1 绪 论
1.1 研究的背景及意义
1.1.1 课题来源
随着经济的发展和人民生活水平的日益提高，人们对室内环境的要求也越来越高，因此，基于提高建筑能源的有效利用、营造健康舒适宜人的建筑环境以及更有效的保护生态环境为宗旨的“可持续发展”的绿色建筑日益得到了人们的认可和重视。在我国，建筑能耗占我国总能耗的比例约为 27.5%[1]，而空调和采暖的能耗约占建筑能耗的 50%~70%[2]。自二十世纪七十年代初以来，人们采取了一系列的节能措施来降低能耗，这些措施使室内环境发生了根本性的变化，但这些变化中有些是积极的，有些则是消极的。在积极方面，通过提高围护结构的性能和采用更先进、更节能的空调和供热系统，使得热舒适水平的提高变为现实；而在消极的方面，室内空气品质恶化日益严重，尤其在空调建筑中，“病态建筑综合症”（Sick Building Syndrome，SBS）已经成为一个严重的问题，使人们的身心健康和工作效率受到很大的影响[3]。国际上对“病态建筑综合症”作了大量的调查研究[4]，调查结果表明，建筑物室内通风不良是造成“病态建筑综合症”的主要原因之一。因此，为了消除这些不良影响就需要改善室内气流组织，进行有效的通风换气。
.........
1.2 国内外研究现状
1.2.1 置换通风
室内存在的热源会产生向上运动的对流气流，从下部送风口送入室内的新鲜空气在对流气流的影响下向房间上部流动，并在运动过程中不断巻吸周围的气流，热源引起的热对流使室内产生了下部温度较低，上部温度较高的垂直温度梯度。置换通风的送风速度比较低，因此对室内主导气流的影响较小，置换通风主导气流是由室内热源控制的，与混合通风相比，设计良好的置换通风可以有效地改善与提高室内空气品质[7]。1978 年德国柏林一个焊接车间首次使用了置换通风方式[8]。1987 年北欧学者P.V. Nielsen[9],M.undy.Elisabeth[10]等在研究之后将这种通风方式上升到工程技术和学术高度。1990 年 Hakon Skisad[11]从理论到实践对置换通风做了系统的归纳整理。瑞士、德国等研究人员用实验测试和理论分析的方法，对置换通风在空气质量和热舒适性方面进行了细致的研究，并在此基础上将其安装到部分办公室和会议室中，配合相应的空气处理设备和控制手段进行调节，取得了理想的效果。日本和美国在二十世纪九十年代初，基于改善室内空气质量的目的开始关注这种通风方式，并结合各自建筑的实际条件，展开相应的实验与数值模拟，进一步完善了各项技术。在过去的十几年里，国外对置换式通风系统做了大量研究[12]：英国的BSRIA(Building Service Research and Information Association)对部分置换式通风系统进行了实地测试和计算机预测，并将两个结果的温度场和速度场进行了比较，用于预测热舒适度；挪威 SINTEF(The Foundation fou Industrial and TechnicalResearch at the Norwegian Institute of Technology)对已有的置换式通风系统进行了大量的实地测试，并对几种典型场所提出了置换通风系统的设计原则；法国电力（EDF）出资支持法国第三大国立 LET 实验室对置换式通风进行全面的、系统性的研究，并为此建立了置换式通风实验台，侧重于对置换式通风系统干扰因素如送风量、热气流的流量和热气流的温度对置换通风系统的影响进行了细致研究和系统的计算机仿真，为置换式通风系统的合理设计提供依据。Park[13]用 CFD 技术研究后指出：热源高度的不同，对室内温度会产生较大的影响。随着热源所处高度的增加，热力分层高度也随之提高，同时在热源上方将产生较大的温度梯度。在置换通风与冷却顶板相结合方面，Brunk[14]通过与传统通风方式相比较发现：前者可降低 37%左右的能耗。
.........
2 数值模拟方法的选择与可行性验证
2.1 房间模型的建立
目前，高档办公楼的密闭性越来越好，如果通风效果不好，会形成“病态建筑综合症”，对于在办公室内工作的人，有效通风是一个很重要的问题。如何在降低能耗的前提下实现既能满足人体热舒适要求，又能保证室内空气品质的室内环境具有十分重要的意义。本文以一个经过简化的空调办公室房间为模拟对象，房间的几何尺寸为 5m×3.5m×2.6m，分别采用置换通风、碰撞射流通风、竖壁贴附射流通风三种通风方式来进行室内气流组织的模拟研究。置换通风形式下送风口的尺寸为 1.2m×0.3m，碰撞射流通风形式下送风口的尺寸为 0.2m×0.24m，竖壁贴附射流通风形式下送风口的尺寸为 0.54m×0.2m，为了使三种送风方式下送风量相同，三种送风方式下送风口平均速度设为 0.24m/s、1.8m/s、0.8m/s。房间采用顶部排风，排风口尺寸为 0.4m×0.4m。房间内布置了 2 个坐姿的人、2 张桌子，4 根日光灯，室内热源主要是人、计算机、日光灯和南墙的热量。在三种通风物理模型中，1 是日光灯，2 是人体，3 是计算机，4 是办公桌，5 针对三种模型，分别是置换通风送风口、碰撞射流通风送风口和竖壁贴附射流通风送风口，6 是回风口，7 是南墙。
........
2.2 数值模拟可行性验证
在进行数值模拟研究之前，应该对所选择的数值模拟方法进行可行性验证。如何针对需要解决的问题选择合适的计算模型和方法，得到合理的结论是在数值计算前必须考虑的重要问题。本章通过文献中的实验数据来验证所选择湍流模型及模拟方法的正确性，为论文的核心部分打下基础。以文献[15]提出的模型为研究对象，通过边界条件的设定、网格划分、湍流模型的选择、计算方法的选择等方面的研究，分析比较不同计算条件下的通风效果。最后，对计算结果进行理论分析和前人实验结果的验证对比，作为下一步模拟的参考依据。
.........
3 不同通风方式下室内空气品质的模拟研究................... 41
3.1 夏季工况下模拟结果分析 ................................... 41
3.2 冬季工况下模拟结果分析 ......................... 55
3.3 本章小结 ............................... 59
4 射流通风室内气流组织影响因素的分析 .................... 61
4.1 排风对室内气流组织影响的数值模拟分析 .................. 61
4.2 排风口位置对室内气流组织的影响......................... 65
4.3 送风口位置对室内气流组织的影响............................. 72
4.4 本章小结 ............................. 81
4 射流通风室内气流组织影响因素的分析
4.1 排风对室内气流组织影响的数值模拟分析
按照我国关于空气分布器性能试验方法的规定，实验测试空调送风等温自由射流时应保证房间长度RL 不小于 7.2m，高度RH 不小于 2.8m，于是，建立二维排风口模型，对分析三维情况下排风对室内气流组织的影响提供一定的支持。取房间尺寸为： LHmmRR 10 3，排口则置于墙壁正中以保证回风为自由回风，排风口的尺寸为 0.5m，送风口取模型的整个面，并且与大气连通，如下图所示。分析在不同的排风动量和排风口位置条件下，排风轴心速度变化规律和断面流速分布的情况。
..........
5 结论与展望
5.1 研究结论
本文以射流通风技术为研究点，对其多工况下的室内气流组织特性及影响室内气流组织特性的主要因素进行了数值模拟研究，主要结论概述如下：①湍流 RNGk 模型、标准壁面函数法和 Body-force-weighted 压力差值格式的方法适用于室内通风形式下的数值模拟研究；②射流通风在夏季工况下，室内温度场有明显的分层现象，但和置换通风相比，碰撞射流通风使房间地面“空气湖”的温度高出 2℃，竖壁贴附射流通风房间地面“空气湖”的温度高出 3℃；射流通风工作区的风速分布均匀，人体无明显的吹风感；房间 z=1.2m 平面以下的空气龄在 200~400s 之间，z=1.2m 平面以上的空气龄在 400~600s 之间，纵向分层明显，下部空气品质较好。③射流通风在冬季工况下，室内 z=0.1m 平面以下的温度场比上部的温度场高出 1~2℃，工作区风速分布均匀，在 0.1m/s 以下，整个流场的空气龄分布无明显的分层现象。④碰撞射流通风和竖壁贴附射流通风在夏季工况下的能量利用系数为 2.021和 1.609，冬季工况下为 1.08 和 1.21，均大于 1，存在节能空间，并且夏季节能空间较大。⑤排风口附近的速度场由一系列等速面速组成，离排风口越远，等速面的速度值下降的愈快。在距离排风口 1 倍排风口直径处，其流速衰减为排风口流速的25%。对于给定形状和尺寸的排风口，排风口速度变化对排风口附近流场变化规律影响不大。⑥排风口位置的变化对射流通风下部工作区温度场的影响较小，其温度分布均在 296K 以下，在房间上部，排风口附近的温度较高，并且沿排风口呈对称分布；空气龄的分布随着排风口位置变化明显，当排风口位于屋顶中间时，房间下部空气龄在 360s 以下，上部在 360~560s 之间，气流组织较好。⑦对于碰撞射流通风，随着送风口和地面之间距离的增大，房间底层“空气湖”的平均温度呈上升的趋势，由 295K 增加至 296.5K，房间空气龄的分层现象趋于平缓，当送风口距离地面的距离大于 1.5m，即 s/h>0.58 时，整个房间的空气龄基本在 400~500s 之间，因此建议碰撞射流通风口距地面的距离和房间高度的比值控制在 0.58 之内。
............
参考文献（略）