某體育館比賽大廳氣流組織數(shù)值模擬研究

王高升,林 豹

(沈陽建筑大學(xué),沈陽110168)

0 引 言

一幢現(xiàn)代化的體育建筑,除了完善齊全的體育設(shè)施外,必需有良好的空調(diào),特別是比賽大廳的空調(diào)是體育建筑空調(diào)設(shè)計的重點(diǎn)。而室內(nèi)氣流組織又是體育建筑比賽大廳空調(diào)設(shè)計成敗的關(guān)鍵之一,也是體育建筑空調(diào)設(shè)計方案研究和討論最多的問題。因為它不僅直接影響到建筑物內(nèi)能否達(dá)到預(yù)期的空調(diào)效果,而且還涉及到空調(diào)設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)性。對于諸如體育館類高大空間,比賽大廳的溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)是至關(guān)重要的,合理的室內(nèi)參數(shù)不僅使運(yùn)動員和觀眾感到舒服,更重要的是使各類比賽能順利進(jìn)行。例如乒乓球和羽毛球比賽時,風(fēng)速不宜過大,國際羽聯(lián)規(guī)定羽毛球比賽場地上方9.0m以內(nèi)風(fēng)速不能超過0.2m/s,而當(dāng)進(jìn)行籃球、排球比賽時,比賽場地風(fēng)速不超過0.5m/s。因此,體育館比賽大廳內(nèi)的空調(diào)溫度、濕度、風(fēng)速參數(shù),尤其是風(fēng)速的大小對體育館空調(diào)設(shè)計是比較重要的,空調(diào)設(shè)計中預(yù)測氣流組織效果就顯得很必要了。目前預(yù)測空調(diào)氣流分布的方法主要有:射流公式法、區(qū)域模型法、CFD和模型實(shí)驗。鑒于CFD方法自身的優(yōu)點(diǎn),本文將采用CFD模擬軟件對某市一體育館的氣流組織形式進(jìn)行模擬比較。

1 模型介紹

模型坐標(biāo)如圖1所示,坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在比賽大廳中心位置。比賽大廳為一橢圓形,長軸直徑84m,短軸直徑78m,建筑高度29.7m,模型尺寸基本上按照實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)尺寸選取,在不影響計算結(jié)果的前提下,本文對物理模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?固定觀眾席單排高度平均為0.45m,寬度0.8m。相對于比賽大廳空間大尺寸,座位席尺寸對氣流組織影響較小,故可以把座席區(qū)域處理為8個矩形平面、2個橢圓形平面和4個環(huán)形平面。由于屋頂不規(guī)則,模型屋頂取為網(wǎng)架高度。另外,由于比賽大廳建筑結(jié)構(gòu)對稱,故選取其一半進(jìn)行模擬計算。為方便觀測不同形式的氣流組織形式的空調(diào)效果,本文建立了三個觀測面:比賽場地上方1.7m處、9.0m處,XY平面尺寸12.0m×22.0m,觀眾席上方0.7m處一平面。

2 方案數(shù)值模擬

2.1 邊界條件

該體育館是一個多功能比賽場館,能進(jìn)行諸如籃球、排球等大球類比賽和乒乓球、羽毛球等小球類比賽;室內(nèi)設(shè)計參數(shù)夏季26℃～28℃,相對濕度55%～65%,風(fēng)速要求大球比賽時風(fēng)速不超過0.5m/s,小球比賽時風(fēng)速不超過0.2m/s。座席上方四周外墻設(shè)為定溫,溫度為301K;內(nèi)墻不考慮得熱,設(shè)為絕熱墻壁;考慮人員散熱及燈光輻射得熱,設(shè)比賽場地為定熱流量壁面,30W/m2;觀眾座位席及屋頂均設(shè)為定熱流量壁面,分別為170W/m2、5.16W/m2;本文以沈陽當(dāng)?shù)貧庀筚Y料為基準(zhǔn),計算出總冷負(fù)荷,確定總送風(fēng)量為178000m3/h。送風(fēng)口設(shè)為速度進(jìn)口,設(shè)定速度和溫度,速度為4.85m/s,溫度為290K;回風(fēng)口設(shè)為自由出流;三個觀測面設(shè)為內(nèi)部聯(lián)接界面;對稱中心面設(shè)為symmetry對稱面;流體域邊界條件設(shè)為流體。

圖1 比賽大廳模型

2.2 模型假設(shè)

為了簡化問題,作如下假設(shè):

(1)比賽大廳里的空氣流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于風(fēng)速 (什么風(fēng)速),流場中壓力和溫度與自由湍流相比,數(shù)值變化很小,所以相應(yīng)的密度變化就可以忽略了,可以認(rèn)為空氣是不可壓縮的,其密度不變,故本文將室內(nèi)氣流設(shè)為不可壓縮理想氣體。(2)空氣流動為穩(wěn)態(tài)流動。(3)室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)。

2.3 控制方程及計算方法

根據(jù)以上假設(shè)其控制方程為:

本文的模擬軟件為FLUENT軟件,該軟件可以很精確地模擬所研究對象的空氣流動、傳熱、污染物擴(kuò)散等物理現(xiàn)象。在工程應(yīng)用的模擬中,可能用到的模型主要標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、低雷諾數(shù)k-ε模型、整合后的k-ε模型 (RNG)、零方程模型等。本文選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型,利用有限體積法來解決三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮粘性流體的湍流流動。采用SIMPLE算法聯(lián)立求解各離散方程,動量、紊流脈動動能和紊流脈動動能耗散率均采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。

3 計算結(jié)果及討論

3.1 側(cè)送下回方式氣流分布模擬與分析

(1)風(fēng)口布置:

噴口安裝高度為18m,直徑為0.5m,送風(fēng)口風(fēng)速為4.85m/s,送風(fēng)下傾角為0度,風(fēng)口之間距離2m左右?；仫L(fēng)口布置在比賽場四周,風(fēng)口距地高度1.0m,Y方向平均布置4個,X方向平均布置2個,均為對稱布置,場地四角各布置一個。

(2)溫度分布:

由圖2和圖3可以看出,觀眾席上方溫度為26～28℃,后排兩側(cè)稍高于前排;比賽場地上方1.7m處溫度分布基本處在27℃,滿足設(shè)計要求。(3)速度分布:

圖4 觀眾席上方0.7m處速度分布

由圖4、5、6可以看出觀眾席上方0.7m處氣流速度基本在0.3m/s以下,滿足 《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50019-2003)舒適性空調(diào)夏季設(shè)計風(fēng)速要求。比賽場地上方1.7m處氣流速度小于0.2m/s,靠近回風(fēng)口區(qū)域的速度為0.3m/s～0.5m/s,比賽場地上方9.0m處風(fēng)速遠(yuǎn)小于0.2m/s,滿足乒乓球、羽毛球比賽要求。

3.2 上送下回方式氣流分布模擬與分析

(1)風(fēng)口布置:

送風(fēng)方式為上送風(fēng)比賽場地四周回風(fēng),其他風(fēng)口尺寸參數(shù)均與側(cè)送風(fēng)相同。風(fēng)口安裝高度為屋頂下網(wǎng)架高度,比賽場地上方風(fēng)口間距9.0m×16m,觀眾席上空風(fēng)口間距分別為8.0m×9.0m,8.0×7.0m。

(2)溫度分布:

由圖7、8可以看出,上送風(fēng)方式的溫度分布比較平均,基本在28℃;比賽場地上方1.7m處溫度分布基本處在27℃,滿足設(shè)計要求。

圖7 觀眾席上方0.7m處溫度分布

圖8 比賽場地上方1.7m處溫度分布

(3)速度分布:

從圖 9、10、11可以看出,比賽場地上方1.7m處速度為0.1m/s,低于0.2m/s;比賽場地上方9.0m處速度遠(yuǎn)小于 0.2m/s,滿足小球比賽要求。觀眾席上方速度小于0.3m/s,滿足 《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50019-2003)舒適性空調(diào)夏季設(shè)計風(fēng)速要求。

圖11 比賽場地上方1.7m處氣流速度分布

3.3 兩種送風(fēng)方式氣流分布模擬結(jié)果的分析比較

從溫度分布云圖可知:兩種送風(fēng)方式基本都能滿足設(shè)計要求,上送風(fēng)方式的工作區(qū)溫度分布比較平均,溫差小,但相對于側(cè)送風(fēng)方式工作區(qū)溫度偏高;側(cè)送風(fēng)工作區(qū)的溫度變化相對較大。兩種送風(fēng)方式工作區(qū)風(fēng)速都滿足要求,側(cè)送風(fēng)工作區(qū)風(fēng)速變化要比上送風(fēng)工作區(qū)風(fēng)速變化劇烈,溫度分布的變化趨勢恰好與速度變化趨勢一致。兩種送風(fēng)方式都滿足設(shè)計要求,但從空調(diào)效果來看,側(cè)送風(fēng)方式較佳。

4 結(jié)語

(1)本文用數(shù)值模擬計算的方法獲得了比較直觀的氣流流場分布圖及數(shù)據(jù),結(jié)果表明本文選用標(biāo)準(zhǔn)k-兩方程模型及SIMPLE算法在體育館類高大空間數(shù)值模擬中具有合理性,為體育館類大空間復(fù)雜氣流組織的研究提供研究參考;

(2)模擬比較了側(cè)送風(fēng)和上送風(fēng)兩種氣流組織下體育館比賽大廳夏季的氣流流場分布,上送風(fēng)比較容易獲得理想的速度場分布,但是溫度場沒有側(cè)送風(fēng)好;

(3)兩種送風(fēng)方式都滿足設(shè)計要求,但從空調(diào)效果來看側(cè)送風(fēng)方式較佳,在設(shè)計溫度要求相同的情況下,側(cè)送風(fēng)的溫度較低,因此可以適當(dāng)提高送風(fēng)溫度并且同時滿足設(shè)計要求,那么側(cè)送風(fēng)方式的能耗就相對較低,比較經(jīng)濟(jì),故在設(shè)計方案都滿足要求時,采用側(cè)送風(fēng)方式為好。

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