孔口面積及熱源位置對(duì)熱壓通風(fēng)影響的模擬研究

朱尚斌，李 燦，陳 泉

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

孔口面積及熱源位置對(duì)熱壓通風(fēng)影響的模擬研究

朱尚斌，李 燦，陳 泉

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

利用流體力學(xué)計(jì)算軟件Airpak對(duì)單熱源民用建筑房間的熱壓通風(fēng)進(jìn)行了模擬。給定熱源體總熱量，在改變上下部孔口面積比例的情況下，分析各模擬情況下室內(nèi)熱壓通風(fēng)的中和面高度、有效熱量系數(shù)、通風(fēng)量及排出余熱量等特征參數(shù)的變化規(guī)律；在孔口大小固定的情況下，研究熱源體水平位置同孔口間距改變時(shí)熱壓通風(fēng)的室內(nèi)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、熱源表面溫度等參數(shù)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：上下部孔口開口面積相差不大時(shí)，房間內(nèi)的熱壓通風(fēng)效率最佳；下部孔口面積略大于上部孔口面積時(shí)，有效熱量系數(shù)m處于較低的范圍內(nèi)，且增大某一孔口面積，中和面會(huì)朝著該孔口方向移動(dòng)；熱源體越靠近下部孔口，越有利于熱源散熱。

熱壓通風(fēng)；中和面；有效熱量系數(shù)；熱源體溫度

0 引言

自然通風(fēng)是一種不消耗機(jī)械動(dòng)力且經(jīng)濟(jì)有效的通風(fēng)方式。它在一般的居住建筑、辦公樓以及工業(yè)廠房（尤其是高溫車間）中有著廣泛的應(yīng)用，能經(jīng)濟(jì)有效地滿足室內(nèi)人員的空氣品質(zhì)要求和生產(chǎn)工藝的一般要求[1]，特別是對(duì)于內(nèi)部有熱源的房間，通過有效地利用熱源自身驅(qū)動(dòng)的熱壓效應(yīng)進(jìn)行通風(fēng)，更具有節(jié)能意義。然而，一般的熱壓通風(fēng)會(huì)受到建筑結(jié)構(gòu)形式、室內(nèi)熱源布置、通風(fēng)開口面積以及其它機(jī)械通風(fēng)設(shè)備等諸多因素的影響，并不是一種能夠有效控制的通風(fēng)方式。

較多學(xué)者對(duì)于單純熱壓通風(fēng)效果的影響因素（如熱源表面溫度[2]、熱源面積[3]、內(nèi)部熱源高度[4-5]以及雙熱源[6]等）進(jìn)行了大量的模擬實(shí)驗(yàn)研究。這些研究主要圍繞內(nèi)部熱源的變化進(jìn)行討論，但是建筑結(jié)構(gòu)形式的不同，特別是建筑通風(fēng)孔口面積以及內(nèi)部熱源距孔口位置的不同，對(duì)形成良好的熱壓通風(fēng)效果同樣具有重要的作用。因此，本文以內(nèi)部具有單熱源的民用建筑為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬的方法，給定內(nèi)部熱源總量，一方面通過改變進(jìn)出孔口的面積比例，研究室內(nèi)中和面高度、有效熱量系數(shù)、余熱量等標(biāo)量的變化規(guī)律；另一方面，通過改變熱源體在室內(nèi)的水平位置，研究室內(nèi)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、熱源表面溫度等參數(shù)的變化規(guī)律。并通過對(duì)以上模擬實(shí)驗(yàn)獲得的特征參數(shù)進(jìn)行分析，得出孔口面積和熱源位置的變化對(duì)熱壓通風(fēng)效果的影響規(guī)律，為民用建筑的設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

1 物理模型及數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型

本文以某一典型民用建筑作為研究對(duì)象，其模型如圖1所示。

圖1 物理模型三維圖Fig. 1 Three-dimensional fi gure of physical models

圖1所示單熱源民用建筑的模型尺寸為4 m×4 m×3 m，下部孔口中心高度為0.35 m，上部孔口中心高度為3.85 m，熱源尺寸為0.4 m×0.1 m×3.0 m，熱源功率為1 100 W，熱源體布置在房間底部。其中，下部孔口設(shè)為熱壓邊界的pressure-inlet類型，上部孔口為熱壓邊界的pressure-out類型，熱源體設(shè)為內(nèi)部實(shí)心的block，忽略墻體換熱并設(shè)為絕熱邊界。之所以采用如上設(shè)定，是因?yàn)橄嚓P(guān)文獻(xiàn)[7]表明，對(duì)于熱壓通風(fēng)問題，上下孔口均設(shè)置為壓力邊界條件能更準(zhǔn)確地描述問題。

1.2 數(shù)值模擬方法

本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Airpak進(jìn)行計(jì)算，且近壁面處采用壁面函數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，其它區(qū)域采用有限體積法進(jìn)行計(jì)算；數(shù)學(xué)模型采用RNG k-ε紊流模型[8-9]。對(duì)于熱壓通風(fēng)問題，考慮到熱浮升力的存在，故采用Boussinesq假設(shè)[10]，熱膨脹系數(shù)按照等壓計(jì)算，計(jì)算精度保證各流動(dòng)項(xiàng)殘差小于10-3，能量項(xiàng)殘差小于10-6。

計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為了加快計(jì)算速度，并且保證計(jì)算結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性，本研究中對(duì)孔口處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以保證重力方向上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)不少于6個(gè)。其他區(qū)域的網(wǎng)格相對(duì)稀疏，但是應(yīng)保證各軸向方向節(jié)點(diǎn)間的距離不大于最大尺寸的1/20。

2 孔口面積變化下的熱壓通風(fēng)

該模擬工況下，熱源體位于房間地板面中心位置處，依次改變上下孔口的面積比例，從1/10增大到10/1，設(shè)置上下孔口面積之比分別為1/10, 2/10, 3/10,4/10, 5/10, 6/10, 7/10, 8/10, 9/10, 10/10, 10/9, 10/8,10/7, 10/6, 10/5, 10/4, 10/3, 10/2, 10/1。分別模擬以上不同情況，分析比較中和面高度、有效熱量系數(shù)、通風(fēng)量及排出余熱量等特征參數(shù)的變化規(guī)律。

2.1 中和面高度

中和面是室內(nèi)余壓值為零的面，是評(píng)價(jià)熱壓通風(fēng)的重要指標(biāo)之一。當(dāng)室內(nèi)有熱源存在時(shí)，室內(nèi)溫度高于室外溫度，此時(shí)中和面以上為正壓區(qū)、以下為負(fù)壓區(qū)。室外空氣會(huì)由處于負(fù)壓區(qū)的下部孔口流入室內(nèi)，并從上部孔口流出。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流經(jīng)上下孔口的空氣質(zhì)量相等。

由孔口流量q的計(jì)算公式和質(zhì)量守恒定律可以得出如下關(guān)系式[11]：

式中：F上、F下為上、下部孔口面積，m3；

μ上、μ下為上、下部孔口流量系數(shù)；

Δp上、Δp下為上、下部孔口壓力差，Pa；

ρ內(nèi)、ρ外為室內(nèi)、外空氣密度，kg/m3；

h上、h下為上、下部孔口中心與中和面高度差，m；

T內(nèi)、T外為室內(nèi)、外熱力學(xué)溫度，K；

Ks為與當(dāng)?shù)卮髿鈮河嘘P(guān)的系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，Ks=3 460（Pa·K/m）。

根據(jù)以上關(guān)系式可以得到中和面高度h同下上部孔口面積比的關(guān)系如下：

式中H為上下孔口中心高差。

在本文的算例中，h下= 0.35 m，H=3.5 m；為忽略其它因素的影響，假設(shè)μ上=μ下，其中T外=298 K，T內(nèi)= 299.6 K，故可認(rèn)為T內(nèi)/T外≈1，此處設(shè)x=F下/F上，可以得到中和面高度h同x的關(guān)系式為

圖2所示為中和面高度h隨下上部孔口面積比x變化的曲線，其中，線型曲線代表根據(jù)上述理論公式推導(dǎo)得出的理論值，點(diǎn)線型曲線代表根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算得到的模擬值。

圖2 中和面高度隨進(jìn)出孔口面積比變化曲線Fig. 2 Change curves of the neutral plane height with inlet and outlet of the ori fi ce area

觀察圖2中的理論值曲線與模擬值曲線可以得知，兩條曲線的變化趨勢(shì)基本相同，兩者間的誤差范圍較小，因而可以認(rèn)為兩者具有一致性。通過觀察還可發(fā)現(xiàn)：1）當(dāng) 0＜x＜2時(shí)，中和面高度基本在1 m以上，并且變化趨勢(shì)比較陡峭，說明下上部孔口面積比例的變動(dòng)會(huì)顯著影響室內(nèi)的中和面高度，并且上部或下部孔口面積增大時(shí)，中和面會(huì)朝著面積增大的孔口移動(dòng)；2）當(dāng)2＜x＜10時(shí)，中和面高度基本在0.5 m左右，且變化趨于緩慢，維持在室內(nèi)的中下部，最低高度仍然高于下部孔口中心高度，這表明當(dāng)房間上部沒有開口時(shí)，進(jìn)風(fēng)口兼具有排風(fēng)口的作用，此時(shí)孔口上部排風(fēng)、下部進(jìn)風(fēng)。

2.2 有效熱量系數(shù)

在自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)中，有效熱量系數(shù)m[12]是一個(gè)重要的特征參數(shù)。它用于表征上升熱射流中返回工作地帶的余熱量比例，散入作業(yè)地帶的余熱量越大，m值越大，則工作區(qū)的溫度越高。關(guān)于m值的計(jì)算公式為

式中：tn為工作區(qū)的溫度，即工作地點(diǎn)所在地面上2 m以內(nèi)的溫度；

tp為房間上部的溫度；

tw為室外溫度。

根據(jù)模擬計(jì)算得出有效熱量系數(shù)m隨x的變化規(guī)律，如表1所示。

表1 不同進(jìn)出孔口面積比例的有效熱量系數(shù)Table 1 Effective heat coef fi cients at different inlet and outlet ori fi ce area ratios

分析表1中的數(shù)據(jù)可以得知，當(dāng)進(jìn)出孔口面積比例x從最小值1/10逐漸增大到10/9的過程中，m值總體上呈現(xiàn)出下降的變化趨勢(shì)；當(dāng)x從10/6增大到10/1時(shí)，m值總體呈增大的變化趨勢(shì)；當(dāng)10/9＜x＜10/6時(shí)，m處在一個(gè)低值范圍內(nèi)，而此時(shí)上下部孔口的面積相差不大，下部孔口面積略大，此時(shí)隨熱羽流上升并返回散入工作地帶的余熱量最少。

2.3 通風(fēng)量與熱源溫度

通風(fēng)開口面積的大小直接影響著室內(nèi)通風(fēng)量的變化。當(dāng)室內(nèi)有固定的熱源存在時(shí)，通風(fēng)開口面積的大小對(duì)冷卻內(nèi)熱源、排出室內(nèi)余熱量等也起著重要的作用。為此，本課題組成員通過多次模擬計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，匯總出下上部孔口面積比不同時(shí)室內(nèi)通風(fēng)量、熱源溫度以及排出余熱量的變化情況，所得具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同進(jìn)出孔口面積比例的熱源溫度、排出熱量和通風(fēng)量數(shù)據(jù)Table 2 Data of heat source temperature, heat output and ventilation volume at different inlet and outlet ori fi ce area ratios

通過分析表2中的數(shù)據(jù)變化情況，不難發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)量和排出余熱量隨著進(jìn)出孔口面積比例x的變化具有相似的變化規(guī)律，當(dāng)8/10＜x＜10/9時(shí)，室內(nèi)通風(fēng)量和排出余熱量都較大，這表明上下孔口面積相差不大時(shí)，房間內(nèi)的熱壓通風(fēng)效果較好，通風(fēng)效率較高；且當(dāng)8/10＜x＜1時(shí)，熱源體表面溫度較低，通風(fēng)量較大，此時(shí)有利于室內(nèi)熱源的冷卻。

3 熱源位置變化下的熱壓通風(fēng)

本研究設(shè)定工況下，上下孔口的面積大小固定，且下部孔口尺寸確定為0.25 m×3.00 m，上部孔口尺寸確定為0.3 m×3.0 m，移動(dòng)熱源體在地板面的水平位置，以熱源體中心到排風(fēng)口的距離為參考標(biāo)準(zhǔn)，依次從0.2 m增大到3.6 m，每次擴(kuò)大0.4 m的間距，研究每種情況下房間內(nèi)的流場(chǎng)變化、不同截面高度處的溫度以及有效熱量系數(shù)等特征參數(shù)的變化規(guī)律，以確定較佳的熱源位置。

3.1 流場(chǎng)、不同高度截面處溫度場(chǎng)分布

圖3所示為選取的熱源中心面和上部孔口間距L分別為 3.8，2.0，0.2 m時(shí)，房間內(nèi)z軸中心截面上的流場(chǎng)變化示意圖。

圖3 L不同時(shí)房間內(nèi)z軸中心截面上流場(chǎng)變化示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the fl ow fi eld at the center section of z axis under different L

觀察圖3不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室外冷空氣進(jìn)入房間后，其在高溫?zé)嵩大w表面經(jīng)過對(duì)流換熱，形成上升的熱羽流，且熱羽流在上升過程中會(huì)不斷卷吸周圍的冷空氣，導(dǎo)致熱羽流溫度逐漸下降；當(dāng)熱羽流到達(dá)房間頂部后，經(jīng)過上部孔口排出室外。但不是全部的熱羽流都由上部孔口排出，一部分射流會(huì)沿反向形成后向回流，在房間內(nèi)形成一個(gè)大的回流渦旋，并重新返回至工作地帶。

不同熱源中心面的截面流場(chǎng)變化存在一定的差異，如圖3a，當(dāng)熱源體靠近下部孔口時(shí)（x=0.2 m），經(jīng)熱源體換熱上升的熱羽流中，其中一部分被房間遠(yuǎn)場(chǎng)的冷空氣冷卻卷吸沒有到達(dá)房間頂部，從而形成向前的回流。通過對(duì)比3幅圖的變化，發(fā)現(xiàn)熱源體向房間內(nèi)部移動(dòng)的過程中，房間內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)空氣逐步被加熱，熱羽流上升過程中熱量損失減少，向前的回流逐漸變小直至消失，相反的是到達(dá)房間頂部形成的向后回流的范圍越來(lái)越大。

通過觀察圖3右側(cè)Velocity等值標(biāo)簽，在熱源體向房間內(nèi)部移動(dòng)的過程中，速度線值整體上是減小的，說明熱羽流強(qiáng)度整體上逐漸減弱。這是由于熱源體越靠近進(jìn)風(fēng)口，越處于上風(fēng)側(cè)，流經(jīng)工作區(qū)的空氣溫度越高，上下部溫差變大，進(jìn)而造成熱壓驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)，上升的熱羽流流速加大。

3.2 有效熱量系數(shù)、中和面及熱源表面溫度變化特征

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，得出熱源體不同水平位置下房間內(nèi)不同斷面高度截面處的平均溫度值，如圖4所示。為便于觀察變化，本圖倒置變量繪制。

圖4 熱源體不同水平位置時(shí)房間內(nèi)不同高度截面處的平均溫度Fig. 4 Average temperature at different heights of crosssection for different horizontal position of heat source

由于熱源體在房間的底部，在熱源體周圍熱源主要以輻射的方式對(duì)外散熱，導(dǎo)致工作地帶1 m以下不同高度截面處平均溫度明顯高于房間上部；通過對(duì)比熱源體不同水平位置下的某一斷面溫度，發(fā)現(xiàn)越靠近下部孔口，室內(nèi)的平均溫度越高，說明熱源熱量在室內(nèi)擴(kuò)散得越多，同時(shí)越靠近下部孔口，室內(nèi)上部和下部的溫差也越大，由此形成的熱壓效應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，室內(nèi)通風(fēng)效率越高；當(dāng)熱源體靠近上部排風(fēng)孔口時(shí)，情況相反，房間內(nèi)通風(fēng)效率下降，散入工作地帶的余熱量減少，工作區(qū)平均溫度較低，熱源體的冷卻效率降低。

4 結(jié)論

熱壓通風(fēng)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用非常廣泛，其中熱壓的影響因素很多，通過研究分析掌握其特點(diǎn)將有利于生產(chǎn)工藝的提高。本文通過模擬研究單熱源下通風(fēng)開口面積改變以及熱源體水平位置改變下的熱壓通風(fēng)，得出房間內(nèi)熱壓通風(fēng)特征參數(shù)的變化規(guī)律，可得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)熱源體位置固定時(shí)，通過改變上下部孔口面積，其中下上部孔口面積比在0＜x＜2時(shí)，中和面高度變化比較顯著，且增大某一孔口面積，中和面會(huì)朝著該孔口方向移動(dòng)；當(dāng)8/10＜x＜10/8時(shí)，上下部孔口開口面積相差不大，此時(shí)房間內(nèi)熱壓通風(fēng)效率最佳，對(duì)冷卻熱源體以及稀釋室內(nèi)熱空氣的效果最好；當(dāng)10/9＜x＜10/6，即下部孔口面積略大于上部孔口面積時(shí)，有效熱量系數(shù)m值處于較低的范圍內(nèi)，此時(shí)隨熱羽流上升并返回散入工作地帶的余熱量較少。

2）當(dāng)上下部孔口面積固定，熱源體處于靠近下部孔口的位置時(shí)，房間內(nèi)通風(fēng)效率較好，對(duì)熱源體的冷卻有利，熱源余熱量在工作地帶散布較多；當(dāng)熱源體靠近上部排風(fēng)口時(shí)，房間內(nèi)通風(fēng)效率下降，散入工作地帶的余熱量減少，工作區(qū)平均溫度較低，熱源體的冷卻效率降低。

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Simulation Study of the In fl uence of Ori fi ce Areas and Heat Source Position on Thermal Pressure Ventilation

ZHU Shangbin，LI Can，CHEN Quan
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

A simulation study has been made by CFD software Airpak of the thermal pressure ventilation of civil buildings with single heat source. With the total calories of the heat source given, and with the area ratio of the upper and lower ori fi ces changing, a thorough analysis has been made of the variation law of such parameters as the height of the neutral surface, the coef fi cient of effective heat, ventilation rate and residual heat of the thermal pressure ventilation.With the ori fi ce size fi xed, a study has been made of the variation of temperature fi eld, fl ow fi eld, heat source, surface temperature and other parameters of hot pressing ventilation when the horizontal position of heat source changes with the distance between the ori fi ces. Results show that when the top and bottom ori fi ce open areas are similar, the room will have the best thermal pressure ventilation ef fi ciency; when the bottom open area is greater than the top one, the effective heat coef fi cient m will change at a low range, and with an increase in the area of an ori fi ce, the neutral plane will move toward the greater area ori fi ce. The closer the heat source to the lower ori fi ce, the higher the heat dissipation ef fi ciency will be.

thermal pressure ventilation；neutral plane；effective heat coefficient；temperature of the heat source

TU834.1

A

1673-9833(2017)05-0039-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.05.007

2017-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51246008），湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2017JJ4005），湖南省教育廳科研基金資助項(xiàng)目（10C0612）

朱尚斌（1992-），男，河南漯河人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能，E-mail：1547343533@qq.com

李 燦（1968-），女，湖南株洲人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事室內(nèi)空氣品質(zhì)及建筑節(jié)能技術(shù)方面的教學(xué)與研究，E-mail：lc19992@126.com

（責(zé)任編輯：廖友媛）