摘要：本文对空调试验室流场进行模拟计算，在此基础上对测试室送风系统进行改进设计，明显改善测试室流场分布。

关键词：流场 FLUENT 测试

0 综述

焓差法实验室常常忽略外部流场分布的不均匀性，以至影响到测试结果的稳定性和准确性。而大量流场测试周期长、操作复杂，测试室气流速度通常很小，即使微小扰动对测试结果都有很大影响，而且缺乏对气流方向的预测，即使排除人为因素也很难测出流场真实速度，不利于测试室流场改进。进行数值模拟将有利于工程检测﹑改进，节省人力、财力和时间。计算机数值模拟有助于工程设计的改进。研究如何形成合理的流场，满足测试室负荷要求，避免回流短路现象，以达到良好的送风效果，这具有十分重要的理论意义和实际价值。

1 模型简化与计算

为了简化实际问题，便于分析，在建立数学模型前对室内气体的流动先做以下假设:室内气体满足牛顿内摩擦定律，为牛顿流体；室内流体温度变化不大，密度可视为常数；室内气体的流动形式为稳态紊流；在紊流中心区，忽略能量方程中由于粘性作用而引起的能量耗散；室内空气在房间内壁面上满足无滑移边界条件。本文计算所选择的求解器是Fluent5/6。对于在用Fluent软件计算时所采用的有关数值计算方法，说明如下：压力项、能量项、紊流动能和紊流耗散率项的离散都采用二阶迎风格式。二阶迎风格式也就是一阶导数的具有二级截差的差分格式，它可以克服迎风差分截差比较低的缺点而又能保持它的长处。压力与速度的藕合关系的处理方法选用SIMPLE算法。

采用标准k-ε二两方程模型来求解湍流问题时，控制方程包括质量和方程及k-ε方程。根据以上假设可建立其数学模型，整场的流动应满足质量和动量方程

(1) 质量方程

（1）

(2) 动量守恒方程

（2）

湍流模型

标准两方程模型^[8]（Jones & Launder,1972）

湍流动能k的方程，其一般形式为

（3）

这里，为生成项，为耗散项

湍流耗散率ε的方程，一般采用的形式为

（4）

这里为生成项，为耗散项

2 边界条件

本文中的算例包括以下边界条件：

给出入口速度边界，具体值由风机风量及送风管道尺寸计算给定

给出出口压力边界，具体值由测试给定

在固体边界上对速度取无滑移边界条件，即在固定边界上流体的速度等于固体表面的速度.

3 数值计算结果及分析

3.1 水平面X方向原始模型数值模拟及优化改进数值模拟结果如下图1～6所示

在图7～8中，可以清楚看到原始数值模拟和优化改进数值模拟在各个水平面上速度的分布及变化情况。改进模型孔板送风速度分布更加均匀，送风初始平面上速度分布在0.1～0.13m/s之间，与原始模型相比有非常明显的改善。这主要是因为流线形的隔板能更好的改变静压室内的压力分布，从而更好的改变孔板的送风速度分布，这可以从压力场分布图中得到进一步证明，模拟结果和我们的理论预测有很好的吻合。

3.2 垂直面Z方向原始模型数值模拟及优化改进数值模拟结果如下图9～10所示

在图9～10中，可以清楚看到原始数值模拟和优化改进数值模拟在垂直面上的速度分布情况。在这两张图中速度分布对比十分鲜明，流线形隔板模型速度分布更均匀，死角比较少，除工况机附近及一些死角外，流线形隔板模型在这个平面上的速度均在0.1m/s以上且分布均匀，而原始模型顶部正中部分明显有一个死区。

4 计算结果

本文在原始模型数值模拟的基础上，针对原始模型孔板送风速度不均匀的缺陷重新设计一种相对简单实用的流线型模型，通过数值模拟及优化改进得出结论如下：本物理模型的独特之处在于把入口和出口边界放在了非研究区域的送风管道中，而且首次用整个流场回路作为数值模拟计算的对象，这样就把入口和出口简化假设对研究区域的影响降到最小，或者说把简化假设带来的误差引入到非研究区域。通过扩大模拟范围，来达到净化研究区域的目的.从原始模拟结果来看，孔板送风气流分布不均匀，特别是接近孔板的区域，还存在一定的回流，中间区域流速低，接近于零，两侧流速高，送风口相对一侧墙壁区域附近气流速度最高，中间部分形成两个明显的低速涡流区域。由于工况机附近负压的影响，造成墙壁一侧和地面上方气流速度偏大，测试室中心区域流速偏低。进一步分析可知，气流初态决定于静压室内压强分布，气流终态决定于工况机附近负压分布，其它区域为两者相互作用相互影响的过渡区域。改变气流分布只能从静压室结构和工况机的位置来考虑。根据原始模拟静压室压力分布不均造成孔板送风不均，作者设计流线型改进模型，经计算主流区域速度分布较原始模型有明显改善。

参考文献

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2. 张祎恬，余晓明，陈月林等.空调风冷系统的流场仿真分析与探讨.流体机械，2003，8:15-19.

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4. 姚征，陈康民.CFD通用软件综述.上海理工大学学报,2002,2:22-25

      
图1 距板孔400mm平面流场（原始）      图2 距板孔800mm平面流场（原始）

      
图3 距地面1500mm平面流场（原始）      图4 距板孔200mm平面流场（改进）

      
图5 距板孔600mm平面流场（改进）      图6 距地面1500mm平面流场（改进）

      
图7 距门1500mm垂直流场      图8 距门1500mm垂直流场（改进方案）