Ｎｏ．３．２Ｏ１０．Ｓｅｔ）． Ｖ０１．２９（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１１２） 文章编号：ＩＳＳＮ１００５—９１８０（２０１０）０３一Ｏ０６２—０６ 某体育馆比赛大厅气流组织数值模拟研究
王高升， （沈阳建筑大学， 林豹 沈阳１１０１６８） ［摘要］本文采用ＣＦＤ模拟软件就某市体育馆气流组织进行数值模拟研究，分析了不同送风方式时，室 内空气的温度和速度变化规律，比较了两种送风方式气流流场的不同之处及相对优劣，模拟结果表明一定 条件下侧送风方式空调效果较优。 ［关键词］数值模拟；气流组织；ＣＦＤ ［中图分类号］ＴＵ８３１；ＴＵ８３４；ＴＱ０１８ ［文献标识码］Ｂ ＣＴＤ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓａｒｃｈ ｏｎ Ａｉｒｆｌｏｗ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｙｎｍａｓｉｕｍ Ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｈａｌｌ ＷＡＮＧ Ｇａｏｓｈｅｎｇ，ＬＩＮ ｂａｏ （Ｓｈｅｎｙａｎｇｊｉａｎｚｈｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０１６８） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｉｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｙｎｍａｓｉｕｍ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ ｈａｌｌ，ａｎａｌｙｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ａｉｒ ｓｕｐｐｌｙ ｍｏｄｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｈｅ ｔｗｏ ａｉｒ ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎｓ，ｔｈｅ ｓｉｍｕ— ｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ａｉｒ ｂｅｔｔｅｒ ｕｎｄｅｒ ｃｅｒｔａｉｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ａｉｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ＣＦＤ ０引言 一幢现代化的体育建筑，除了完善齐全的体育 设施外，必需有良好的空调，特别是比赛大厅的空 调是体育建筑空调设计的重点。而室内气流组织又 是体育建筑比赛大厅空调设计成败的关键之一，也 是体育建筑空调设计方案研究和讨论最多的问题。 因为它不仅直接影响到建筑物内能否达到预期的空 调效果，而且还涉及到空调设计方案的经济性。对 于诸如体育馆类高大空间，比赛大厅的温度、湿 度、风速等参数是至关重要的，合理的室内参数不 仅使运动员和观众感到舒服，更重要的是使各类比 赛能顺利进行。例如乒乓球和羽毛球比赛时，风速 不宜过大，国际羽联规定羽毛球比赛场地上方 ９．０ｍ以内风速不能超过０．２ｍ／ｓ，而当进行篮球、 排球比赛时，比赛场地风速不超过０．５ｍ／ｓ。因此， 体育馆比赛大厅内的空调温度、湿度、风速参数， 尤其是风速的大小对体育馆空调设计是比较重要 的，空调设计中预测气流组织效果就显得很必要 了。目前预测空调气流分布的方法主要有：射流公 式法、区域模型法、ＣＦＤ和模型实验。鉴于ＣＦＤ方 法自身的优点，本文将采用ＣＦＤ模拟软件对某市 一体育馆的气流组织形式进行模拟比较。 １模型介绍 模型坐标如图１所示，坐标原点设在比赛大厅 中心位置。比赛大厅为一椭圆形，长轴直径８４ｍ， 短轴直径７８ｍ，建筑高度２９．７ｍ，模型尺寸基本上 按照实际建筑结构尺寸选取，在不影响计算结果的 前提下，本文对物理模型进行了适当的简化，固定 观众席单排高度平均为０．４５ｍ，宽度０．８ｍ。相对于 比赛大厅空间大尺寸，座位席尺寸对气流组织影响 ＊收稿日期：２０１０—８—５ 作者简介：王高升（１９８４一），男，硕士研究生，研究方向：体育馆空调气流组织方案的数值模拟优化研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇ－ ｇａｏｓｈｅｎｇ１９８５＠１６３．ＣＯｎｌ
２ ０ １ ０年９月 第２９卷第３期（总１１２期） 制 冷 较小，故可以把座席区域处理为８个矩形平面、２ 个椭圆形平面和４个环形平面。由于屋顶不规则， 模型屋顶取为网架高度。另外，由于比赛大厅建筑 结构对称，故选取其一半进行模拟计算。为方便观 测不同形式的气流组织形式的空调效果，本文建立 了三个观测面：比赛场地上方１．７ｍ处、９．０ｍ处， ＸＹ平面尺寸１２．０ｍ×２２．０ｍ，观众席上方０．７ｍ处 一平面 ２方案数值模拟 ２．１边界条件 该体育馆是一个多功能比赛场馆，能进行诸如 篮球、排球等大球类比赛和乒乓球、羽毛球等小球 类比赛；室内设计参数夏季２６％一２８￣Ｃ，相对湿度 ５５％～６５％，风速要求大球比赛时风速不超过 ０．５ｍ／ｓ，小球比赛时风速不超过０．２ｍ／ｓ。座席上方 四周外墙设为定温，温度为３０１Ｋ；内墙不考虑得 热，设为绝热墙壁；考虑人员散热及灯光辐射得 热，设比赛场地为定热流量壁面，３０Ｗ／ｍ２；观众 座位席及屋顶均设为定热流量壁面，分别为１７０Ｗ／ ｍ２、５．１６Ｗ／ｍｚ；本文以沈阳当地气象资料为基准， 计算出总冷负荷，确定总送风量为１７８０００ｍ３／ｈ。送 风口设为速度进口，设定速度和温度，速度为 ４．８５ｍ／ｓ，温度为２９０Ｋ；回风口设为自由出流；三 个观测面设为内部联接界面；对称中心面设为ｓｙｍ． ｍｅｔｒｙ对称面；流体域边界条件设为流体。
图１比赛大厅模型 ２．２模型假设 为了简化问题，作如下假设： （１）比赛大厅里的空气流速远远低于风速（什 么风速），流场中压力和温度与自由湍流相比，数 值变化很小，所以相应的密度变化就可以忽略了， 可以认为空气是不可压缩的，其密度不变，故本文 将室内气流设为不可压缩理想气体。（２）空气流动 为稳态流动。（３）室内空气为辐射透明介质。 ２．３控制方程及计算方法 根据以上假设其控制方程为： ＋ｄｉ （ｐｕＣｋ）：ｄｉ （Ｆｇｒｎ ）＋ｓ 本文的模拟软件为ＦＬＵＥＮＴ软件，该软件可以 很精确地模拟所研究对象的空气流动、传热、污染 物扩散等物理现象。在工程应用的模拟中，可能用 到的模型主要标准ｋ—ｅ模型、低雷诺数ｋ一￡模 型、整合后的ｋ—ｅ模型（ＲｉＮＧ）、零方程模型等。 本文选择标准ｋ—ｅ两方程模型，利用有限体积法 来解决三维稳态不可压缩粘性流体的湍流流动。采 用ＳＩＭＰＬＥ算法联立求解各离散方程，动量、紊流 脉动动能和紊流脉动动能耗散率均采用一阶迎风格 式进行离散。 ３计算结果及讨论 ３．１
侧送下回方式气流分布模拟与分析 Ｎｏ．３．２０ｌＯ．ＳｅＰ． Ｖｏ１．２９（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１１２） （１）风口布置： 喷口安装高度为１８ｍ，直径为０．５ｍ，送风口 风速为４．８５ｍ／ｓ，送风下倾角为０度，风口之间距 离２ｍ左右。回风口布置在比赛场四周，风口距地
４０ ３０
２０ １０ 高度１．０ｍ，Ｙ方向平均布置４个，Ｘ方向平均布置 ２个，均为对称布置，场地四角各布置一个。 （２）温度分布：
１ Ｄ Ｄ １０ ２口 ３０ Ｙ 图２观众席｝ 方０．７ｍ处温度分布
２０ —１０ Ｄ １ ０ ２０ Ｙ 图３比赛场地上方１．７ｍ处温度分布 由图２和图３可以看出，观众席上方温度为２６ ～２８￣０，后排两侧稍高于前排；比赛场地上方 ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ３０２ ３０１ ３０１ ３０１ ３０１ ３０１ ３００ ３００ ３００
１．７ｍ处温度分布基本处在２７￣Ｃ，满足设计要求。 （３）速度分布：
２Ｏ １０ ０ １ ０ ２０ ３０ Ｙ 图４观众席上方０．７ｍ处速度分布 ａｇｎｉｔｕｄｅ ５ ５ ４ ４ ３ ３ ２ ２ １ Ｄ Ｄ ９ ∞∞ 即∞∞∞｝弓∞∞｝；３
■２ ０ １ ０年９月 第２９卷第３期（总１１２期） 制 冷
１ ０
０ ．２０ —１０ ０ １ Ｄ ２０ Ｙ 图５比赛场地上方１．７ｍ处气流速度分布 。
Ｙ 图６比赛场地上方９．０ｍ处气流速度分布 由图４、５、６可以看出观众席上方０．７ｍ处气 流速度基本在０．３ｍ／ｓ以下，满足《采暖通风与空 气调节设计规范》（ＧＢ５００１９—２００３）舒适性空调夏 季设计风速要求。比赛场地上方１．７ｍ处气流速度 小于０．２ｍ／ｓ，靠近回风口区域的速度为０．３ｍ／ｓ～ ０．５ｍ／ｓ，比赛场地上方９．０ｍ处风速远小于０．２ｍ／ Ｓ，满足乒乓球、羽毛球比赛要求。 ３．２上送下回方式气流分布模拟与分析 （１）风口布置：
４０
３０ 送风方式为上送风比赛场地四周回风，其他风 口尺寸参数均与侧送风相同。风口安装高度为屋顶 下网架高度，比赛场地上方风口间距９．０ｍ×１６ｍ， 观众席上空风口问距分别为８．０ｍ×９．０ｍ，８．０ Ｘ ７．０ｍ。 （２）温度分布： 由图７、８可以看出，上送风方式的温度分布 比较平均，基本在２８℃；比赛场地上方１．７ｍ处温 度分布基本处在２７℃，满足设计要求。
Ｙ 图７观众席上方０．７ｍ处温度分布
３Ｏ Ｎｏ．３．２Ｏｌ０，ＳｅＰ． Ｖ０１．２９（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１１２）
２０ １０ Ｏ 一２０ —１Ｏ Ｏ １ ０ ２０ Ｙ 图８比赛场地上方１．７ｍ处温度分布 （３）速度分布： 从图９、１０、１１可以看出，比赛场地上方 １．７ｍ处速度为０．１ｍ／ｓ，低于０．２ｍ／ｓ；比赛场地上 方９．０ｍ处速度远小于０．２ｍ／ｓ，满足小球比赛要 ｔｅｒｎｐｅｒａｔｕｒｅ ３０１ ５ ３Ｄ１ ３ ３０１ ２ ３０１ １ ３０１ ３００ ９ ３００ ８ ３００ ７ ３００ ６
求。观众席上方速度小于０．３ｍ／ｓ，满足《采暖通 风与空气调节设计规范》（ＧＢ５００１９—２００３）舒适性 空调夏季设计风速要求。
４０ ３０ Ｙ 图９比赛场地上方９．０ｍ处气流速度分布
Ｙ 图ｌ０观众席ｔ 方０．７ｍ处气流速度分布 ｌ ｍ ａｇｎｉｔｕｄｅ ０ Ｄ３ ０ ０２８ ０ ０２６ ０ Ｄ２４ ０ ０２２ ０ ０２ 口口１８ ０ ０１６ 口０１４
ｃｉｔｙ－ｍ ａｇｎｉｔｕｄｅ ０ １６ ０ １４ Ｄ １２ ０ １ Ｏ口８ ０ ０６ ０ ０４ Ｏ ０２ 圜日 雷
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２０
１０
０ —２０ —１ ０ ０ １ ０ ２０ Ｙ 图１１ 比赛场地上方１．７ｍ处气流速度分布 ３．３两种送风方式气流分布模拟结果的分析比较 从温度分布云图可知：两种送风方式基本都能 满足设计要求，上送风方式的工作区温度分布比较 平均，温差小，但相对于侧送风方式工作区温度偏 高；侧送风工作区的温度变化相对较大。两种送风 方式工作区风速都满足要求，侧送风工作区风速变 化要比上送风工作区风速变化剧烈，温度分布的变 化趋势恰好与速度变化趋势一致。两种送风方式都 满足设计要求，但从空调效果来看，侧送风方式较 佳。 ４结语 （１）本文用数值模拟计算的方法获得了比较直 观的气流流场分布图及数据，结果表明本文选用标 准ｋ一两方程模型及ＳＩＭＰＬＥ算法在体育馆类高大 空间数值模拟中具有合理性，为体育馆类大空间复 杂气流组织的研究提供研究参考； （２）模拟比较了侧送风和上送风两种气流组织 下体育馆比赛大厅夏季的气流流场分布，上送风比 较容易获得理想的速度场分布，但是温度场没有侧 送风好； （３）两种送风方式都满足设计要求，但从空调 效果来看侧送风方式较佳，在设计温度要求相同的 情况下，侧送风的温度较低，因此可以适当提高送 风温度并且同时满足设计要求，那么侧送风方式的 能耗就相对较低，比较经济，故在设计方案都满足 要求时，采用侧送风方式为好。 ５参考文献 ［１］贺绮华，邹月琴．体育建筑空调设计［Ｍ］．北京： 中国建筑工业出版社，１９９１ ［２］ 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，２００４，９ ［３］赵彬，李先庭，马晓钧，彦启森．体育馆类高大空间 的气流组织设计难点及对策［Ｊ］．制冷与空调，
２００２，（２）：２—６