Simulation of indoor air flow in ventilated room by zero-equation turbulence model | ||||||||||||||||||||||||||
摘要:利用带浮升力效应的k-ε湍流模型和一个新零方程湍流模型对某房间内空气的混合对流流动进行了数值模拟,通过比较发现,新零方程湍流模型与实验数据吻合得更好,且可以很快获得收敛解。利用新零方程湍流模型对房间内的等温流动、非等温流动进行了模拟,发现数值计算结果和相应实验数据吻合得很好。由此考察和验证了新模型对暖通空调领域中流动和传热问题的实用性和可靠性,可以利用该模型快速、精确地设计和分析暖通空调领域中的室内空气流动问题。 关键词:室内空气流动;数值模拟;湍流模型;零方程 Abstract Mixed convection flow in a ventilated room was simulated using the k-ε model and a new zero-equation turbulence model. Comparison of the numerical results and the measured data showed that the new zero-equation turbulence model gives more satisfactory results in shorter time. The isothermal and non-isothermal airflow in an air-conditioned room were then simulated with the zero-equation turbulence model. The simulated results agreed well with the experiments. Therefore, the new zero-equation turbulence model is recommended for heating, ventilating and air conditioning industry because it is quick and so efficiently accurate for engineering studies. Key words indoor airflow; numerical simulation; turbulence model; zero-equation model | ||||||||||||||||||||||||||
1974年P.V. Nielsen 首先将计算流体动力学CFD (computational fluid dynamics)技术应用于暖通空调工程领域,如今,可以利用CFD技术模拟预测空调房间内的空气流动,进行气流组织设计与分析.但是,在应用中也存在一些问题,如何快速、准确地在模拟预测工程中需要优化比较的大量工况是其中最为迫切的一个问题.这主要取决于湍流模型的选择.由于通风空调房间室内空气流动多为湍流流动,而人们对湍流机理的认识还不全面,故对于工程应用,目前多为半经验的、唯象的模拟。限于目前的计算机能力,工程中最常采用的是涡粘系数模型EVM(eddy viscosity models)中的k-ε两方程模型或其变形。但是k-ε模型对于等温流动情形能模拟得很好,对于空调通风房间内的非等温,混合对流流动却有较大的误差[1.2] 。Nielsen于1998年指出,对于热羽流,贴壁射流,温度分层流动等需要不同的湍流模型进行模拟方能取得满意的精度[3],而这些流动形式往往并存于实际上的空调房间,采用标准的k-ε模型势必导致很大的误差。而k-ε模型的变形,如低雷诺数k-ε模型可以取得较好的精度,但是其计算量已相当于复杂二阶封闭模型或大涡模拟的计算量,无法被工程界所接受。
气流组织实验在一个5.49m×2.44m×7.35m的小室中进行。实验数据通过烟气流线方法获得。整个空气流型由一个贴附吊顶的弯曲的自由空气射流,顶射流,和一个大的再循环漩涡体现(见图2)
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4 MIT零方程湍流模型的应用
采用MIT零方程模型可快速双不失工程上精度地对室内空气流动进行数值模拟。为了考察该湍流模型在室内空气流动中的实用性,此处再给出几个不同类型的算例,以说明该模型在室内空气流动数值模拟中的优越之处。计算工具为上述的清华大学建筑技术科学系自行开发的STACH-3。
4.1 室内等温流动
采用的算例和实验资料是1990年Nielsen等人对图6所示的房间进行的测试数据[8]。该房间尺寸为:高度H=3.0m,长高比L/H=3.0,宽高比W/H=1.0,送风口高为h,h/H=0.056,回风口高为t,t/H=0.16,送风速度v0取为取为1.0m/s,水平入流。此处将采有用X/H=1.0和X/H=2.0两个断面上,时均速度v沿高度方向Y的分布来进行对比和分析。
图6 实验房间示意图
图7为上述两个断面上的实验结果和计算结果的对比,由图可以看出,对于等温流动,MIT零方程模型仍然能取得和实验数据吻合得很好的模拟结果,并且,对于本次计算所用网格数(37×20×3),在PIII500,128M内存微机上只需3min即可获得收敛结果。
图7 速度沿高度方向分布
4.2 室内非等温流动
文[9]为了验证房间通风情况数值计算的结果,进行了如下实验:在一间长×宽×高为4.2m×4.2m×2.8m的小屋内非等温送风,采用顶送风,送风口为宽度0.024m的条缝风口,回风口位于小屋右下角,高为0.05m.。斜向下45°送风,送风量为0.06m3/s, 送风温度为15.5℃,回风温度为22℃,送、回风温度为6.5℃,室内由电加热器模拟均匀分布热负荷19W /m3。房间结构如图8所示。
图8 实验及计算用房间示意图
通常人们关心的只是工作区的温度和速度值,故实验所测点为房间正中(长度方向一半处,X=2.1m)高度依次为0.15m,0.6m,1.2m,1.8m处的温度和速度值。利用前述模型进行计算,所得结果如图9所示。由图9可见,各实验点与模拟值的速度差值均在0.08m/s以下;温度相差也很小,最大差值仅为0.8℃。说明计算值和测量值吻合较好。在前述计算机上,对于本次计算采用的网格数(24×16×14),大约计算10min即可收敛。
图9 实验与计算值对比
5 讨论
通过以上分析得知,采用MIT零方程模型对室内空气流动数值模拟可以获得和实验数据吻合得很好的结果。在CFD发展初
期,限于当时计算机技术的水平,对于湍流的模拟多采用简单的湍流模型,如普朗特混合长度模型等。随着计算机技术的不断发展以及对湍流认识的提高,人们开始采用一些复杂的湍流模型,如常用的k-ε模型等。但是实践表明,k-ε模型对很多问题仍不能获得满意的模拟结果,故出现了更为复杂的湍流模型,如Reynolds应力模型(RSM)、代数应力模型(ASM)等高阶封闭的模型。这些模型需要求解的微分方程均在10个以上,对于工程中需要求解的复杂,三维耗时太多,无法满足工程应用快速的需要,而且,对于某些特定问题,这些复杂模型的模拟结果并不比简单模型模拟得效果好[2.7]。于是,近年来零方程等简单模型又为众多学者所重视。
需要指出的是,这些简单模型是建立在高级的湍流数值模拟技术基础上的,如上述的MIT零方程模型即是借助直接数值模拟的结果提出的,这正表明了"否定之否定"的哲学原理。当然,由于零方程模型本身的局限性,它在特定领域内的适用性还需要在实践中接受进一步的检验。
6 结论
1)对于室内空气自然对流和强迫对流共存的混合对流流动,采用MIT零方程模型能获得比带浮升力效应的k-ε模型更为准确的结果。
2)MIT零方程模型对室内等温和非等温流动能快速获得模拟结果,并能保证一定准确度,可以用于暖通空调工程室内空气流动的数值模拟,指导设计;
3)针对性强的零方程湍流模型对特定问题能比复杂湍流模型取得更好的结果,这可满足工程应用快速高效的要求,但其适用性需要在实践中进一步检验。
参考文献(References)
[1] CHEN Qingyan, Moser A, Huber A. Prediction of buoyant , turbulent flow by a low-renolds-
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[4] Tritton D J. Physical Fluid Dynamics [M]. Clarendon Press, Oxford, 1998
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[M]. Krips Repro Meppel, 1998
[6] XU Weiran. New Turbulence Models for Indoor Air Flow Simulation [D]. USA: Massachusetts Institute of Technology, 1998.
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