1 概论
计算流体动力学简称CFD，是随着计算机技术而出现的一门新学科。它运用流体动力学的基本原理，通过建立数学物理模型，根据提供的合理的边界条件和参数，可以对空调区域内气流的速度场、温度场、压力场等进行模拟计算。而室内空气的速度场、温度场又是研究空调房间室内气流组织设计及空调房间室内舒适环境评价的基础。目前国内，研究人员对室内气流研究主要集中在夏季对房间内空调制冷进行数值模拟，而本文中则以重庆某高校教工宿舍冬季空调房间为模型，对空调制热房间室内气流进行数值模拟。本文采用
三维紊流模型，采用N-S方程，将送风气流与房间形状及障碍物作为一体来考虑，用整体求解法计算了空调房间室内空气流动与传热问题，对空调房间室内气流组织，主要是速度场分布进行了数值模拟。
目前，室内气流分布的研究主要采用三种方法：(1)利用射流原理进行分析和预测；(2)利用相似性原理进行模型试验；(3)利用计算机求解室内气流控制方程组的数值预测方法。第一种方法由于其局限性目前较少采用。第二种方法不仅耗费较多的人力、物力和财力．而且在许多情况下，在测量技术的实现上有一定的因难，如测量低速气流的方向和湍流强度。由于计算机和计算技术的发展，数值预测方法得到了迅速的发展。
本文以重庆某高校教工宿舍在冬季工况下的室内气流为研究对象，在考虑宿舍(根据所处于的地理位置)外界气温以及围护结构及其热工性能、空调系统的制冷、室内人员的散热量等条件的基础上，对室内的气流进行了数值模拟。
2 模型结构
根据此教工宿舍的实际情况，建立长5.2m，宽3.2m，高3.2m的宿舍模型，宿舍的平面结构如图1所示、宿舍内有书桌（长1.2m，宽0.5m，高1m），床（长2m，宽0.9m，高0.5m）等障碍物及人员(只考虑人员散热量对空调冷负荷的影响)。
图 1 宿舍平面结构图
3 紊流区内数学模型
目前，计算流体力学界有两种紊流模拟方法：一是直接模拟法(DNS)，二是湍流平均化的方法。由于紊流的重要细节其尺度是0.1μm的数量级，因此，进行数值求解势必需要极细的网格间距，这是目前的电脑内存容量和CPU速度所无法负担的。对于工程问题，我们不需要关心湍流的精细结构及其瞬时变化，而只要关心湍流随机变量的有关平均值，因此工程中广泛采用的是湍流平均化及一系列湍流模型。在暖通空调领域，目前广泛应用的是
模型。
描述模型房间的紊流偏微分方程组如下
（1）连续性方程：
式(1)
（2）动量方程：
式(2)
（3）能量方程：
式(3)
（4）组分方程：
式(4)
上述紊流模型与层流方程相比出现了三项瞬变值
与
，即雷诺应力项、雷诺物质流、雷诺热流。这些项都是未知项，对这些项采取不同的模化方法就构成了各种不同的模型。
所谓模化，就是要把上述三项瞬变值用时均值来表示，按照Boussinesq的理论，模仿层流的表示方法，将上述三项瞬变值应力项表示为时均值梯度的函数：
式(5)
与分子输运过程类比，可知湍流涡团脉动动能k和湍流的长度尺度
，对湍流输运过程有重要影响。用代数式或经验公式，把
和
与已知量联系起来的方法，可以确定
。根据所需要求解的微分方程组的个数，湍流粘性系数模型分为零方程模型、单方程模型和双方程模型。
模化后的
方程为：
式(6)
模化后的
方程为：
式(7)
均流控制方程组与模化了的和
方程，加上湍流输运通量的模化方程(5)的定义式构成了一组封闭的方程组。
在本文研究对象的紊流区模拟中，采用隐式差分方法对各网格进得迭代求解，从而得到紊流区的速度场。
4 边界条件
宿舍内流场以固体墙壁、窗户及门为边界条件。此宿舍原型为一幢宿舍楼内五楼中部的一间，门向走廊，设为关闭，宿舍窗户也为关闭，对气流不产生阻碍，但门及窗口处都有部分漏风；由于重庆冬季较为阴冷，故设墙壁为6℃，内墙壁对流体无渗透、摩擦；书桌对气流不渗透，也无热量的传递，其表面对室内气流产生阻碍作用。室内设定有两名人员，每个人的散热量均为80W(假定宿舍内气流计算温度为10℃时)。
在本次模拟中考虑二种边界层：一是送风口边界层，二是墙体边界层。
4.1 送风口模型
空调房间一般都是通过送风口的空气射流来实现送风和室内空气混合，以达到空调和通风口目的。实际的送风口几何形状很复杂，种类也很多，如果要详细知道这些风口送风参数的细节，必须划分到mm数量级的网格，这必然导致计算区域网格节点数目巨大，运算缓慢，无法为工程应用所接受。因此，采用模型简化的处理方法，将风口速度取为平均速度，用1.2m
0.6m的进口代表长方形送风口，距地面高度为2.3m，速度方向以45°斜向下。
根据空气调节的准则，计算送风的温度。并根据室内人员个数和室内的通风面积计算送风量。根据计算确定送风温度为25℃，送风口的气流速度为0.5m/s (送风量满足所计算的最小送风量的要求)。
4.2 墙体边界层
一般来讲，对墙体边界层的处理有两种方法，第一种是将紊流核心区的模型应用于边界层，第二种是建立墙体边界层模型，与核心区分开处理。第一种方法有两个适用条件，一是紊流核心区模型必须适用于描述边界层．二是要给边界层划分更为细致的网格，以保证模拟的精度。这势必增加节点数目，导致内存耗量增大，CPU工作量增加。所以在这里采用的是第二种方法。
按照Launder和Spalding的理论，将边界层划分为粘性底层和对数律层，描述边界层的数学模型如下：
式中
E—经验数值，取9.81；
5 网格划分
对所建立的数学模型进行网格划分。对气流速度梯度大的计算区域进行了网格的细化。在计算中，先采用较疏的网格，再不断进行细化。当计算流场划分为66 x 57x 20个网格时（如图2所示），与它前面使用的网格的计算结果相比。二者之间的差异己达到了可以忽略的程度，因此对于宿舍模拟计算的整个流场内最终网格数为75240。
图2 宿舍模型表面网格划分图
6 数值模拟结果
利用前面的数学及物理模型，对此宿舍进行模拟计算。通过计算得到宿舍内的气流速度矢量等参数和流场组织形式。宿舍内的气流流场组织形式、速度矢量如下面几个图所示。 图3为距地面0.6米XY方向速度矢量图，此位置为学生睡觉休息时的身体距地面高度，图4为距地面2.4米处XY方向速度矢量图，此位置为空调安装高度；
图3 距地面0.6米XY方向速度矢量图 图4 距地面2.4米处XY方向速度矢量图
图5为A床上方XZ方向速度矢量剖面图，图6为B床上方XZ方向速度矢量剖面图；
图5 A床上方XZ方向速度矢量剖面图 图6 B床上方XZ方向速度矢量剖面图
图7为两书桌位置YZ方向流场剖面图，此位置为宿舍内学生活动集中区域。
图 7 两书桌位置YZ方向流场剖面图
7 结论与分析
如以上各图所示，整个宿舍内的气流速度在0.175m/s以下，小于0.3m/s，满足舒适性空调房间在冬季的气流速度要求。气流组织形式有助于对室内污染物的排放，因此，整个宿舍内的气流组织形式是合理的。宿舍内所采用的送风方式是合适的，得到的气流速度等参数满足通风和空气调节的相关标准，有利于室内舒适热环境的获得。从重庆地区目前的高校学生居住现状来说，可以满足大多数人的要求。
本数值计算模拟结果对其它类似结构的房间内气流研究具有借鉴意义，今后我将对这一问题进行更深入的研究，探讨类似房间的温度场、压力场及人体热舒适度等方面的问题。
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作者简介：郭春，男，1979年2月生，硕士研究生，地址：重庆后勤工程学院研究生队，邮编：400016，电话：(023) 68570773，E-mail:chunguoline@hotmail.com
