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CFD技术在篮球馆气流组织设计中的应用

发表时间：2021/6/16 来源：《建筑科技》2021年5月下作者：胡畏

[导读] 采用CFD技术对某高校篮球馆整个空间的热环境进行数值模拟分析，分析馆内流场及温度场的分布规律，研究结果表明该气流组织方式适用于高大空间的馆场建筑，对类似的体育场馆空调设计具有一定的指导意义。

广东省广州华南理工大学建筑设计研究院有限公司，胡畏 510000

摘要：采用CFD技术对某高校篮球馆整个空间的热环境进行数值模拟分析，分析馆内流场及温度场的分布规律，研究结果表明该气流组织方式适用于高大空间的馆场建筑，对类似的体育场馆空调设计具有一定的指导意义。
关键词：高大空间;CFD;气流组织
        0.引言
        高度大于5m、体积大于1万m3的建筑被称为大空间建筑。在进行空调设计时，高大空间独特室内热环境由其建筑特征所决定：（1）大空间外壁占比大，即外墙面积与地板面积之比大，室内环境易受到室外环境影响;（2）空间高度大，由于浮力原因，易产生竖直温度梯度（3）使用区域在整个空间占比小，因此环境控制区域一般被限定，且不同的区域因功能要求不同，对空调有不同的要求。正因为这些特点，合理的气流组织设计对高大空间空调设计尤为重要[1-3]。
        篮球馆作为空间高大的公共建筑，如何准确地预测室内的空气分布情况、设置合理的气流组织形式是暖通空调设计师关注的技术难点。目前有多种预测室内空气分布的方法，从预测成本、周期、可模拟的条件以及准确性、实施的方便性等综合比较可以得出:比较理想的室内空气分布预测方法是CFD方法[4-6]。
        1.工程概况
        该工程篮球馆位于广东省内，总建筑面积40459m2,〔其中地上36200.9m2，地下4258.4m2)地下1层地上5层，建筑高度23.1m；场馆内左右后三侧为观众区，可同时容纳4000人左右，中间为比赛区，左右两侧为非对称设计；相关模型信息详见图1。
        2.数值模拟
        2.1几何模型
        篮球馆长62.8米，宽66.4米，高20.5米；篮球馆内两侧设喷口送风；左侧设喷口11个，右侧设两排喷口，前排5个，后排9个；后侧旋流口送风，设两排，每排9个；送风口直径为320mm，送风速度11m/s；左右侧回风口均6个，尺寸为1200mm*1000mm，其中5个回风量为6540m3/h，1个回风量为3270m3/h；后侧回风口1个，尺寸为2500mm*1500mm，回风量为24000m3/h；左侧排风口8个，其中7个1000mm*500mm，单个排风量为1718m3/h，1个2000mm*500mm，排风量为6000m3/h；右侧楼梯中部设4个排风口，尺寸为2100mm*500mm，单个排风量为4500m3/h。
        2.2物理模型及数值方法
        2.2.1物理模型

        图1.物理模型
        2.2.2控制方程及湍流模型
        （1）控制方程
        质量守恒方程:微元体中流体质量的增加=流入该微元体的净质量
        动量守恒方程:微元体中流体动量的增加=作用在微元体上各种力之和
        能量守恒方程:微元体中热力学能的增加=进入微元体的净热流量+体积力与表面力对微元体做的功
        （2）湍流模型
        该空间气流组织属于低Re不可压非等温流动，RNGK-ε湍流模型具有很好的适用性，因此湍流模型采用RNGK-ε两方程模型。两方程模型:湍流动能输运方程及湍流动能耗散率输运方程。
        2.2.3数值边界条件
        1)室内空气低速流动，可视为不可压缩流体，空气密度符合boussinesq假设，同时考虑空气重力及由于温差产生的浮升力。
        2)送风温度为15℃，左侧喷口角度水平向下17°右侧前排喷口角度水平向下25°，右侧后排喷口角度水平向下20°。
        3)送风口采用11m2/s速度入口，回风及排风口总风量均为131966m3/h。
        4)座位区热边界按200w/m2赋值；运动员模型表面热边界按400w/m2赋值。
        5)室外计算干球温度34.6℃，室内设计温度26℃。
        6)屋顶传热系数为0.27W/m2k，外墙传热系数为1.05W/m2k，地面热边界按照1.89w/m2。
        3.数值模拟结果
        3.1流场分布
        篮球馆内的随速度变化的流线图如下图2所示，由图可知，低温流体经喷口射流流入馆内，与馆内空气进行热交换后，一部分回流至两侧喷口下侧回风口，一部分直接排出，以形成闭合环路。整个空间大部分空气流速处于0.5m/s左右，只有小部分空气流速处于0.2m/s以下；冷量能够较好地到达三个观众区及场馆中间，其中右侧观众台座位冷量分布相对较好，左侧冷量部分直接送入至场馆中部位置，作用于观众的冷量相对偏少；后侧观众台冷量获取很好，但由于直吹，到达观众区速度可到1m/s，流速偏大，会有一定的吹风感。
        3.2温度场分布
        图2为Z=-20m温度截面云图，由截面温度分布可知，场馆内大部分温度处于300k至301k之间，2m以下空间大部分温度处于300k左右。

         4.结论
        （1）场馆内部大部分空间空气流速处于0.5m/s左右，整个空间流场紊流程度较高，新风能够在室内获得较长的时间停留，通风效果较好；左侧观众区速度偏小，后侧观众区速度偏大，会有一定的吹风感。
        （2）全空间温度大部分处于为300K左右，2m以下空间大部分温度处于300k左右，基本满足目标设计要求。
参考文献：
[1]范存养.大空间建筑空调设计及工程实录[M].北京:中国建筑工业出版社，2001:22-23
[2]赵彬等.室内空气分布预测方法及比较[J].暖通空调，2001,31(4):82-86
[3]陶文铨.数值传热学[M].2版西安:西安交通大学版社，2001
[4]王福军.计算流体动力学分析一CFD软件原理与应用[M]北京:清华大学出版社，2004
[5]北京市建筑设计研究院体育建筑设计规范:JGJ31-2003[S]北京:中国建筑工业版社
[6]吴志彪.高大空间公共建筑的气流组织方式、设计要点及对策[J].工程建设与设计.2005