T 人 C H 一3进行
14、校拟仿真。 所得 结果见图Zb。由图可见，里换通风室内 沮 度 分 层 现 象 波s T 人 c 十3 较 好 地 摸 拟 出 丸进 一 步 将 计 阵 结 果 与 实 验 致 据 对 比 擎 该 计 算 结 果 和 实 验 教 姻 吻合 抽 好 . ( 详 细 的 比 较 分 析 奋 见 本 文 第 一 部 分 之 参 考 文 献 1311 4 】 ) 据 此 我 们 挂 可以 对该 办 公 室 采 用置换通风的效果作出合理的评价.( 3 ) 大空间送风图3 幼 给出某大会觉的气流姐织计算结果 ( 夏季工况) 。 图中给出 工况为 该大会童气流组织的改进设计方案。 相比原来的工况而言，该工况
15、加大了底部回风，并在侧方增加了斜下 4 夕的送风口。由图可以看出，侧方增加的的料下 4 5 。 送风可以 将顶送风诱导送至工作区，形成利于人区温度分布的流型，井可改进局部区域的温度分布加大的底部回风口可减小回风速度，避免对观众腿部的吹风感。我们对其改造前的气流组织工况也进行了摸拟仿真，发现存在的问题和会堂内观众感受一致.有关详细情况可参见本系有关内部报告.图 la 室内非等温送风示意图图 tb室内非等温侧送风 ( 水平送风，冷风下坠)图Ic室内非等温thlJ送风 ( 斜 卜4 5 一 送风，消除冷风下坠)5 2 6圈I d室内非等沮侧送风P M V分布 ( 左:冷风下坠. 右: 改善后工况)图
16、2 .置换通风房间示意图丫 22 . 011O 妄 经 点 连 轰x于一. -0 n na o . o图2 b置 换通风温度，速度分布图1 1. I J亡 t.它 由 . 曰. 1-图3 a某大会堂速度分布图5 2 7图 3 b某大会堂沮度分布图5 .小结S T A C H -3是为暖通空调专业度身定傲的 C F D模拟软件，它具有强大的前、后处理功能，能把抽象复杂的问题以形象直观的结果和图形表示出来.由于开发者的暖通空调应用背景，S T A C H -3可根据暇通 空调各 类问 厄的实 际豁 要 进行 修改， 解决高 大空 调 空间 气流 组织 设计 ， 地板 采暖 和冷 辐射吊 顶以 及置换 通 风等新的空调形式的设计和评价、 蓄冰池蓄热 ( 冷取热 ( 冷) 等动态过程的仿真的等问题 实际应用和 实验验证都表明， S T A C H -3具 有快速、保证工 程上准确 度的 特点， 其后处 理的各物理量场直观分布和动画演示给非空调专业人员提供了很好的了解、评价建筑环境和设备的途径.注:S
