气流组织形式对室内空气环境影响的数值模拟

不同的气流组织方式会形成不同的速度场、温度场、相对湿度、洁净度或有害物浓度场，直接影响通风空调系统的效果与经济性。对置换通风与其它通风方式的全面比较研究较少。研究应用计算流体力学方法，以办公室内的实际情况，进行不同气流组织方案下的通风效果模拟。

物理模型及简化假设

本文研究办公室内四种气流组织的物理模型：混合通风空调系统模型A(上送上回式)；混合通风空调系统模型B(侧送侧回式，回风口在墙上部)；混合通风空调系统模型C(侧送侧回式，回风口在墙下部)；置换通风空调系统模型D(表1)。气流组织形式D见图1(其余三种模型只是风口尺寸与位置有差别)。办公室及其设备模型取自典型的Sebric置换通风测试算例。

为简化模型并减少计算量，必须对实际的室内气流做一些假设：a.连续性的介质；b.定常的流场，实际情况中，气流经各送风口以均匀的速度送入室内，一段时间后，送风空气与室内空气充分混合，室内整个流场处于稳定状态，此时房间的流场可视为定常流(没有外部气流的干扰)；c.空气视为不可压缩；d.墙壁、天花板和地板的假设。房间类型为办公室，各物理模型根据实际情况取不同的边界条件。为简化影响因素，选择位于四面及楼上楼下均有相邻房间的建筑物内区，因此不考虑围护结构的传热。

室内温度场与速度场分析

（1）对于散流器送风的形式 A，气流由方形散流器垂直射入室内，受浮升力及射流不断卷吸周围空气的影响，射流速度逐渐减小，受到地面的阻碍后转向两侧流动。由于墙壁和室内障碍物的阻碍及热源的影响，气流在室内会形成多个回流区。在送风口下方的气流速度比周围的大得多，使室内人员有明显的吹风感，影响其舒适度。

（2）对于形式 B，气流水平射入，受重力作用呈抛物线流动，但又受浮升力作用，速度逐渐减小，一部分气流遇到障碍物后向近壁面(右墙 )流去，另一部分“抛物”气流遇地面改变方向，向左壁面流去，碰到壁面开始爬升，使左下部出现回流现象。一部分气流水平射入后，受到出口的卷吸作用直接流出房间，即短流现象，使送入的新鲜空气部分流失而造成能源损失。通观房间对称面全场，气流速度差别过大，舒适度也不高。

（3）对于形式C，与B相比，由于回风口的位置布置在对面墙壁的下方，送入的新鲜空气不会直接流出房间。送风气流与室内空气混合更好，使室内的温度场和速度场分布更均匀，但两者气流分布的情况差别不大。

（4）对于形式 D，室内气流以类似层流的活塞流状态缓慢向上移动，温度由下至上逐渐升高，呈明显层状分布。由于新风的温度低于室内温度，相对密度较高，进入房间后先向下流动，停留在室内地板上，形成一个“新风湖”。当气流到达一定高度遇到障碍物和热源(如人体、计算机)时，新风受热上升，降低发热物体的表面温度，带走热量。人体及计算机等热源周围特别是顶部区域，随高度增加温度明显上升，形成“热羽”区域，正是以“热羽”形式的上升气流，将周围热空气卷吸其中，逐渐上升并最终通过回风口排出房间，在工作区域内形成典型的“置换”流动。

研究结论

置换通风方式在污染物的排除及热舒适等方面优于其它气流组织形式。混合通风的不同气流组织形式，通风效率与热舒适效果存在差异。选择适宜的气流组织形式具有十分重要的意义。

通风过程与气流组织的关系

研究背景

在给定条件下，气流组织形式确定之后，通风空间的气流流场也就随之确定，那么通风过程也就确定。因此，所有流体元素自进入通风空间到离开，所经历的时间（即驻留时间）均值即为定数。但是，每一种流体元素在室内的驻留时间是随机变量，若以τ表示，则τ=0～∞，驻留时间的分布函数F（τ）可以表示成：

（1） 当采用示踪气体法来测量通风过程时，由于示踪气体（如CO₂）在通风气流中的浓度具有线性累加特性，因此，可以直接采用排风管内的浓度Ce(τ)/Ce(∞)来表示驻留时间的分布函数，即 F（τ）= Ce(τ)/Ce(∞)。

（2） 上式在Ce(τ)和Ce(∞)分别为排风管内时刻τ和时刻∞的浓度。

（3） 研究表明，在给定条件下，值大小完全由气流组织所确定，如果流场中的回流和涡流比较多，那么值比较大，通风过程就比较慢。反之，值比较小，通风过程就比较快。当流场中的回流和涡流趋近于零时，流场成为完全单向流，此时值最小，通风过程最快。所以，驻留时间均值是度量通风过程的良好尺度。

通风效果与通风过程的关系

我们利用通风过程方程式来描述通风过程，假设通风空间体积V，有害物质发生量，通风量L及通风时间τ，根据质量守恒，得到通风过程方程式：（1）式中M（τ）为室内时刻τ的有害物累积量。当τ=∞时，通风过程达到平衡状态，则可解出室内平均浓度；（2）式中TV=V/L，称为通风过程额定时间常数。由于室内平均浓度是评价通风效果的主要指标，所以式（2）正好表明了通风效果与通风过程的相关关系。可以看出愈小，通风过程愈快，通风效果愈好。

通风效率

不难看出，通风效果取决于通风过程，而通风过程又完全由气流组织所确定。因此，为了考虑气流组织对通风效果的影响，引出通风效率的概念。众所周知，当室内气流为完全单向流时，流场中无回流和涡流，所以驻流时间均值最小，而且沿流动方向的浓度呈线性增加，在排风管内达到最大值。通风效率是表示某一气流组织与单向流的接近程度。 以上分析表明，对于以排除有害物质为主要目的的室内通风，为了提高通风效率，气流组织型式应尽量接近单向流，如采用局部单向流通风、矢流送风以及吹吸式通风等。但必须指出，这些通风效率比较高的气流组织型式，必须有性能良好的末端装置与之相配合。

气流组织是指对气流流向和均匀度按一定要求进行组织。同时由回风口抽走空调区内空气，将大部分回风返回到空气处理机组（AHU），少部分排至室外。