【原】CFD射流理论和区域模型

各位同学，大家好，我是七师兄，在前面的课程中，我们已经学习了CFD的基本概念、控制方程、边界条件、初始条件、计算过程和算法，那么前面这几节课主要讲的是软件这一块的理论知识。今天，我们来学习Airpak高级班的第五节课的内容《射流理论和区域模型》，这里主要涉及到我们的研究对象，流体流动的理论知识。

5.1 这一节将主要介绍两种应用广泛、计算速度快的室内空气流动预测方法,即射流理论和区域模型,并在此基础上对二者进行比较。

那么什么是射流呢？我们来看下概念。

射  流：指流体从管口、孔口、狭缝射出，或靠机械推动，并同周围流体掺混的一股流体流动。经常遇到的大雷诺数射流一般是无固壁约束的自由湍流。这种湍性射流通过边界上活跃的湍流混合将周围流体卷吸进来而不断扩大，并流向下游。射流在水泵、蒸汽泵、通风机、化工设备和喷气式飞机等许多技术领域得到广泛应用。

我们来看下，这个图片，这个是一个高铁站的候车室，我们国内高铁站候车室，一般有两层，中间镂空，是一个层高很高的高大空间，在二层的侧墙，会有很多的碰口，那这种喷口就是属于射流的一种，他的风送风口出来的时候，速度很大，在射流的过程中，会不断卷吸周围的空气。  我们知道，在室内，送风口空气的射流是形成室内不同气流组织的主要因素。由于送风末端不同、射流空气与室内空气温度不同,可形成不同类型的送风口空气射流。一般来说当射流的雷诺数Re大于30时,射流就成为湍流流动。空调房间中的送风口射流的雷诺数通常都远大于30,因此均可视为湍流射流。

区域模型是在20世纪70年代由1ebrun首先提出的,主要用于描述住宅房间内的温度分层现象,预测房间温度、能源效率、热舒适以及空气质量等,后来该模型得到了广泛发展,应用领域扩展到机械通风和自然通风情况下室内环境的拟。其研究焦点是分区方法和流量计算。

5.2  根据送风口类型以及送风条件,如初始温度、房间几何尺寸、送风角度等,可以将送风射流分为不同种类:等温射流和非等温射流；自由射流和受限射流；

贴壁射流：如果贴附于墙壁或者天花板则称作贴壁射流

受限射流：如果由于射流前方的墙壁阻挡使得射流受回流影响,则叫受限射流(狭义的受限射流)。射流特性受送风口类型影最大,而通常利用射流公式设计室内气流组织时,主要是根据送风口种类选用不同的射流公式。根据送风口种类可将送风射流分为如下几类：

(1)密集射流 从百叶、格栅、圆形喷嘴、圆形送风口、方形送风口以及长宽比较小的送风口送出的射流属于此类,其特点是射流为三维或者辅对称的,或者发展到一定阶段是轴对称的

(2)线性(平面)射流 从条缝风口或者具有大长宽比矩形风口送出的射流属于此类,具有二维的特性,射流速度在平面内对称。

5.3 接下来我们具体的看下，各种风口，他射流出来的气流，运动的情况。

5.4  射流理论本身只能考虑比较简单的情形，因此许多涉及到许多实际工程，需要进行校核。对于体育馆、剧场等大空间属于自由射流，对于百叶、散流器等风口，在实际工程的有限空间流动可以用公式进行校核。对于温度的校核可以用Re类比，将速度衰减公式的系数除以普朗特数的到温差衰减系数。（普朗特数取0.9~1.0）。右侧列出了我们常见风口形式的修正系数。我们做一个了解。

 5.5 对于空间较小的情况，由于受到贴附的顶板或周围墙壁的影响，送风射流往往是受限的。

具体的气流组织形式，与实际的风口位置、空调通风房间的尺寸以及室内的物体布置情况有关，难以用具体的公式来表达，但是可以通过CFD模拟的方法进行研究。侧送气流组织：侧送风形式一般用在高大空间、剧场、住宅、商场等建筑室内，通常采用上部侧送形式。此时的射流属于贴附射流，对于空调侧送风，处理要重点关注工作区域平均速度、温湿度之外，还要重点关注送风射流的贴附长度，因为如果，送冷风射流过早脱落顶板进入人工作区，会对人体造成明显的吹风感。通常认为，贴附长度不小于房间长度的0.6倍。

5.6 区域模型的基本思想是将房间划分为有限的不同区域(Zone),每个区域内的空气物理参数如温度、湿度、污染物浓度均匀一致。每个区域满足空气质量流量、组分质量和能量的平衡，通过建立相应的平衡方程求解每个区域的空气参数。

区域模型的假设

1）各区域内空气温度、密度等参数均匀一致

2）各区域直接相连的边界可以有流体穿过。

3)各区域设有独立的定压点。

4)各区域内流体沿高度方向的压力分布符合流体静力学规律。

相比于计算流体力学方法,区域模型具有如下特点:

1)房间节点数大大减少,且方程线性程度较好,从而计算量显著减少。

2)计算结果不及CFD详尽,但大大优于集总参数方法。

3)特别适合于动态分析,例如较长时间段内室内环境参数的变化规律。

5.7区域模型的基本方法

采用区域模型模拟察内环境时,通常按照下述步骤进行:

1)分区。将房间划分为不同的区域(Zone)

2)区域间的流量计算。计算区域之间空气流量的交换量。

3)建立各个区域的空气参数平衡方程。

       4)联立求解平衡方程组得到结果。