摘要：以某办公房间为例，利用计算流体力学（CFD）技术，对办公房间通风方案进行模拟。本文重点分析了通风过程中工作区的空气速度矢量、温度和空气年龄分布特性，以此为依据评价了室内的空气质量，并以此对送回风口的位置进行了调整，找到了较好的通风方式。对计算过程及结果的分析表明，送回风口的位置不同，不仅对室内的空气环境质量有影响，而且还会影响网格的划分与计算收敛的情况。
关键字：CFD，通风，空气年龄，空气品质
1 引言
随着科技的快速发展，人们在室内度过的时间越来越多，也越来越长，室内空气环境也愈显现出它的重要性。他的好坏不仅仅关系到人的舒适与健康，也会影响工作人员的工作效率甚至工业产品的质量和效率，还与创造室内空气环境需要的能量关系密切。而室内环境的质量是温度、湿度、风速、空气新鲜程度和污染物分布的综合评定，请看参考文献[5]。
现就一普通办公房间研究不同送回风口的位置对室内空气环境的影响，特别是要对人员活动的区域进行考察研究（因为人在办公室内工作有特定的工作区，以人为本的思想也得到了体现）。并以工作区的空气质量为评判重点来调整送回风口的位置，以便找到更优的通风方案，此方案既能使室内有良好的空气流动形式，而且又减小能量的消耗，为实际安装送回风口作了较好的理论铺垫。对计算过程和结果的研究分析表明，网格的划分以及计算的收敛情况也与送回风口的位置有关，且顶上送风不利于计算的收敛，但它能保证较好的空气质量。
2 物理数学模型
2.1 物理模型
房间的大小为2.8m×3m×4m，内部的设置如图1所示：有一人，一台电脑，一盏灯， 在左边的墙上有 一个窗户，此外还有送回风口，其中红色时送风口，绿色为回风口，图上显示的是第五种方案的送回风口的位置。 房间内气体流动是稳态的自然对流、强迫对流和
辐射换热都存在的湍流，气体物理特性是常温、低速、不可压缩流体，符合Boussinesq假设和理想气体状态方程。
2.2 数学模型
室内空气流动为不可压湍流流动，其流动和传热过程可用如下通用的时均化控制方程表示：
.png)
图1 办公房间的简单模型
(1)
.png)
其中代表流动的速度、温度以及湍流参数等物理量，对于相应的湍流模型，还代表有关的湍流参数，如湍流动量、湍流动能以及湍流动能耗散率等。计算中采用室内零方程模型模拟湍流。室内零方程模型是专门用于解决空调通风房间室内空气流动和混合对流换热的，具体可以参考文献[3]。式（1）各项的具体含义可参见文献[1]。
求解要带有边界条件，本文送风温度为13.5摄氏度，风速为0.85m/s， 相对湿度为50%（方案3、4、5未考虑空气湿度）；回风温度为环境温度；室外温度取30.5摄氏度。人、电脑、日光灯的功率分别为75瓦、108瓦、40瓦。送风口的尺寸为0.35m×0.35m，回风口为0.4m×0.4m。由于气体的流动是稳态的，初始条件不用给出，选择合理的初始值，有利于计算的收敛。
此外由于房间温度较高，送风温度仅13.5摄氏度，会出现下沉，温差较大对空气密度有影响，既要考虑浮升力又要考虑密度的变化，就需要在设置Problem的时候对重力区做进一步设置（如图2所示）。详细说明请见参考文献[2]。
.png)
图2 重力区的高级设置
3 模拟方案的设定
本文共设置了五个方案：方案1为进回风口均在右边墙上，且上进下出；方案2在方案1上进行了改变，将回风口移到左墙下方；方案3在方案2上进行了调整，将送风口移到房顶靠右；方案4在方案3上将回风口也移到了房顶且靠左前方；方案5在方案4的基础上将送风口移到右墙下方。本文想通过这五个通风方案最后通风效果的比较，得到最优的通风方式。主要通过计算室内速度矢量、温度和空气年龄的分布来衡量空气环境质量。
4 求解计算
计算网格按六面体网格划分，求解算法为SIMPLE算法，具体内容可参见文献[1]。模拟工具为专业CFD软件Airpak2.0，Airpak软件针对室内空气流动数值分析开发风口模型、新零方程湍流模型、人体模型等，具有自动化的非结构化、结构化网格生成能力，可计算的问题包括定常与非定常流动、不可压缩和可压缩流动、组分输运方程、热辐射等，并且可以求解PMV、PD和空气年龄等通风气流组织的评价指标，采用FLUENT软件作为其核心的求解器，详细资料见参考文献[2]。
松弛因子的设置：由于室内气流速度较低，需将压力的松弛因子提高（0.3换为0.7）有利于压力的快速收敛，同时把动量项变低（0.7降为0.3）有利于稳定。具体解释可见参考文献[2]。
计算过程中五种方案的网格划分的参数都是一样的（除部分加密外），但是所得的网格数并不完全相同。方案1和方案3均对进回风口进行了加密，但方案1所的网格数为8911，方案3为9494；方案2、4、5均未加密所得的网格数分别为6678、6586、6318。虽然差别不是很大，但仍能说明网格的划分与模型有关。此外最后计算的收敛情况也有差异，特别是方案3和4与其它三个方案差别较大（如图3：方案1只用迭代262次，而方案3要483次）。可见进风口在屋顶不利于计算的收敛。
a 方案1的残差 b 方案3的残差
图3 收敛情况比较
.png)
5 计算结果与分析
本文比较了5种通风方案在稳态工况下室内速度矢量、温度和空气年龄的分布情况，从中选取最优结果作为最终的通风方案，最终通风方案的进出风口位置如图1所示，即方案5。下面以某中间方案（如图4所示）作为参照方案，将其计算结果与最终方案进行比较。
在人员工作区取水平切面，观察参照方案与最终方案的室内速度矢量、温度和空气年龄分布，分别如图5、图6、图7
.png)
图4 参考方案的进出风口位置
所示。
通过图5可看出，最终通风方案在工作区的速度矢量稍低于参照方案。因此，采用最终方案人员会感到更舒服，不会因风速太大而难受。
温度分布图可以表明，最终方案室内的温度明显比参照方案低很多。因此最终方案能够有效的降低室内的温度，适用于较大热负荷的房间，能够节约能源。
空气年龄分布可以反映室内的空气新鲜程度和通风方案的通风效率。通过图6可看出，最终通风方案在人员工作区的空气年龄在150s左右，且明显低于于参照方案。这表明最终方案通风效率好，可以普遍应用，能够使室内的空气保持清新。
a 参照方案
.png)
b 最终方案
图5 速度矢量分布
a 参照方案 b 最终方案
图6 温度分布
a 参考方案 b 最终方案
图7 空气年龄分布
但是就本房间而言，由于热负荷较低，室外的温度又不是很高，最终的通风方案室内的温度太低，人呆在里面会感觉到冷。要使人感到更舒适应该适当提高送风的温度或减小送风量。
6 主要结论
通过本文分析可以得到以下结论：
（1）从计算的过程可以知道，网格的划分不仅与各参数的设定有关，还与模型有些联系；除了网格的划分、边界起始条件以及设置的参数会影响计算的收敛，同时模型也会对其产生影响。
（2）从下面送风比房顶和上面送风都要好，下面送风不仅能够保证使室内的温度迅速降低，还能很好的室内空气的新鲜程度。一方面下面送风使地板温度受送风温度影响，地板表面与常规空调比，夏季低，冬季高，可利用辐射影响提高室内人员的舒适性；另一方面，下面送风的风口位于房间的下部，送入的新鲜空气首先进入人员的呼吸区，随着气流的上升带走污染物，因而可以提高室内人员活动区的空气品质。此外，由于人员活动区的风速要求较低，下面送风的效率又较好，可以适当降低送风速度，从而减小了风机的功率，达到节能的目的。
总之，下面送风用相对于传统送风更少能量，却能更好的使室内人员活动区的空气品质达到人员要求，符合普遍要求。
7 研究感受
通过对进回风口位置的研究，我深刻体会到风口位置的重要性。现在下送风很盛行，它的效果比下面送风更好，而且它的安装更简单，使室内更美观，还节省了大量材料，具体见参考文献[4]。因此科技发展是没有止境的，我们是不能停止学习的。只有不断的学习，掌握更多的科技文化知识，才能进行最先进的研究，找到更符合人们要求的技术方法。
参考文献：
[1]王福军. 计算流体动力学分析——CFD 软件原理与应用. 北京：清华大学出版社，2004；
[2] Fluent Inc.. Airpak 2.0 User’s Guide. Fluent Inc., 2001；
[3] Xu WR. New Turbulence Models for Indoor Air Flow Simulation, ph.D.thesis, Massachusetts
Institute of Technology,1998；
[4] 范存养. 办公室下送风空调方式的应用.暖通空调 HV&AC(1997年第27卷 第4期)；
[5] 蔡浩. 计算流体力学——室内空气数值模拟（讲义）. 南京：解放军理工大学工程兵工程学院，2008