2008年1月第24卷第1期 沈阳建筑大学学报(自然科学版)JournalofShenyangJianzhuUniversity(NaturalScience) Jan. 2008Vol.24,No.1文章编号:1671-2021(2008)01-0108-04大空间辐射采暖的数值模拟———以沈阳体育学院排球馆为例王思平,陈 健,钱建华,韩永亮(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁沈阳110168)摘 要:目的分析燃气辐射采暖系统在高大空间建筑中的应用效果.方法使用Airpak2.1软件,选用DO辐射模型,k-ε模型,对某高大空间的辐射采暖系统的应用效果进行模拟研究.结果得到了地面、空间温度场分布,并对其进行了相应的分析,靠近南窗的一个温度分布断面,窗户的传热系数要大于围护结构的传热系数,室外冷空气会渗透窗户的缝隙进入室内.结论采暖空间的温度在18℃左右,地面温度比室内空气温度略高,空间内温度梯度较小,模拟证明燃气辐射采暖满足室内温度的要求.CFD模拟;DO辐射模型;k-ε模型关键词:燃气辐射采暖;TU111.19中图分类号:+ 文献标识码:A 的燃气辐射采暖系统,辐射器为单排水平布置,共4套.每套辐射器由3台发生器串联组成,中间两套吊装高度为10m,两侧吊装高度均为8m.1.2 数学模型CFD技术在室内热环境中应用是基于对室内空气(视为不可压缩气体)的连续性、动量、能量守恒微分方程的离散化处理及数值求解,得出温度场的分布.排球馆内无机械通风系统,空气温度分布完全依赖于辐射供暖产生的空气温度差形成的自然对流,计算的主要方法采用有浮升力存在时的湍流模型(k-ε模型),控制方程组[3-5]为(1)连续性方程对不可压缩流体,其流体密度为常数,方程简化为 ux uy+=0, x y式中:ux,uy———x,y方向的空气流速度(2)动量方程 p Txy(ρuxuy)=-++ρg+F x x x(2)(1) 燃气红外线辐射采暖是一种以液化石油气、天然气、煤气为燃料,在负压下运行,通过辐射出不同波长的红外线进行供暖的采暖方式.该采暖方式的主要特点是穿过空气直接对物体进行加热[1],并广泛地应用于高大空间建筑[2].随着计算机大容量化和高速度化技术的发展,在高大空间建筑供暖系统设计中,采用计算流体力学(CFD)技术来分析空间内部温度分布成为可能.笔者利用Fluent公司推出的Airpak2.1专业软件,对沈阳体育学院的排球馆进行数值模拟,预测空间温度场,并对模拟结果作出相应分析,以说明辐射采暖在大空间建筑中应用的可行性.1 数学模型1.1 研究实例沈阳体育学院排球馆尺寸为86m×36m×12m,z轴方向为北向,x轴方向为西向,东、南、西3面外墙,东、南两侧外墙有15组窗户,顶棚有4组天窗.采用燃气辐射采暖设备是由英国AM-BIRAD公司生产的NRV系列,发热量为46kW 收稿日期:2007-06-10基金项目:建设部科技攻关目(2003-2-114)作者简介:王思平(1955—),女,教授,主要从事供热空调系统、室内空气质量的理论与技术研究.第24卷王思平等:大空间辐射采暖的数值模拟———以沈阳体育学院排球馆为例109 T[( ux uyxy=μ x+ x)]-23μ ul xδxy.(3)式中:ρ为流体密度;P为静压力;Txy为应力张量的分量;g为重力加速度;F为由热源、污染源等引起的源项;μ为黏度;ul为l方向速度;δxy为常数.(3)能量守恒方程 x(ρu Txh)= x(λ+λt) x+ V.(4)λt=Cpμt/Prt.(5)式中:h为比焓;λ为分子热导率;λt为湍流扩散热导率;T为流体温度; r为体积热源项;Cp为质量定压热容;μt为湍流黏度;Prt为湍流普朗特数. (4)k-ε模型K湍流动能输运方程 x(ρku ut kx)= x[(μ+σ+Gk+Gbk) x]+ρε.(6)Gk=-ρu′xu′ uyy u.(7)xε湍流动能耗散率输运方程 x(ρεu x[(ut εεx)=μ+σ+Clε(Gk+ε) x]k2CGε3εb)-C2ερk.(8)Gμt Tb=βgPr.(9)t x式中:k为湍流动能,k=u′xu′y2;σk,σε分别是k,ε的湍流普朗特数;u′x,u′y分别是x,y方向的速度脉动值;Gk为平均速度梯度产生的湍流动能;Gb为浮力产生的湍流动能;ε为湍流动能耗损率2=Cμkv;v为运动黏度;Cμ为常数;C1ε,C2ε,C3ε为常数;β为膨胀系数.模拟中使用的模型常数分别为C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=1,Cμ=0.09,σk=1,σε=1.3,cμ=ck=0.9.1.3 数学模型的离散求解该数学模型用Airpak2.1进行模拟计算,Air-pak2.1使用FLUENT5.6.6的CFD求解器求解,采用控制容积离散法对控制方程组进行离散.1.4 计算网格的划分计算网格划分质量直接决定计算的精度,为使计算结果更精确,将整个空间离散化处理,采用六面体网格.此次模拟局部细化六面体网格,Numelements:713804;Numnodes:674944;quads:71032;Computingelementquality(aspectratio)range:0.45>0.15.图2是生成网格的z向截面图.图1 网格划分z向截面图1.5 边界条件的设定[4-7](1)关于温度的设定冬季室外设计温度为-19℃体育场馆冬季室内设计温度为18℃主要模拟室内温度达到18℃时,室内的温度场及室内温度梯度曲线,因此初始温度设定为18℃,进行稳态模拟.(2)围护结构的设定外墙传热系数0.86W/(m2·K),窗户传热系数1.5W/(m2·K),屋面传热系数0.7W/(m2·K).外墙和内墙的厚度为370mm和240mm.(3)燃气辐射采暖器的发热量该场馆采用英国AMBIRAD公司的NRV系列产品,每台发生器功率为46kW,采暖室内计算温度为18℃.1.6 模拟计算其他参数的确定[8]模拟计算时因变量的分布假设、收敛原则、松弛因子的确定汇总于表1.表1 计算参数汇总表离散迎松弛求解循环参数风格式因子格式类型压力一阶0.2AMGV温度二阶0.1AMGFlex动量一阶0.5AMGFlexk一阶0.5AMGFlexε一阶0.5AMGFlex2 计算结果及分析2.1 模拟结果经过Airpak软件的模拟,选取以下典型断面的温度分布云图(见图2～图9)进行结果分析. ε110 沈阳建筑大学学报(自然科学版)第24卷图2 z=1m断面处温度分布云图图3 z=9m断面处温度分布云图图4 z=18m断面处温度分布云图图5 z=27m断面处温度分布云图图6 地面的温度分布云图图7 x=4m断面处温度分布云图图8 x=43m断面处温度分布云图图9 z=18m与x=50m交界线处的温度曲线2.2 模拟结果分析从图2～图5的比较可以看出,图2断面的温度略低,其他三幅温度相近,原因是图2表示的是靠近南窗的一个断面,窗户的传热系数要大于围护结构的传热系数,室外冷空气会渗透窗户的缝隙进入室内,所以图2所示断面温度略低.从图6中可以看出地面平均温度是20℃左右,这是因为辐射采暖对物体直接加热;由于辐射设备与其正下方的地面距离最小,所以该处地面温度要高于地面的其他部位.从图7和图8两幅图的对比可以看出,图8的整体温度都要高于图7的温度,这是由于图7是靠近东墙的一个断面,该面墙以窗体居多,而且处于辐射采暖设备的初端,所以缝隙的渗透和传热系数大会对该处的温度影响较大;图9所示断面位于排球馆的中间,下部空间温度在18℃左右,从y=7m以上温度偏高,这是由于辐射采暖设备吊装在上部,加之室内空气的对流作用所致.从图9可以更加直观的表示出排球馆内某处的温度变化走势,地面的温度稍高,在地面附近形成了较大的温度梯度,说明了辐射采暖透过空气直接对物体加热的特性;在y=0.5m至y=6m之间温度变化平缓,室内温度比较稳定;在y=6m至y=8m之间温度梯度再次加大,这是由于靠近辐射采暖设备所致;y=8m至y=11m之第24卷王思平等:大空间辐射采暖的数值模拟———以沈阳体育学院排球馆为例节能,2006(6):36-38.分析[J].111 间是辐射采暖设备吊装的区域,所以温度最高;由于顶棚直接与室外空气接触,而且顶棚还有天窗,加大了与外界的热量交换,所以y=11m到顶棚温度再次下降.[3] 陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001.[4] 帕坦卡SV.传热与流体流动的数值计算[M].张政译.北京:科学出版社,1984.北京:中国建[5] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].筑工业出版社,1993.[6] QChen,JSrebric.Simplifieddiffuserboundarycondi-tionsfornumericalroomairflowmodels[J].ASHRAERP-1009,2000.[7] 柴秀惠,肖兰生,隋锋贞.实用供暖工程设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1986.[8] TassouSA,XiangWeizhong,KolokotroniM,etal.Churchheating:Numericalmodelingandcomparisonbetweenradiantandforcedconvectionsystems[J].ASHRAETransactions,2000,106(1):459-505.ZhangP.Radiationheatexchangecal-[9] ChapmanKS,culationsinradiantlyheatedandcooledenclosures[J].ASHRAETransactions,1995,101(1):1236-1247.[10] SimmondsP.Practicalapplicationsofradiantheatingandcoolingtomaintaincomfortconditions[J].ASHRAETransactions,1998,104:901-911.3 结 论通过对模拟结果分析表明,应用燃气辐射采暖系统的排球训练馆内,温度可以达到训练要求的温度[9-10],在运动员活动区域内,温度维持在18～19℃.辐射采暖透过空气直接对地面加热,所以地面温度略高,在运动员活动区域的温度梯度小,符合辐射采暖的特性.参考文献:[1] LuoJijie,BaiXiaobu,HuWeiwei.Researchandappli-cationofradiantheatingsystemwithdomesticcom-ponentsforlargespacestructure[J].NuantongKong-tiao,2002,32(6):8-11.[2] 张晓明.新型大空间远红外线辐射供暖技术应用NumericalSimulationofRadiationHeatinginLarge-Space———TakingtheVolleyballHallofShenyangSportUniversityastheExampleWANGSiping,CHENJian,QIANJianhua,HANYongliang(SchoolofMunicipal&EnvironmentalEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,ShenyangChina,110168)Abstract:Inthispaper,theresearchoftheapplicationeffectaboutthevolleyballgymnasiumissimulated1,selectingtheDOradiantmodelandk-εmodel.ThetemperaturebasedonthesoftwarenamedAirpak2.fieldofthefloorandthespaceandthecurveofverticaltemperatureareobtained,andtherelevantanalysisforthemisdone.Aroundthesectionnearthesouthwindow,theheattransfercoefficientofthewindowsisthecoolairpenetratesthegapsofwindowsintothebiggerthanthatofthesurroundingprotectionstructure;room.Thetemperatureinthelowpartoftheroomisabout18℃;thetemperatureisalittlehigherthany=7m;theaveragetemperatureonthegroundisabout20℃;andthetemperaturegradsismuchhigheraroundthechangerangesfromy=0.5mtoy=6;theindoortemperatureisstable.Thetemperaturetheground;gradsincreasesfromy=6mtoy=8m.Thetemperatureisthehighestfromy=8mtoy=11m.Thecon-clusionisthatthetemperatureintheheatingspaceisabout18℃;thetemperatureonthefloorisalittlethetemperaturegradsinthespaceislow;anditisprovedthatthegas-firedra-higherthantheindoorair;diantheatingcanmeetthetemperatureoftrainingrequired.Keywords:gas-firedradiantheating;ComputationalFluentDynamics(CFD)Simulation;DOradiantmod-el;k-εmodel