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1、第三类边界条件数值模拟室内热环境及其实验验证贾玉凤 邹志军 黄晨 罗行 李俊红摘要： 本文应用数值模拟软件，利用第三类边界条件对某实验房的室内热环境进行数值模拟，并通过实验进行验证。验证结果表明模拟值与实际测量值基本吻合。在数值模拟验证的基础上，论文通过设置不同围护结构热工特性、室外空气温度、以及送风参数的模拟，得到了相应室内热环境随围护结构热工特性、室外温度、送风参数变化的特性与规律，进一步扩大了实验范围，充实了实验手段。 关键词： 数值模拟 实验验证 变参数模拟 0.引言随着计算机的大容量化和高速度化以及计算流体力学的发展，在室内热环境方面，特别是大空间建筑室内热环境设计中已逐渐普及采用C
2、FD来解决室内气流组织、热环境等问题的研究1，从而使室内热环境特性研究及其全面评价成为可能。本文应用软件Airpak，利用第三类边界条件对某实验室室内热环境进行数值模拟，并通过实验予以验证，进而利用数值模拟对室内热环境特性进行分析。1.环境实验室简介如图1所示，环境实验室内尺寸为4.9m3.5m2.5m，墙体均采用保温材料。气流组织采用顶送下回，送风口尺寸为16cm69cm，距东墙中侧设有一30cm30cm的回风口。室内东西墙附近各有一个散热器，图1中Z向为北向。2.数值模拟计算与结果2.1 物理模型及数学模拟概况模拟用物理模型如图1所示，其墙体传热系数为0.383W/(Km2)，墙外侧温度2
3、8。送风速度为2.35m/s，送风温度17.8，靠近东、西墙处的散热器散热量分别为840W、2410W，且室内日光灯关闭。数值模拟用数学模型为K-紊流模型，利用第三类边界条件对房间进行热环境模拟。对送、回风口及回风管处、散热器等采用了网格加密的处理，总网格数18655个。2.2 数值模拟结果2.2.1 温度场分布如图2（a）、（b）所示，沿着风口自上而下，温度逐渐变化。近风口处等温线密集，温度分布存在明显的扩散现象。在图2（a）中，由于右侧存在一个散热器，导致了两边温度分布并不对称。在图2（b）中，水平方向温度梯度明显变小，存在衰减现象，回风口处等温线相对稀疏，房间居住域温度变化相对缓慢。图2
4、（c）为南墙表面的温度分布，从图中可以看出，墙面自下而上温度逐渐升高，离风口较远处的温度相对较高，等温线较密集。图中所标数字单位均为。 2.2.2 速度场的分布图3为室内速度场模拟结果。模拟结果表明，射流断面速度从射流中心开始逐渐向边界衰减并沿射程有所变化，导致流量沿程增加，射流直径略有增大。回风口的气流近似于流体力学中所述的汇流。离开汇点距离越大，流速衰减越大，呈二次方衰减2。从图中可以看出，风口下方速度较大，自上而下存在衰减现象。其余区域速度较小。图3（a）中，气流在左右两侧各形成一个较小的涡流。图3（b）中，除送风口与回风口处速度较大，整个房间的速度较小，且分布比较均匀。3.实验验证3.
5、1 实验布点与测量方法实验中共布置九个速度测点，在宽度方向上取中间截面布置七个点，两个散热器附近各布置一个测点。空气速度采用万向风速仪，其输出信号通过Fluke采集器进行集中采集。布点位置如图4（a）所示。采用垂直方向上均匀布点的原则，实验中布置二十个温度测点，采用带防辐射屏蔽罩的T型热电偶进行测试，数据采集通过Anjelun采集器集中采集，每分钟采集一次，布点位置如图4（b）所示。3.2 实验结果与模拟值的对比分析表1、表2分别为图4（a）、图4（b）各测点实验值。定义系列测定误差为：其中 xs实测值；xm模拟值；n测点总数。计算时剔除最大偏差值。经计算，速度系列误差v=0.15m/s，温度
6、系列误差t=1.66。速度误差相对较大，这是由于在速度均匀区域测点较少，某些点实测值与模拟值相差较大造成的。温度误差相对较小。对比表中的各个数值，说明模拟热环境与实际热环境基本一致，数值模拟结果可靠。表1 速度模拟值与实测值比较 测点序号123456789实测值(m/s)2.131.731.690.110.170.090.70.181.16模拟值(m/s)2.041.711.350.140.110.160.520.120.08表2 温度的模拟值与实测值 测点序号12345678910实测值（）25.225.9925.2618.4920.220.8220.5724.3823.9423.75模拟值
7、（）22.9622.7622.4618.6919.5520.1120.1623.8623.4823.2测点序号11121314151617181920实测值（）23.7522.8924.322531.4225.1524.1223.0322.9623.35模拟值（）22.8222.1424.6923.5522.6722.4522.3723.7423.226.914.室内环境特性模拟对围护结构传热系数、室外空气温度、以及送风温度、速度等参数进行了变参数模拟。选取在房间中间位置点10和靠近出风口处点5作为观察对象。（参看图4（b）4.1 变送风参数模拟结果分别设置送风温度14、16、17.8、20、
8、22，由图5（a）可知，随着送风温度的增加，点10，5的温度都在增加，室内温度也随之升高，点5温度增加的趋势要高于点10。分别设置送风速度1.8、2.1、2.35、2.7、3.0m/s，由图5（b）可知，随着送风速度的增加，点5的速度增加趋势略为明显，这是与点5位于风口附近，受送风速度影响较大有关。点10的风速变化并不明显，速度较均匀。4.2 变热工参数的模拟结果分别设置墙体的传热系数为0.383、2.5、4.5、6.5、8.5W/(Km2)，其他参数不变，由图6可知，随着传热系数的增加，室内温度略有升高。这是因为随着传热系数的增加，材料的保温性能降低，比较容易受到室外参数的影响，点5影响较小
9、。5.3 变室外温度的模拟结果分别设置送风温度20、24、28、32和36，由图7可知，随着室外温度的升高，点10，5的温度略有增加，室内热环境受室外温度影响较小。6.结论采用Airpak软件对某实验室热环境数值模拟，经实验验证结果表明基本吻合，模拟结果可靠。利用经验证后的数值模拟体系进行一些列变参数模拟结果表明，随传热系数增加，室温提高，当传热系数增加到2.5 W/(Km2)以上后，室温影响减弱，这是由于室内热源较大，墙体热工参数影响相对减弱所致。此外室内温度受送风参数影响较大。通过论文研究表明，借助一定的实验，利用数值模拟研究室内热环境是一种比较有效、可靠的研究方法，其研究成果可为空调设计
10、提供参考和指导。参考书目：1 黄晨等.大空间建筑室内垂直温度分布的研究.暖通空调.1999,No.5.2 赵荣义等.空气调节.北京: 中国建筑工业出版社,2002.151-156.劳德诺又道：“当时我问师父：林家这辟邪剑法威力很大么？青城派为甚么这样用心修习？师父不答，闭眼沉思半晌，才道：德诺，你入我门之前，已在江湖上闯荡多年，可曾听得武林之中，对福威镖局总镖头林震南的武功，如何评论？我道：武林中朋友们说，林震南手面阔，交朋友够义气，大家都买他的帐，不去动他的镖。至于手底下真实功夫怎样，我不大清楚。师父道：是了！福威镖局这些年来兴旺发达，倒是江湖上朋友给面子的居多。你可曾听说，余观主的师父长青
11、子少年之时，曾栽在林远图的辟邪剑下？我道：林林远图？是林震南的父亲？师父道：不，林远图是林震南的祖父，福威镖局是他一手创办的。当年林远图以七十二路辟邪剑法开创镖局，当真是打遍黑道无敌手。其时白道上英雄见他太过威风，也有去找他比试武艺的，长青子便因此而在他辟邪剑法下输了几招。我道：如此说来，辟邪剑法果然是厉害得很了？师父道：长青子输招之事，双方都守口如瓶，因此武林中都不知道。长青子前辈和你师祖是好朋友，曾对你师祖说起过，他自认这是他毕生的奇耻大辱，但自忖敌不过林远图，此仇终于难报。你师祖曾和他拆解辟邪剑法，想助他找出这剑法中的破绽，然而这七十二路剑法看似平平无奇，中间却藏有许多旁人猜测不透的奥妙
12、，突然之间会变得迅速无比。两人钻研了数月，一直没破解的把握。那时我刚入师门，还只是个十来岁的少年，在旁斟茶侍候，看得熟了，你一试演，便知道这是辟邪剑法。唉，岁月如流，那是许多年前的事了。”林平之自被青城派弟子打得毫无招架之功，对家传武功早已信心全失，只盼另投明师，再报此仇，此刻听得劳德诺说起自己曾祖林远图的威风，不由得精神大振，心道：“原来我家的辟邪剑法果然非同小可，当年青城派和华山派的首脑人物尚且敌不过。然则爹爹怎么又斗不过青城派的后生小子？多半是爹爹没学到这剑法的奥妙厉害之处。” 只听劳德诺道：“我问师父：长青子前辈后来报了此仇没有？师父道：比武输招，其实也算不得是甚么仇怨。何况那时候林远
13、图早已成名多年，是武林中众所钦服的前辈英雄，长青子却是个刚出道的小道士。后生小子输在前辈手下，又算得了甚么？你师祖劝解了他一番，此事也不再提了。后来长青子在三十六岁上便即逝世，说不定心中放不开此事，以此郁郁而终。事隔数十年，余沧海忽然率领群弟子一起练那辟邪剑法，那是甚么缘故？德诺，你想那是甚么缘故？“我说：瞧着松风观中众人练剑情形，人人神色郑重，难道余观主是要大举去找福威镖局的晦气，以报上代之仇？师父点头道：我也这么想。长青子胸襟极狭，自视又高，输在林远图剑底这件事，一定令他耿耿于怀，多半临死时对余沧海有甚么遗命。林远图比长青子先死，余沧海要报师仇，只有去找林远图的儿子林仲雄，但不知如何，直挨
14、到今日才动手。余沧海城府甚深，谋定后动，这一次青城派与福威镖局可要有一场大斗了。“我问师父：你老人家看来，这场争斗谁胜谁败？师父笑道：余沧海的武功青出于蓝而胜于蓝，造诣已在长青子之上。林震南的功夫外人虽不知底细，却多半及不上乃祖。一进一退，再加上青城派在暗而福威镖局在明，还没动上手，福威镖局已输了七成。 倘若林震南事先得知讯息，邀得洛阳金刀王元霸相助，那么还可斗上一斗。德诺，你想不想去瞧瞧热闹？我自是欣然奉命。师父便教了我几招青城派的得意剑法，以作防身之用。” 陆大有道：“咦，师父怎地会使青城派剑法？啊，是了，当年长青子跟咱们祖师爷爷拆招，要用青城派剑法对付辟邪剑法，师父在旁边都见到了。”劳德
15、诺道：“六师弟，师父他老人家武功的来历，咱们做弟子的不必多加推测。师父又命我不可和众同门说起，以免泄露了风声。但小师妹毕竟机灵，却给她探知讯息，缠着师父许她和我同行。我二人乔扮改装，假作在福州城外卖酒，每日到福威镖局去察看动静。别的没看到，就看到林震南教他儿子林平之练剑。小师妹瞧得直摇头，跟我说：这哪里是辟邪剑法了？这是邪辟剑法，邪魔一到，这位林公子便得辟易远避。”在华山群弟子哄笑声中，林平之满脸通红，羞愧得无地自容，寻思：“原来他二人早就到我局中来窥看多次，我们却毫不知觉，也真算得无能。” 劳德诺续道：“我二人在福州城外耽不了几天，青城派的弟子们就陆续到了。最先来的是方人智和于人豪二人。他二
16、人每天到镖局中踹盘子，我和小师妹怕撞见他们，就没再去。 那一日也是真巧，这位林公子居然到我和师妹开设的大宝号来光顾，小师妹只好送酒给他们喝了。当时我们还担心是给他瞧破了，故意上门来点穿的，但跟他一搭上口，才知他是全然蒙在鼓里。这纨裤弟子甚么也不懂，跟白痴也差不了甚么。便在那时，青城派中两个最不成话的余人彦和贾人达，也到我们大宝号来光顾” 陆大有鼓掌道：“二师哥，你和小师妹开设的大宝号，当真是生意兴隆通四海，财源茂盛达三江。你们在福建可发了大财哪！”那少女笑道：“那还用说么？二师哥早成了大财主，我托他大老板的福，可也捞了不少油水。”众人尽皆大笑。劳德诺笑道：“别瞧那林少镖头武功稀松平常，给咱们小
17、师妹做徒儿也还不配，倒是颇有骨气。余沧海那不成材的小儿了余人彦瞎了眼睛，向小师妹动手动脚，口出调笑之言，那林公子居然伸手来抱打不平” 林平之又是惭愧，又是愤怒，寻思：“原来青城派处心积虑，向我镖局动手，是为了报上代败剑之辱。来到福州的其实远不止方人智等四人。我杀不杀余人彦，可说毫不相干。” 他心绪烦扰，劳德诺述说他如何杀死余人彦，就没怎么听进耳去，但听得劳德诺一面说，众人一面笑，显是讥笑他武功甚低，所使招数全不成话。只听劳德诺又道：“当天晚上，我和小师妹又上福威镖局去察看，只见余观主率领了侯人英、洪人雄等十多个大弟子都已到了。我们怕给青城派的人发觉，站得远远的瞧热闹，眼见他们将局中的镖头和趟子
18、手一个个杀了，镖局派出去求援的众镖头，也都给他们治死了，一具具尸首都送了回来，下的手可也真狠毒。当时我想，青城派上代长青子和林远图比剑而败，余观主要报此仇，只须去和林震南父子比剑，胜了他们，也就是了，却何以下手如此狠毒？那定是为了给余人彦报仇。可是他们偏偏放过了林震南夫妻和林平之三人不杀，只是将他们逼出镖局。林家三口和镖局人众前脚出了镖局，余观主后脚就进去，大模大样的往大厅正中太师椅上一坐，这福威镖局算是教他青城派给占了啦。”陆大有道：“他青城派想接手开镖局了，余沧海要做总镖头！”众人都是哈哈一笑。 劳德诺道：“林家三口乔装改扮，青城派早就瞧在眼里，方人智、于人豪、贾人达三人奉命追踪擒拿。小师
19、妹定要跟着去瞧热闹，于是我们两个又跟在方人智他们后面。到了福州城南山里的一家小饭铺中，方人智、于人豪、贾人达三个露脸出来，将林家三口都擒住了。 小师妹说：林公子所以杀余人彦，是由我身上而起，咱们可不能见死不救。我极力劝阻，说道咱们一出手，必定伤了青城、华山两家的和气，何况余观主便在福州，我二人别要闹个灰头土脸。”陆大有道：“二师哥上了几岁年纪，做事自然把细稳重，那岂不扫了小师妹的兴致？” 劳德诺笑道：“小师妹兴致勃勃，二师哥便要扫她的兴，可也扫不掉。当下小师妹先到灶间中去，将那贾人达打得头破血流，哇哇大叫，引开了方于二人，她又绕到前面去救了林公子，放他逃生。”陆大有拍手道：“妙极，妙极！我知道
20、啦，小师妹可不是为了救那姓林的小子。她心中却另有一番用意。很好，很好。”那少女道：“我另有甚么用意？你又来胡说八道。”陆大有道：“我为了青城派而挨师父的棍子，小师妹心中气不过，因此去揍青城派的人，为我出气，多谢啦”说着站起身来，向那少女深深一揖。那少女噗哧一笑，还了一礼，笑道：“六猴儿师哥不用多礼。”那手拿算盘的人笑道：“小师妹揍青城弟子，确是为人出气。是不是为你，那可大有研究。挨师父棍子的，不见得只你六猴儿一个。”劳德诺笑道：“这一次六师弟说得对了，小师妹揍那贾人达，确是为了给六师弟出气，日后师父问起来，她也是这么说。”陆大有连连摇手，说道：“这这个人情我可不敢领，别拉在我身上，教我再挨十下八下棍子。”那高个儿问道：“那方人智和于人豪没追来吗？”那少女道：“怎么没追？可是二师哥学过青城派的剑法，只一招鸿飞冥冥，便将他二人的长剑绞得飞上了天。只可惜二师哥当时用黑布蒙上了脸，方于二人到这时也不知是败在我华山派9