马文娟

（安徽理工大学理学院数学系 安徽 淮南 232001）

室内气流组织计算方法的概述与展望

马文娟

（安徽理工大学理学院数学系 安徽 淮南 232001）

分别介绍了四种不同的预测室内房间的空气分布方法：射流理论分析、模型试验、区域模拟以及基于计算流体力学方法的数值模拟。并对这四种方法加以分析和比较从而得出数值模拟法是计算室内气流组织的最好方法，最后对其领域未来所研究的一些内容进行了展望。

射流理论分析；模型试验；区域模拟；CFD

0 引言

近年来随着生活水平的提高，人们待在室内的时间越来越长，因此室内空气质量的好坏与一个人的健康状况更加密切，而为了保持良好的室内空气质量设计好的室内气流组织是最为关键。因此如何预测室内气流分布与我们的健康状况有着重大关系，室内气流组织计算已经成为室内环境研究方面的热门话题，国内外开展了非常多这方面的研究。目前主要有四种预测室内空气分布的方法：射流理论分析、模型试验、区域模拟以及基于计算流体力学（Computaional Fluid Dynamics: CFD）方法的数值模拟。这些方法都是一些研究人员最近提出的，分别适用于不同的建筑、不同的通风形势并且根据不同的要求而视情况而采用。本文将分别对这四种方法进行介绍和对比另对该领域的未来的研究内容进行一些展望。

1 室内气流组织的计算方法

我们知道在很多情况下，实测室内气流组织由于投资高，周期长、实现比较复杂或者难以模拟实际情况而不方便使用，所以很多学者提出了其他方法来预测室内气流分布，下面分别一一进行阐述。

1.1 射流理论分析法

射流理论分析方法始于上个世纪80年代，并于90年代建立了一系列射流公式用于室内空气分布的预测，具体做法是采用射流公式对空调送风口射流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测，该方法的优点是预测成本低，预测周期短，是所有方法中最简单和经济的。但是由于这些射流公式是基于某些标准或理想条件理论分析或实验得到的。由于建筑空间越来越复杂化、多样化和大型化发展，实际空调通风房间的气流组织形式变化多样，采用射流公式计算势必会带来较大的误差。并且，射流分析方法只能给出室内的一些集总参数的信息，不能给出设计人员所需的详细资料，无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求。

1.2 模型实验法

模型实验法的理论依据是流体力学里面的相似性原理，我们知道如果两个房间在几何上相似的话，那么在气流速度和气流组织上面也有一定的相似规律，所以该方法就是通过建立一个实验模型来模拟室内气流组织，从而从模型的气流组织情况得到室内气流组织的分布。因此模型试验是最精确的一种获得数据的方法。但是它需要较长的试验周期和昂贵的试验费用，搭建试验模型耗资很大，通常情况下单个试验耗资在3000-20000美元，近年来随着人力费用的上涨，试验所花费的经费可能会更大。而且对于不同条件，可能还需要多个试验，耗资还会增加，周期也长达数月以上，难于在工程设计中广泛采用，而且为了满足所有模型试验要求的相似准则，其要求的试验条件可能难以实现。

1.3 区域模型法

区域模型是将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参数如温度、浓度相等，区域间存在热值交换，通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布以及流动情况，该方法成本较低实验周期也较短，但是计算结果的准确性不高，只是一种相对“精确”的集总结果，试验涉及到的参数越多误差越大。另外该方法不能再机械通风中使用。

1.4 计算流体力学（CFD）法

计算流体力学法（CFD,下同）就是利用计算机求解室内空气流动控制方程组的数值模拟预测方法。1985年丹麦学者尼尔森首次利用计算流体力学方法对室内空气流动进行了数值模拟，随着计算机技术和湍流模拟技术的发展，CFD方法有了很大的发展。CFD法具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特优点，故其逐渐受到人们的青睐，CFD方法也越来越多的应用于暖通空调领域。该方法的具体做法就是在计算机上虚拟的做实验：依据室内空气流动的数学物理模型，将房间划分为许多小的控制体，把控制空气流动的连续的微分方程组离散为非连续的代数方程组。结合实际的边界条件在计算机上数值求解离散所得的代数方程组。只要划分的控制体足够小，就可以认为离散区域上的离散值代表整个房间内的空气分布情况。在目前的预测室内空气分布的方法中，CFD方法具有不可比拟的优势，并且由于当前计算机技术的发展，CFD方法的计算周期和成本也完全可以为工程应用所接受。

2 结论与展望

以上分别介绍了四种不同的室内气流组织的计算方法，对于它们的特点我们进行一系列小结和对比，详见表1。

表1 四种不同预测方法的对比

从上表可以看出，数值模拟法具有其他方法不可比拟的优越性，因此，CFD方法可应用于室内空气分布情况的模拟和预测，从而得到房间内空气的各种物理量的详细分布情况，这对于保证良好的房间气流组织、提高室内空气品质以及减少建筑物能耗都用重要意义。所以目前对室内气流分布的研究越来越多的集中在CFD方面，由于数值模拟法需要知道室内空气流动的状态和室内房间的边界条件，但是目前这方面资料不全，因此室内送风口入流边界条件确定、壁面边界条件确定以及室内热源分布等都会成为将来研究的热门领域。

［1］赵彬，林波荣，李先庭.室内空气分布预测方法及比较.暖通空调，2006,31（4）：82-86.

［2］Tuve G.L.Air velocities in ventilating jets.ASHRAE Transaction,1983,59(2): 261-282.

［3］张国强，邹媛.室内气流模拟方法比较及一种新的模拟方法研究//2007年全国暖通空调年会论文集.南宁,2007:841-845.

［4］Nielsen P V.Flow in air conditioned rooms：English Translation.Copenhagen: Technical University of Denmark,1992.

［5］Chen Q.Prediction of room air motion by Reynolds-stress models.Building and Environment,2002,31(3):233-244.

［责任编辑：王静］

book=1,ebook=1

安徽理工大学博士、硕士基金；安徽省教育厅自然科学研究项目（NO.KJ2011Z109)。