基于正交試驗(yàn)的新型空氣幕數(shù)值模擬研究

曹冬冬，王 鏑，韓 悅，初高明

（吉林省建苑設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011）

0 引言

在嚴(yán)寒地區(qū)為了保證室內(nèi)的溫度，公共建筑大門經(jīng)常設(shè)有防寒門斗，為了抵抗室外冷風(fēng)滲透，在防寒門斗內(nèi)部又會(huì)設(shè)有上送式空氣幕。在生產(chǎn)和生活中，不同種類的空氣幕使用范圍廣泛，設(shè)置場(chǎng)景多元，因此對(duì)空氣幕的創(chuàng)新性研究至關(guān)重要。以長(zhǎng)春市某實(shí)際防寒門斗為物理模型，根據(jù)空氣幕的射流出口和回風(fēng)位置的不同，創(chuàng)新的提出了3種空氣幕安裝形式[1]。利用數(shù)值模擬的方法，模擬不同的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)3種空氣幕安裝形式下的空氣幕效率的影響并進(jìn)行對(duì)比分析，以期得到最佳的空氣幕運(yùn)行工況組合。

影響空氣幕運(yùn)行性能的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：空氣幕的射程、射流速度、噴口寬度及射流角度等[2]。2017年，孫策等[3]利用Airpak模擬了某設(shè)置空氣幕的購物中心冬季入口熱環(huán)境，最終得到空氣幕的使用可以顯著改善購物中心入口熱環(huán)境，發(fā)現(xiàn)室外風(fēng)速是影響入口熱環(huán)境的主要因素。因此為了更加全面的研究公共建筑大門空氣幕的運(yùn)行性能，將室外橫向風(fēng)速也作為影響因素進(jìn)行研究。對(duì)公共建筑大門的研究需要考慮的因素種類較多，各因素的影響水平也各不相同，很難將所有工況進(jìn)行全面研究。為解決多因素、多水平的研究問題，引入正交試驗(yàn)[4]，將本文研究的空氣幕安裝形式、射流速度、噴口寬度及室外風(fēng)速4項(xiàng)因素列入正交分析表，根據(jù)正交試驗(yàn)的直觀分析法對(duì)空氣幕運(yùn)行效果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到最佳的空氣幕安裝形式與參數(shù)組合。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

以長(zhǎng)春市某公共建筑食堂大門防寒門斗作為研究對(duì)象，利用ANSYS軟件將該食堂大門門斗、空氣幕、室內(nèi)環(huán)境區(qū)域和室外環(huán)境區(qū)域物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體模型尺寸為食堂大門的尺寸：寬×高=6 m×2.9 m，食堂大門常開1扇，模擬中門洞尺寸設(shè)為：寬×高=1.8 m×2.4 m；食堂門斗尺寸：長(zhǎng)×寬×高=8 m×2 m×3.2 m；空氣幕尺寸：長(zhǎng)×寬×高=1.8 m×噴口尺寸×0.21 m，安裝于食堂大門的上部，距離門0.1 m；室內(nèi)環(huán)境計(jì)算區(qū)域：長(zhǎng)×寬×高=10 m×6 m×3.2 m；室外環(huán)境計(jì)算區(qū)域：長(zhǎng)×寬×高=6 m×6 m×6 m。具體物理模型如圖1所示。

圖1 空氣幕及環(huán)境區(qū)域模型

1.2 邊界條件

模擬采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，步長(zhǎng)設(shè)為0.2 mm，將上述物理模型導(dǎo)入mesh中，并在空氣幕和大門兩側(cè)流動(dòng)復(fù)雜處進(jìn)行了網(wǎng)格加密，自動(dòng)生成約43萬個(gè)網(wǎng)格。根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736—2012中的室外空氣計(jì)算參數(shù)進(jìn)行室外風(fēng)速的選取，以及人體熱舒適的要求，將邊界條件按表1進(jìn)行設(shè)置。

表1 模擬邊界條件的設(shè)置

本次研究室外風(fēng)速w選取1 m/s，2 m/s，3 m/s進(jìn)行對(duì)比分析。噴口寬度選取常用噴口寬度50 mm，100 mm和150 mm進(jìn)行對(duì)比分析，在3種噴口寬度條件下根據(jù)彎曲模量理論計(jì)算得到空氣幕最小射流速度分別為5.9 m/s，4.3 m/s，3.6 m/s，在考慮1.3~2.0的安全因子后空氣幕射流速度見表2~表4[5]。

表2 空氣幕出口的射流寬度為50 mm時(shí)，空氣幕射流速度

表3 空氣幕出口的射流寬度為100 mm時(shí)，空氣幕射流速度

表4 空氣幕出口的射流寬度為150 mm時(shí)，空氣幕射流速度

彎曲模量Dm的計(jì)算公式為：

式（1）中：Dm為彎曲模量；b為噴口寬度，m；u為射流速度，m/s；H為大門高度，m；Tc為室內(nèi)氣流溫度，K；Tw橫向氣流溫度，K；T0為射流溫度，K；g為重力加速度，取9.8m/s2；ρw為橫向氣流密度，kg/m3；ρ0為射流氣流密度，kg/m3；ρc為射流密度，kg/m3。

1.3 模擬結(jié)果

首先在FLUENT中計(jì)算大門的邊界條件為壁面條件時(shí)，得到內(nèi)部流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件下大門處每個(gè)節(jié)點(diǎn)的x方向速度值和節(jié)點(diǎn)總數(shù)，此時(shí)大門處的冷風(fēng)滲透量為每個(gè)節(jié)點(diǎn)x方向的速度與包圍每個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制體面積的乘積之和。再將大門的邊界條件壁面條件變?yōu)閮?nèi)部條件，重新計(jì)算此時(shí)的冷風(fēng)滲透量。根據(jù)公式（2）進(jìn)行計(jì)算空氣幕的效率：

式（2）中：E為空氣幕效率；I為未開啟空氣幕的冷風(fēng)滲透量，m3/s；I′為開啟空氣幕的冷風(fēng)滲透量，m3/s。

空氣幕的效率值E越接近1，即空氣幕開啟時(shí)的冷風(fēng)滲透量I′值越接近0，幾乎接近無冷風(fēng)滲透，則說明此時(shí)的空氣幕對(duì)冷風(fēng)滲透的阻隔效果好；空氣幕效率越接近0，即的差值接近0，即空氣幕的啟閉對(duì)冷風(fēng)滲透量的影響不大，則說明此時(shí)的空氣幕對(duì)冷風(fēng)滲透的阻隔效果差。

2 結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，將本文研究的空氣幕安裝形式、射流速度、噴口寬度及室外風(fēng)速4項(xiàng)因素列入正交分析表，射流速度選擇安全因子為1.6時(shí)的理論射流風(fēng)速，具體水平設(shè)置見表5。

表5 因素水平

以空氣幕效率E作為評(píng)價(jià)空氣幕阻隔效果的考察指標(biāo)，以直觀分析法和方差分析法對(duì)該項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，得到影響空氣幕效率因素的主次，以及與空氣幕安裝形式（見表6）匹配的最佳參數(shù)設(shè)置，并根據(jù)此參數(shù)設(shè)置進(jìn)行補(bǔ)充模擬。

表6 安裝形式

2.1 直觀分析法

直觀分析法采用L9（34）正交表來設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，見表7，該表共有5列，A，B，C，D分別代表4項(xiàng)影響因素，第5列空列填入空氣幕的效率進(jìn)行分析。

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果直觀分析

表8中的K1，K2，K3分別表示各個(gè)因素在3種水平下的平均空氣幕效率，使用平均值來反映各因素不同水平對(duì)空氣幕阻隔效果的影響，可以得到該因素的最佳水平。R值表示各因素平均水平的極差，極差值的大小可以反映該因素的水平產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。根據(jù)表中極差值的大小可以判斷影響因素的主次順序?yàn)椋喊惭b形式〉射流速度〉室外風(fēng)速〉噴口寬度，表7中工況1空氣幕效率最高，即空氣幕阻隔效果最好的工況設(shè)置為空氣幕安裝形式為空氣幕在室內(nèi)、射流出口回風(fēng)口異側(cè)，射流速度為9.4 m/s，噴口寬度為50 mm，室外風(fēng)速為1 m/s時(shí)。

表8 空氣幕效率結(jié)果分析

2.2 正交分析指標(biāo)圖

正交試驗(yàn)的直觀分析法進(jìn)行模擬結(jié)果的分析，簡(jiǎn)便、直觀、計(jì)算量小[6]，以影響因素為橫坐標(biāo)，CFD模擬得到的空氣幕的效率為縱坐標(biāo)進(jìn)行因素指標(biāo)關(guān)系圖的繪制，如圖2所示，得到因素最佳的參數(shù)設(shè)置組合為A3+B1+C1+D1。

從圖2可以看出：對(duì)因素A即空氣幕的安裝形式而言，空氣幕的安裝形式二當(dāng)空氣幕在門斗內(nèi)、射流出口回風(fēng)口異側(cè)時(shí)的空氣幕效率極低，此種空氣幕安裝形式不推薦應(yīng)用于實(shí)踐中，空氣幕的安裝形式一與形式三對(duì)冷空氣的阻隔效果都可以滿足室內(nèi)熱環(huán)境需求，并且安裝形式三當(dāng)空氣幕在室內(nèi)、射流出口回風(fēng)口異側(cè)此種空氣幕安裝形式對(duì)冷空氣的阻隔效果更好，更推薦應(yīng)用于實(shí)際中。對(duì)因素B即空氣幕的射流速度而言，當(dāng)空氣幕安全因子為1.6時(shí)，空氣幕射流速度越大空氣幕的效率越高。對(duì)因素C即空氣幕的噴口寬度而言，空氣幕的效率隨空氣幕的噴口寬度的升高而減小，當(dāng)空氣幕的噴口寬度由50 mm增大到100 mm時(shí)，空氣幕的效率曲線有明顯大幅度下降，而噴口寬度由100 mm增大到150 mm時(shí)，空氣幕的效率曲線變化逐漸趨于平穩(wěn)。對(duì)因素D即室外風(fēng)速而言，空氣幕的效率隨著室外風(fēng)速的增大而減小，并且室外風(fēng)速越大空氣幕效率下降的越明顯，圖2中當(dāng)室外風(fēng)速由1 m/s升高到2 m/s時(shí)空氣幕效率曲線下降程度較小，而當(dāng)室外風(fēng)速由2 m/s升高到3 m/s時(shí)空氣幕的效率曲線下降程度增大。

圖2 因素指標(biāo)關(guān)系

3 補(bǔ)充模擬

根據(jù)正交試驗(yàn)直觀分析法得到的最佳參數(shù)設(shè)置組合為A3+B1+C1+D1，將Fluent數(shù)值模擬中的邊界條件設(shè)為該種參數(shù)組合，即當(dāng)空氣幕的安裝形式設(shè)置為三（空氣幕在室內(nèi)、射流出口回風(fēng)口異側(cè)），空氣幕射流速度設(shè)為9.4 m/s，噴口寬度設(shè)為50 mm，室外風(fēng)速設(shè)為1 m/s，根據(jù)CFD模擬計(jì)算得到在最佳的參數(shù)設(shè)置下的空氣幕效率為0.875。

4 結(jié)論

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析得到影響空氣幕效率的主次因素為：安裝形式〉射流速度〉室外風(fēng)速〉噴口寬度；空氣幕效率最優(yōu)的參數(shù)設(shè)置組合為A3+B1+C1+D1，即使空氣幕安裝形式為空氣幕在室內(nèi)、射流出口回風(fēng)口異側(cè)，射流速度為9.4 m/s，噴口寬度為50 mm，室外風(fēng)速為1 m/s；根據(jù)最佳參數(shù)設(shè)置組合進(jìn)行補(bǔ)充模擬得到的最大的空氣幕效率可以達(dá)到0.875。新型空氣幕效率較高，有著較為廣闊的應(yīng)用前景，可以推動(dòng)我國節(jié)能事業(yè)的發(fā)展。