朱林军 邹惠芬

沈阳建筑大学市政与环境工程学院（110168）

0 引言

根据调查，人一天之中仅有20%的时间在室外，其余时间都在室内活动；室内环境的好坏，时刻影响着室内热舒适性的好坏，进而影响着人们的身心健康[1]。

图1 室内环境构成及影响

如图1 所示，室内环境受声环境、光环境、空气环境和电磁环境的综合影响。其中，光、声环境主要影响人们的最直接的心理感受；电磁环境属于动态电磁辐射场，通常对人的影响不大；空气环境是影响室内热环境最直接的因素，它反映着室内空气环境的热物理参数，诸如人们对温度、风速等的直观感受[2]。室内空气品质及空气的热物性直接影响着人们的身体健康[3]。当前，人们对室内空气环境的要求也日益提高，不同的气流组织形式对室内空气环境的影响也不同，因此文章采用CFD 模拟软件对常见的气流组织形式进行模拟，以探究其在室内空气环境中的作用及影响。

1 常见气流组织形式的特点

气流组织形式的选择取决于送风口和回风口位置、送风口形式等因素。其中送风口的位置和形式等是气流组织的主要影响因素[4]。典型住宅的气流组织形式主要有四种：①上侧送、同侧下回，如图2 所示；②上侧送、对侧下回，如图3 所示；③下侧送、同侧上回，如图4 所示；④下侧送、对侧上回，如图5 所示。

图2 上侧送、同侧下回

图3 上侧送、对侧下回

一侧送、同侧回的气流组织形式（图2 和图4），会使得室内大部分的空间处在回流区。自一侧送风口送入的新风可以与室内的空气充分混合，并且室内的污染物浓度和温度分布比较均匀，回风可以很好地带走室内的污染物； 但在送回风口对侧的上下部可能会形成两个送风死角。通风效率EV和温度ET效率约等于1；但换气效率ηa约等于0.5，比较低。

图4 下侧送、对侧上回

图5 下侧送、同侧上回

一侧送、对侧回的气流组织形式（图3 和图5），会使得室内大部分的空间处在涡流区；相较于一侧送、同侧回的气流组织形式，在同等条件下，室内大部分区域的污染物排除能力较低，通风效率EV＜1。这一类气流组织形式的射流速度不宜过大，应避免送风射流达到对侧墙。

2 典型住宅内气流组织形式的数值模拟

2.1 典型住宅的数学模型

图6 典型住宅模型

为了探究住宅内部气流分布规律，建立典型住宅内部的流体传输过程的物理模型，进行CFD 数值模拟。其中典型住宅模型的具体规格如图6 所示，模型尺寸为：开间x=5 m，进深y=4 m，层高z=3 m，总容积为150 m3； 其中四个风口置于进深中线上，尺寸均为900 mm×150 mm。上侧回、同侧下回时选择风口1、2；上侧回、对侧下回时选择风口1、4；下侧回、同侧上回时选择风口2、1；下侧回、对侧上回时选择风口2、3。模拟时关闭门窗。

2.2 典型住宅的数学模型

为方便建立模型及求解，做出以下合理假设：

①送风口送入的空气及室内空气均为不可压缩理想气体；②流体为稳态的湍流；③材料物性为常数，除湿温度分布均匀；④模拟时门窗关闭；⑤不考虑气体的渗透作用。

根据以上假设，得出描述典型住宅内部环境的数学模型。

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

RNG k-ε 模型方程：

式中：ui为i 方向上的速度分量，m/s；ρ为 流体密度，kg/m3；t为流体温度，℃；Gb为浮力和升力共同产生的湍流动能；C1ε、C2ε、C3ε为常数，C1ε=1.42，C2ε=1.68；当G与τ主流方向一致时，C3ε=1，否则C3ε=0。

2.3 不同气流组织形式下的室内气流分布特性模拟

不同的气流组织形式会在室内形成不同的气流分布特性，不同的气流分布特性对室内空气品质产生着影响，进而影响人们的舒适度甚至身心健康。利用CFD 软件ANSYS Fluent15.0 模拟计算上述模型室内的气流分布特性，以此来比较四种方式的特点。

图7 为四种气流组织形式模拟完成、条件稳定后的室内温度分布图，图8 为四种气流组织形式模拟完成、条件稳定后的室内速度分布图，图9 为四种气流组织形式模拟完成、条件稳定后的室内流线图；图中对应的四种气流组织形式依次为：①上侧送、同侧下回；②上侧送、对侧下回；③下侧送、同侧上回；④下侧送、对侧上回。

图7 显示：待条件稳定后，四种气流组织形式的室内温度分布情况大体相同。这是由于经过足够长的时间后，自送风口送入的新风已经使得室内的温度分布变得均匀，不再因为送风方式的不同而产生差异。

图7 室内温度分布

图8 显示：“上侧送、对侧下回”和“下侧送、同侧上回”的气流组织形式在房间的中部会形成很大范围的低流速区，说明送风口的风可能很少流经此区域；而“上侧送、同侧下回”和“下侧送、对侧上回”的气流组织形式的低流速区要小于前两者，说明这两种气流组织形式要好于前两种。

图8 室内速度分布

图9 显示：“上侧送、同侧回”的室内流线分布要比“上侧送、对侧回”的均匀，并且形成的涡流很小；“下侧送、对侧回”的室内流线分布要比“下侧送、对侧回”的均匀。

图9 室内流线分布

3 结论

经过模拟分析，得出以下结论：

1）就气流组织形式而言，“上侧送、同侧下回”好于“上侧送、对侧下回”，“下侧送、对侧上回”好于“下侧送、同侧上回”，可以使得送入的风与室内空气混合充分，并且使得房间大部分区域处在低流速区，温湿度适宜。

2）上侧送风方式在送热风（风的温度高于室内环境温度）时好于下侧送风方式；下侧送风方式在送冷风（风的温度低于室内环境温度）时好于上侧送风方式。

3）对于室内环境较差的情况，不建议采用“一侧送、对侧回”的气流组织形式。