王 威 姜建中 王 戎 呂 芳

利用CFD模擬通風(fēng)小室壁面結(jié)露分布的規(guī)律

王 威 姜建中 王 戎 呂 芳

（軍事科學(xué)院國防工程研究院 北京 100850）

提出了一種在含有濕熱源的情況下，通風(fēng)對室內(nèi)溫濕度分布和壁面結(jié)露分布影響的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。利用CFD對該模型進行數(shù)值計算，分析了通風(fēng)強度對空間及墻體壁面濕度和溫度分布的影響；模擬了不同通風(fēng)方式下，室內(nèi)壁面結(jié)露面積的動態(tài)發(fā)展過程。模擬結(jié)果表明，通風(fēng)方式對室內(nèi)空間及壁面的溫度、濕度分布和結(jié)露形成的影響顯著。

CFD模擬；通風(fēng)；壁面結(jié)露；溫濕度分布

0 研究背景

濕度是評價室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要參數(shù)，不僅影響人體的熱舒適性，而且嚴重制約建筑物的功能發(fā)揮[1,2]。就人居環(huán)境的舒適性而言，高濕度環(huán)境會促使霉菌繁殖、病原體滋生，繼而誘發(fā)人體出現(xiàn)哮喘和過敏等癥狀，嚴重威脅居住者的健康；低濕度環(huán)境則引發(fā)人體皮膚干燥、眼睛干澀和呼吸道不適，甚至導(dǎo)致靜電的產(chǎn)生，造成安全隱患[3,4]。對一些特殊的建筑而言，例如手術(shù)室、重病房、游泳館和植物大棚等，溫度和濕度標準的控制至關(guān)重要。此外，墻體、地面及屋頂結(jié)露也是建筑所面臨的一個嚴重的問題，當墻體附近空氣的含濕量超出墻體溫度相應(yīng)的飽和含濕量時，引起墻體壁面結(jié)露，繼而導(dǎo)致墻體表面剝落、發(fā)霉、造成圍護結(jié)構(gòu)腐蝕，降低建筑物壽命[5]。因此，研究室內(nèi)溫濕度環(huán)境以及墻體結(jié)露分布規(guī)律具有現(xiàn)實意義。本文著重研究在室內(nèi)潮濕的環(huán)境中，通風(fēng)方式對溫濕度分布和墻壁結(jié)露的影響。

1 模型建立

1.1 幾何模型

模型空間圍護結(jié)構(gòu)為中空雙層鋼化玻璃幕墻，可忽略壁面的吸濕能力，方便實驗過程中觀測壁面結(jié)露的情況，地板和頂棚均設(shè)有保溫材料，頂棚開設(shè)風(fēng)口，與進風(fēng)口相接的風(fēng)管上裝有變頻軸流風(fēng)機，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率來模擬不同的通風(fēng)強度；模型置于恒溫為20℃的實驗室內(nèi)，可通過模型地板中央的蒸發(fā)式加濕器來調(diào)節(jié)和模擬加濕工況；中心截面處布置12個溫濕度探測元件對空間和壁面進行溫度和濕度分布的測定。

實驗工況見表1，實驗?zāi)Ｐ蜏y點及概要見圖1。

表1 實驗工況

圖1 模型概要與測點布置

表2 模型的邊界條件設(shè)定結(jié)果

1.2 模型假設(shè)

建立數(shù)學(xué)模型前，需對模型作五點簡化假設(shè)[6]。

（1）忽略重力場對空氣和水蒸氣的影響；

（2）空氣和水蒸氣均視為不可壓縮流體，密度為恒定值；

（3）水蒸氣從水面蒸發(fā)時，只進行潛熱交換，不考慮顯熱交換；

（4）水蒸氣在壁面凝結(jié)時，忽略相變過程的放熱量；

（5）壁面結(jié)露過程中，不考慮壁面的吸濕能力。

1.3 數(shù)學(xué)模型

采用FLUENT 14.0湍流模塊（Standard-）分析流場特性，組分輸運模塊（Species Transport）和多相流模塊（Multiphase）模擬水蒸氣在空氣中的傳質(zhì)相變過程。其控制方程如下[7]：

1.4 壁面結(jié)露的判據(jù)

壁面結(jié)露的條件：壁面周圍的空氣節(jié)點絕對濕度D大于壁面溫度對應(yīng)的飽和絕對濕度D時，即認為壁面開始結(jié)露；

壁面不結(jié)露的條件：任意時刻，壁面周圍的空氣節(jié)點絕對濕度D均小于壁面溫度對應(yīng)的飽和絕對濕度D時，認為壁面不結(jié)露[8]，即：

2 仿真與實驗結(jié)果

2.1 溫度和濕度分布的仿真結(jié)果

（a）室內(nèi)溫度分布

（b）室內(nèi)濕度分布

圖2 不同工況下室內(nèi)溫度和濕度分布曲線

Fig.2 Temperature and humidity distribution of space interior in different cases

圖2（a）所示，通風(fēng)強度的改變對空間溫度的分布規(guī)律影響顯著，風(fēng)速在2.5m/s的工況下，溫度隨高度的增加呈現(xiàn)出先平緩降低，后迅速上升的趨勢；風(fēng)速在3.5m/s的工況下，溫度變化相對緩和，整體呈現(xiàn)出小范圍波動的規(guī)律；風(fēng)速在4.5m/s的工況下，溫度分布與工況1成截然相反的規(guī)律，即溫度隨高度的增加先升高后降低。

圖2（b）所示，相比壁面濕度變化規(guī)律而言，通風(fēng)強度的變化則會改變空間內(nèi)部的濕度分布規(guī)律，即三種通風(fēng)工況下，距離地板到空間中央位置附近的區(qū)域范圍內(nèi)，濕度均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；距離中央位置附近到頂棚的區(qū)域范圍內(nèi)，濕度則開始呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，其表現(xiàn)為：風(fēng)速為2.5m/s時，濕度隨高度的增加而增大；風(fēng)速為3.5m/s時，濕度變化趨于平穩(wěn)；風(fēng)速為4.5m/s時，濕度隨高度的增加而降低。

2.2 壁面結(jié)露的仿真結(jié)果與實驗對比

圖3所示為工況2時，試驗測量與模擬計算的壁面濕度動態(tài)變化比較，實驗時間與模擬時間均為20分鐘。圖示，實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的變化規(guī)律是基本一致的，隨著時間的推移，壁面、頂棚（測點P1-6、P2-6）和地板（測點P1-1、P2-1）各測點的濕度逐漸趨于平穩(wěn)，當測點的濕度等于飽和絕對濕度值時，表明開始結(jié)露；當測點濕度超出飽和絕對濕度值，表明結(jié)露量增加。例如，測點P1-6、P2-6、P2-5、P2-4的濕度隨著時間的推移不斷增大，當其濕度值分別大于各自的絕對飽和濕度（圖中?表示）時，該點區(qū)域開始結(jié)露；當濕度值超過絕對飽和濕度持續(xù)增大時，則表明該點區(qū)域的結(jié)露量持續(xù)增加。測點P1-1、P2-1、P2-2、P2-3的濕度值雖然隨時間推移最后趨于平穩(wěn)，但小于各自點的絕對飽和濕度值，因此不發(fā)生結(jié)露。

2.3 兩種通風(fēng)方式模擬結(jié)果的對比分析

不改變送風(fēng)參數(shù)的條件下，利用Fluent軟件模擬兩種不同通風(fēng)方式下室內(nèi)壁面結(jié)露形成與發(fā)展的變化情形，分析研究氣流組織形式對于緩減、改善室內(nèi)結(jié)露情形的作用。

（a）10min

（b）15min

（c）20min

（d）25min

圖4 不同通風(fēng)方式下壁面結(jié)露的動態(tài)分布（工況2）

Fig.4 Dynamic variations of condensation distribution on walls in different way of ventilation

圖4所示為有內(nèi)濕熱源的空間，工況2時兩種不同通風(fēng)方式下壁面結(jié)露分布的動態(tài)變化模擬圖。對比圖中4個時刻的壁面結(jié)露面積可知，上送上回通風(fēng)方式對應(yīng)的結(jié)露面積大于上送下回的通風(fēng)方式；從壁面結(jié)露的分布區(qū)域分析，上送上回的送風(fēng)方式下，結(jié)露位置開始于四周壁面的交接部位和墻角處，隨著水蒸氣的不斷產(chǎn)生，結(jié)露面積沿各個壁面開始擴大，最終布有風(fēng)口的天花板結(jié)露面積最大，四周墻壁的結(jié)露面積由高到低依次減小，地板結(jié)露面積最??；上送下回的通風(fēng)方式下，結(jié)露位置開始于布有回風(fēng)口壁面與左右墻體的交線處，且墻腳地方結(jié)露情況嚴重，隨著水蒸氣的不斷產(chǎn)生，結(jié)露面積逐漸向兩側(cè)墻壁蔓延，回風(fēng)口四周和送風(fēng)口一側(cè)的天花板頂部開始出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，靠近回風(fēng)口的墻角結(jié)露加重，從整體結(jié)露分布來看，布有送風(fēng)口一側(cè)的墻面基本沒有發(fā)生結(jié)露，地板結(jié)露面積很小。從減小結(jié)露風(fēng)險的角度而言，對于有內(nèi)濕熱源的房間采用上送下回的通風(fēng)方式優(yōu)于上送上回的通風(fēng)方式。

（a）上送上回通風(fēng)方式

（b）上送下回通風(fēng)方式

圖5 各壁面結(jié)露面積所占比值

Fig.5 The percent of condensation area on each wall

表2 壁面坐標位置

（a）上送上回通風(fēng)方式

（b）上送下回通風(fēng)方式

圖6 通風(fēng)方式示意圖

Fig.6 The percent of condensation area on each wall

圖5（a）為上送上回通風(fēng)方式中，不同通風(fēng)強度時各個壁面及屋頂、地板結(jié)露面積百分比柱形圖。從圖中可知，在相同的通風(fēng)強度下，各壁面的結(jié)露情形并不完全相同，隨著通風(fēng)強度的逐漸增加，各壁面的結(jié)露面積都發(fā)生明顯降低的趨勢，例如通風(fēng)速度為2.5m/s、3.5m/s、4.5m/s時，地板的結(jié)露面積分別為60%、30%和5%，證實了通過改變通風(fēng)強度可以有效地降低壁面結(jié)露的風(fēng)險。圖5（b）為上送下回通風(fēng)方式中，不同通風(fēng)強度時各個壁面及屋頂、地板結(jié)露面積百分比柱形圖。從圖中可知，通風(fēng)強度對各個壁面結(jié)露面積的大小起決定性作用，同時各壁面的結(jié)露分布區(qū)域又有所不同，例如風(fēng)速為3.5m/s時，布有送風(fēng)口壁面的結(jié)露面積最大，而布有回風(fēng)口的壁面結(jié)露面積最小。隨著通風(fēng)強度的逐漸增加，各壁面的結(jié)露面積都明顯降低，例如通風(fēng)強度為2.5m/s、3.5m/s、4.5m/s時，送風(fēng)口一側(cè)壁面的結(jié)露面積分別為96%、65%和10%，甚至在回風(fēng)口一側(cè)壁面的結(jié)露現(xiàn)象消失，同樣驗證了改變通風(fēng)強度可以有效地降低壁面結(jié)露的風(fēng)險。

比較圖（a）和圖（b）可知，以通風(fēng)強度3.5m/s為例，上送上回通風(fēng)方式下，頂棚結(jié)露面積為90%，壁面1、4的結(jié)露面積約為70%，壁面2、3結(jié)露面積約為98%，地板結(jié)露面積為30%；上送下回通風(fēng)方式下，頂棚結(jié)露面積為30%，壁面1、2的結(jié)露面積為40%，壁面3結(jié)露面積約為3%，壁面4的結(jié)露面積為65%，地板結(jié)露面積為5%。由此可以看出，相同的通風(fēng)強度下，改變通風(fēng)方式（風(fēng)口的布置位置）可引起壁面結(jié)露面積發(fā)生變化，進而可以尋求最佳的通風(fēng)方式來降低室內(nèi)發(fā)生結(jié)露的風(fēng)險。

3 結(jié)論

本文建立數(shù)學(xué)模型，并利用FLUENT軟件進行數(shù)值模擬，研究了通風(fēng)方式對室內(nèi)溫濕度和壁面結(jié)露分布的影響，通過實驗?zāi)Ｐ偷尿炞C和數(shù)值模擬計算，得出以下結(jié)論：

（1）提出的數(shù)學(xué)模型經(jīng)FLUENT軟件計算室內(nèi)空氣溫濕度分布后，與實驗?zāi)Ｐ蜏y量的數(shù)據(jù)具有一致的變化趨勢，且精度較為理想，誤差在可接受范圍之內(nèi)；

（2）在通風(fēng)方式不變的條件下，改變通風(fēng)強度可以有效改善室內(nèi)除濕和結(jié)露問題，通風(fēng)強度增加，室內(nèi)整體濕度水平降低，壁面的結(jié)露面積會相應(yīng)減?。?/p>

（3）在通風(fēng)強度不變的條件下，改變通風(fēng)方式對于室內(nèi)壁面結(jié)露的情形影響顯著，對于濕氣較重的場所，通過優(yōu)化通風(fēng)方式可以有效降低壁面的結(jié)露風(fēng)險；

（4）從通風(fēng)角度而言，通風(fēng)強度決定壁面結(jié)露面積的大小，通風(fēng)方式則決定壁面結(jié)露的分布區(qū)域。

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Using the CFD simulation of the ventilation chamber wall condensation distribution rule

Wang Wei Jiang Jianzhong Wang Rong Lv Fang

( Research Institute for National Defense Engineering of Academy of Military Science PLA China, Beijing, 100850 )

Under the condition of containing damp and hot source, presents a three-dimensional unsteady mathematical model described with effects of ventilation on distribution of indoor temperature and humidity and surface condensation on walls. Using the CFD software to numerical calculation, this paper researches on effects of the intensity of ventilation on distribution of temperature and humidity in space and on the surface of walls, and simulates the dynamic development process of condensation area of surface on walls under different ways of ventilation. The simulation indicates that the way of ventilation has a big influence on distribution of temperature and humidity in space and on walls surface, as well as the development process of condensation.

CFD simulation; Ventilation; Surface condensation; Temperature and humidity distribution

TU834.2

A

1671-6612（2019）05-556-06

王 威（1988.12-），男，碩士研究生，工程師，E-mail：327354496@qq.com

2018-02-13