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一种求解湿空气温度和相对湿度的CFD算法 [2007-1-24]来源:正岛电器技术应用开发部

摘要:以往在用计算流体力学(CFD)方法计算空气温度时,仅考虑空气显热,导致计算温度与实际情况相差较
大。提出一种考虑潜热的计算房间温度和相对湿度的CFD方法,将两种计算结果进行了比较,发现前者的计算结果较后者约高0.5~1℃。

关键词  计算流体力学 湿空气 理论模型
     
Abstract  In view of the considerable error in using CFD method to calculate the air temperature due to the latent heat treated as negligible, puts forward a theoretical model taking latent heat into account, which is consisted of enthalpy and vapor concentration equations. By simulating a project with the model, compares the temperature distribution calculation results with and without latent heat in consideration, showing that without considering latent heat will result in a rise in temperature of 0.5~1℃.

Keywords  CFD, wet air, theoretical model

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  计算流体力学(CFD即Computational Fluid Dynamics)在暖通空调的应用始于70年代。早期的应用对象主要是工程设备中出现的热、质传递。随着空调技术的发展,CFD技术越来越多地成为暖通空调工程师用于分析房间速度场、温度场和污染物浓度场的工具[1~2]。由于现有的CFD 软件一般是由从事力学、化工和工程热物理的专家开发的,一般都不考虑相对湿度的问题。然而,暖通空调领域的空气参数一般都与潜热和相对湿度有关,如不考虑潜热和相对湿度,势必造成温度场计算的不准确,也不便于评价各点的舒适性和空气品质。
  笔者提出一种考虑空气中的潜热求解温度和空气相对湿度的方法,并给出计算实例。
  
1 湿空气温湿度的输运方程
  
  CFD技术可以通过求解普遍遵守的质量守恒、动量守恒、能量守恒方程,获得计算区域的各种参数。CFD技术有很多个分支,目前在暖通空调行业应用最多的是由斯波尔丁(Spalding)和帕坦卡(Patankar)提出的用于求解传热和流体流动计算的SIMPLE算法[3]。
  
2 工程应用举例
  
  某工程采用椅背诱导送风,椅子按阶梯布置,每级阶梯的宽度为900mm,阶梯间的高差为170mm。经空调箱处理后的空气从椅子下边送入。椅子靠背的下边部分有一300mm×20mm的风口,上边部分有一400mm×150mm的风口。椅子下边送入的空气与从下边风口诱导进来的空气混合后,从上边风口送到后排观众的周围。

3 结论
  
  CFD在暖通空调领域中的应用越来越广泛,由于常规的CFD方法只考虑空气的显热,而不考虑空气的相对湿度,因而CFD的应用受到一定的局限。
  笔者提出用焓的输运方程代替温度的输运方程,同时增加水蒸气质量浓度的输运方程,用CFD方法迭代求解速度场、压力、焓、水蒸气质量浓度,利用湿空气的物理性质得到空气的温度和相对湿度。采用这一方法,不仅得到计算区域的温度场,也可以知道各人位置的相对湿度,因而可以更准确计算各点的舒适性,公正评价通风空调的效果。应用这一方法,结合一具体工程,给出了只考虑显热时的温度场分布和同时考虑潜热时的温度场和相对湿度分布,结果表明,前者计算得到的温度比后者的高0.5~1℃ 。
  
参考文献
  
  1 Shuzp Murakami, Shinsuke Kato, Jie Zeng. Development of a computational thermal manikin. The 2nd International Symposium on HVAC, Beijing, 1995,29-38.
  2 李先庭,李吉生,江亿,室内空气交换率的数值计算及应用。见:全国暖通空调制冷1996年学术年会论文集,1996,241-244
  3 S.V.帕坦卡著,张政译,传热与流体流动的数值计算。北京:科学出版社,1984。
  4 薛殿华,空气调节,北京:清华大学出版社,1991。

  

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