某剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究--（2）：CFD模拟

1 引言
　　为了研究某采用座椅下送风空调方式的大空间剧场的观众席空间内的温热环境和气流分布情况，笔者于2001年5月到8月间进行了实验模拟。实验是在长为7.2m、宽为5.38m、高为2.51m的实验室中进行的，分别模拟并监测了夏季、冬季和过渡季三个工况以及正下型和交叉型两种配置相互组合下的温度场和速度场，并进行了主观问卷调查。具体实验结果及分析在《某剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究--（1）：实验室模拟分析》中有详细介绍。本实验所模拟的座椅下送风方式实际上是一种局域置换空调方式，而在置换空调中，工作区内的温度梯度Δt是造成人体不舒适的重要因素。Δt一般取离地面1.1m高度处（坐姿人员的头部位置）温度与离地面0.1m处（人体脚踝）的温度差值。国际标准ISO7730（1990）规定Δt应小于3℃，而本实验中的两种配置在夏季工况下Δt均大于3℃，没有达到标准的舒适性要求。对于这一不甚理想的实验结果，笔者猜测可能因为实验室空间高度有限，与所模拟的剧场的高度有较大差距，较低的顶棚和顶棚上的照明光源对温度梯度造成影响，使温度梯度较大。为了证实这一猜测，笔者用专业CFD软件Airpak2.0对实验室的温度场和气流场进行了模拟，并尝试将实验室高度增加，希望能够解决因实验室条件限制所造成的温度梯度过大的问题。

2 CFD模型建立与计算网格生成
　　Airpak2.0是FLUENT公司专门为空调专业开发的CFD软件，可以用来模拟温度场、气流场、污染物浓度、空气龄以及PPD、PMV等。笔者首先根据实验室的实际尺寸建立模型，如图1所示（为清晰起见，图1中隐去人体）。这里仅模拟交叉型配置（即送风散流器位于两个座椅之间，见《某剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究--（1）：实验室模拟分析》图4、图5）的夏季工况。为了减少计算工作量，笔者将人体模型简化为四个长方体的组合--头颈、上身和双臂作为一个长方体；两条大腿作为一个长方体；两条小腿各作为一个长方体。在设定边界条件时将一些经实测所得的数据带入，例如排风量百分比、人体表面温度、各内表面温度等，如图2所示，这样做的目的也是为了提高计算精度和减少计算工作量。另外，对于散流器仅考虑其水平向上45℃吹出的气流，而没有考虑其两侧水平吹出的气流。因为笔者观察烟气实验录相，发现散流器的吹出气流绝大部分是从其正面吹出，其两侧吹出气流很少。
　　模型建立好之后，软件自动生成计算网格，如图2所示。
　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 CFD计算模型与边界条件设定

　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　图2 CFD计算网格（复合型网格包含六面体非直交网格，要素数：468000）

3 计算结果分析
　　为了研究顶棚高度和送风温度对温度梯度的影响，笔者分别计算了三个算例：（1）顶棚高度H=2.51m，送风温度=20.5℃(实验室实际条件)；（2）顶棚高度H=3.36m，送风温度=20.5℃（假想顶棚高度）；（3）顶棚高度H=3.36m，送风温度=22.0℃(假想顶棚高度、假想送风温度)。算例（2）和（3）中的假想顶棚高度3.36m是根据实际剧场最后一排座椅离顶棚距离确定的。其他条件与实际实验条件一致（见《某剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究--（1）：实验室模拟分析》。为了提高计算精度，采用非稳态计算，结果如图3、4所示。
　　　　　　　
　　　　　　　
　　由图3，算例1中的温度分层不明显，而算例2和算例3中的温度分层很明显。而算例1中最后一排的人头部以上温度偏高。算例3中虽然送风温度提高到22℃，但是工作区温度基本在设定值（26℃）以下。
　　由图4，除散流器出口处、排风口处和椅背上方等局部风速较高（小于0.25m/s）之外，实验室内各点风速基本上都小于0.1m/s，处于静稳气流状态，这与实测结果是一致的，也是满足人体舒适性要求的。
　　笔者将各算例的A2柱（见《某剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究--（1）：实验室模拟分析》图10，A2柱位于第2排中央）温度计算结果取出，与实测结果同列于图5。比较算例1（顶棚高度2.51m，送风温度20.5℃）计算结果与实测数据可以发现，除阴影部分之外，计算结果与实测结果还是吻合得相当好的。笔者认为阴影部分是人体膝部发热对计算结果的影响。比较各算例和实测结果发现，工作区温度梯度Δt实测值为5℃，实验室实际条件下（算例1）计算Δt为4.7℃；将实验室顶棚高度增加到3.36m，而送风温度不变（算例2）时计算Δt为3.7℃；将实验室顶棚高度增加到3.36m，而送风温度也增加为22.0℃（算例3）时计算Δt小于3℃。由此可见，顶棚高度对工作区的温度梯度有一定的影响，将顶棚高度增高后，温度梯度有明显的下降；送风温度的变化对温度梯度也有一定的影响，送风温度提高后，温度梯度下降。而同时加高顶棚和升高送风温度，就能够使工作区的温度梯度小于3℃，而且工作区温度小于设定温度26℃。