摘 要：大空间分层空调送风气流属于高Re数非等温浮力流，常用的双方程模型不能较好地解决非等温气流流动时温差引起的浮力作用。为此在控制方程中添加浮力源项并进行Boussinesq假设，建立对浮力项经过修正的高雷诺数双方程数学模型。以淮北市中心体育馆分层空调气流温度实测数据为基础，对实际工况下的气流组织进行数值模拟。测试与模拟结果对比表明，所建立的数学模型以及边界条件的简化措施对高大场所气流温度场的模拟解算有良好的适用性，模型对预测高大空间分层空调系统设计的效果具有指导意义。
关键词：数值模型；分层空调；气流场；大空间
中图分类号： TU834.3 文献标志码：A
文章编号：1672-1098（2017）05-0029-05
Abstract：The air supply flow of stratified air conditioning in large space belongs to high Reynolds number non-isothermal buoyancy flow， and the common two-equation model cannot solve the effect caused by non-isothermal buoyancy flow. For this reason， the high Reynolds two-equation mathematical model modified with buoyancy was established by adding buoyancy source to the governing equation and proposing the Boussinesq hypothesis. Based on the measured air flow temperature of stratified air conditioning in Huaibei gymnasium， the numerical simulation was carried out with establishing model in operation condition. The comparison of the numerical results with experimental data showed the former mathematical model and the way of dealing with boundary conditions had strong applicability on calculating this kind of airflow； meanwhile mathematical model had guiding significance for forecasting effects on the design of the large space stratified air conditioning system.
Key words：numerical model； stratified air conditioning； air flow； large space
随着建筑技术的进步，大层高、大跨度等高大建筑得到飞速发展。如体育场馆、航站楼、会展中心、高铁站房、生产车间等[1-2]。外围护结构面积、人员密度和照明强度较大，因此空调系统冷负荷较大[3]。大空间和大层高的场所会出现室内气流层化现象，导致垂直温度梯度增加。此类建筑中央空调能耗较常规建筑大幅增加，约为建筑总能耗的45%～65%[4-5]。为了解决高大空间高能耗的问题，出现了“分层空调”技术，即利用合理的送风射流在空调区和非空调区之间形成气流隔断面，从气流上对空间进行了分层划分，建筑的上部为非空调区，下部为空调区。分层空调技术的关键是空调区和非空调区空气屏障的形成，送风气流在空调区进行热湿交换，达到消除余热余湿的目的，非空调区的热湿由机械通风排出。这种空调形式可以減少冷热负荷，减小空调机组容量，降低运行能耗[6-7]。据调查，分层空调可以节省能源20%～48%[8]。随着计算机技术和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的发展，暖通空调和制冷行业是CFD技术应用的重要领域之一，可以对空调系统的气流分布、PMV、温湿度场等进行数值模拟和预测[9-10]。用于气流组织模拟的湍流模型由很多，直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）的结果非常精确，但是要求物理模型不能复杂；将雷诺平均引入N-S方程组形成RANS湍流模型，能解决很多工程问题，但是需要根据实际类型的问题对模型进行修正，最常用的为k-ε双方程模型；大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）将直接求解和模型模拟相结合，具有通用性[11-15]。
上述研究所建立的模型能较好地应用于管流、无浮力平面射流、无旋回流、通道流等，但对于存在低雷诺数和浮力流的通风空调送风气流，会遇到较大问题。因此，本文以淮北市体育馆高大空间分层空调系统为例建立物理模型，建立对浮力项修正的高雷诺数k-ε双方程数学模型，验证采用该数学模型对高大空间分层空调气流形式进行数值模拟的适用性。
1 工程简介
淮北市中心体育馆于2003年建成使用，项目总面积约20 800m2。整体建筑外观呈飞碟状，由外围的配套用房和内部的比赛空间组成，类似厢楼式格局，高度约37m，最大直径约为107m。中心为比赛场地，长46m，宽26m，四周观众席面积2 800 m2。比赛和观众区在建筑内部形成高大圆柱体空间，直径72m，高度28m。观众区设置固定座位4 800个，活动座位600个。