李炳奎

摘要：近些年来，随着科技技术和时代的发展，在这个大数据时代，计算流体力学（CFD，即computational fluid dynamics）越来越成熟。人们运用CFD技术模拟预测类似体育馆这种的大空间的气流分布系统的方法在不久的未来也会越来越娴熟，会成为预测了解其气流分布的重要方法。但是到目前为止，我国在这方面的现状尚显稚嫩，既缺乏体育馆中分区送风气流组织的大量CFD的模拟分析，也缺乏体育馆大空间气流组织分布的模拟分析的实验数据。基于这种状况，本论文着重于针对体育馆这一大型空间的气流组织的仿真设计运用CFD方法进行模拟分析，通过其得出的数值和实际的数值进行比较得出该方法的可行性，以便以后在实践中更好的运用。

关键词：体育馆 大空间 CFD 气流组织分布 模拟预测

一.研究背景论述

首先在研究的开始要搞清楚气流组织分布的实际含义。所谓气流组织，即指对气流流向和均匀度进行组织。在空调房间里合理的布置送风口和回风口，使经过了处理，净化的空气被送风口送到室内后，在与室内的空气混合并且扩散后，均匀的消除室内的余湿和余热。从而使得室内形成一个均匀，稳定，有着合理的湿度和温度的状态，最终目的即使得室内的人感到舒适。而与此同时，回风口抽调走室内的空气，将大部分的风返回到空气处理机组，还有一小部分的风就会被排到室外。

气流组织对建筑空间内的空气温度，湿度和分布是否符合各种生产或生活的要求有着重大的影响，甚至起着决定性作用。在一栋现代化的体育馆这种大空间的建筑中，除了必备的体育设施，必须有良好流通的空气。特别是在比赛大厅中的空调是重中之重。而气流组织又是体育馆空调设计的关键，它不仅直接影响到体育馆内空调能否达到预期的效果，而且还与空调方案的经济性，如运行的费用，是否节能等方面有着密切的联系。因此可看出在设计中的重要性。

了解气流组织的实际效果主要有两个部分：即建设之前的预测和建成之后的实测。设计前的预测主要有射流理论分析，模拟实验，数值模拟（CFD），区域化模型三种方法。在此着重介绍数值模拟（CFD）这一方法。

CFD数值模拟这一方法与其他的方法相比较有着得天独厚的优势，比如成本低，速度快且适用的范围广。它是伴随着计算机技术和数值计算技术的发展而逐渐得以发展的

自从CFD在1974年由丹麦的学者P.V.Nilsen应用于空调室内的空气气流组织的模拟数值以来，短短的40年间，CFD在应用空调气流组织方面取得了飞速的进步和发展。在CFD的研究方面分为基础研究和应用研究。在基础研究方面包括：室内研究的简化模拟，室内空气流动模拟等，在应用研究方面又可分为自然通风的数值模拟，VOC散发数值模拟，置换通风的数值模拟等。而本文的研究方向是在室内研究的简化模拟的基础之上的高大空间数值模拟应用模拟研究。

CFD理论主要包括有控制方程，（即能量守恒定律，质量守恒定律和动量守恒定理。）湍流模型，标准壁面函数法等。

二.在体育馆实例中的模拟应用

在空气调节的范围内进行的气流组织设计要根据建筑物的用途以及一系列的温湿度，风速等参数进行设计和计算。

本文以武汉理工大学的西苑体育馆为模型，通过CFD对其进行模拟气流组织设计。

该馆是小型的综合性体育馆，建筑面积为20000平方米。主要有篮球，排球和羽毛球等球类专业训练用房，比赛大厅和接待等其他辅助用房。大厅四周都有观众席。比赛的场地在正中央大约尺寸为40m*40m，屋顶大约有20m，横向跨度有80m，纵向跨度有50m。体育馆可容纳观众席4320人，南区5排，每排33人，西区25排，由比赛场地斜向上分布到最上一层的观众席。模拟的时候可将观众席简化为一个斜坡热源。

Ps：室外参数

夏季空调室外日均温：36.8℃

夏季空调室外湿温度：31.2℃

室内参数

相对湿度：50-60%

室内温度：26-28℃

新风量：30m?/h.人

气流速度：在进行篮球或排球比赛时风速《=0.4m/s，在进行乒乓球，羽毛球等比赛时风速《=0.1m/s.

在用CFD计算模拟的过程中，将体育馆内空气视作不可压缩，无粘性的流体，气流的流动假设为定常流动状态，且不计屋顶的热量影响，将网架的平面视为模型的顶部，热量影响看做是定热流量，且取其密度为30W/㎡，这样我们可以計算得总热量为29KW.

在外墙的设计假定方面，我们也设为定热流量，其密度取20W/㎡，同理我们可得其总热量等于10.5KW.

在考虑人员冷负荷的方面，比赛大厅人员密集，而且情绪也容易得到调动，因而这方面的差异不能忽略.四分之一的观众席1080，个，其群集系数可得有0.92，人体发热量=108W/人，之前我们将该模型简化为一个斜坡的热源，根据以上的一系列数据及计算公式我们可以得到这个模型的冷负荷的总额等于158KW.

在测量，计算得出这些数据后可以利用Fluent对数值进行最终的计算。

首先导入msh网格文件，然后检查网格，确保其正确严谨性，修改其最初的长度单位，将单位改为米。选择分离式求解器和能量方程。将计算方程确定下来后设置控制参数，求解限制，监视参数。最终对流场进行初始化的预测并进行迭代计算。

在完成了Fluent的计算后，我们就可以对计算出的结果进行分析。首先我们在舒适性方面进行分析结果比较，可以得出侧送下回的温度和风速明显优于上送下回。接下来我们对竖直方向的温度分布情况进行比较分析可得出，上送下回的方式中偏离了原有的计算轨道，并且温度与高度成反比。而侧送下回则没有这种状况发生。

三.结论与展望

本文以武汉理工大学的西苑体育馆为模型，通过CFD的模拟数值方法和FLUENT软件对西院体育馆进行各项数据的模拟测试。模拟内容主要是对上送下回和侧送下回的分析比较。根据对体育馆的气流组织分布模拟的数据进行总结归纳可得出以下结论：

1.对这种小型的综合性布局的体育馆，侧送下回的方式比上送下回的方式更为经济节能，并且更加符合观众及比赛的需求。

2.采用CFD数值模拟和FLUENT软件分析对体育馆进行综合的模拟预测，发现与现实的差距不大，足以说明CFD数值模拟的精确性以及优越性。

3.不同气流组织的分布有着不同的特性，要根据其实际的具体的情况进行简化与分析，可以得到更加精确的结果。

在对体育馆这种大空间的气流组织的分布模拟预测的实验在我国并不是很多，而在美国，日本等发达国家则有较为丰富的数据和经验。CFD数据模拟是以后在暖通空调领域研究中的一个重大成就，我国还需要更多的探索与琢磨，才能更好的驾驭这一方式。另外，在运用这些数据，方程及软件的时候，我们采用了简化模型的方法，虽然简便了运算，但是与实际有较大的差异。为了在以后能得出更加精确的模拟数值，我们要多加考虑网格的划分，人体的舒适度的指标，以及边界条件设置的问题。

参考文献：

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[3]周月琴.体育建筑空调设计[M]北京：中国建筑工业出版社，1993

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