隨著人們生活水平的提高，消費者在裝修時越來越重視室內美觀。新型的鋼制散熱器外形美觀、產品多樣化和系列化，是不少裝修家庭的首選。由于建筑裝飾單位和購買散熱器的用戶并非專業(yè)人員，不具備計算散熱器數量的專業(yè)知識，因此對散熱器的數量及安裝位置沒有明確的概念。在傳統(tǒng)的設計觀念中，由于害怕房間供熱不足而盲目增加散熱器片數，使散熱器安裝面積過大，導致冬天室溫過高，既造成了能源浪費，又難于調節(jié)溫度，同時還會出現熱力失調的問題。CFD商用軟件能形象直觀地模擬出流體狀況，對于研究室內溫度舒適度有很高的價值。
    國外對散熱器的研究起步比較早，早在上世紀初，英、美、蘇等發(fā)達國家就有一批學者積極從事這一領域的研究并取得了一些成果。前蘇聯(lián)在散熱器片數取整方面的研究較早并作出了相應的規(guī)范[1-2]。國內從上世紀90年代開始對采暖工程設計計算進行研究，開發(fā)出了一批散熱器數量計算軟件，如王華章利用Excel表格進行采暖系統(tǒng)房間熱負荷和采暖管道的水力計算，并編制了一種散熱器數量計算程序，降低了計算工作的繁雜性[3]。但以往研究僅僅給出了散熱器的片數研究，在相同入口溫度的情況下，散熱器安裝位置和安裝方式對房間溫度的影響分析比較少，尚缺乏具體的計算，未給出具體的參考建議。本文利用Fluent數值模擬軟件對室內溫度和風速進行模擬計算，主要討論了散熱器在不同安裝位置下的溫度場和速度場分布，對傳統(tǒng)的研究方法進行了改進和提升。
1 Fluent軟件
1.1 Fluent軟件特點
    （1）Fluent軟件采用基于完全非結構化網格的有限體積法，而且具有基于網格節(jié)點和網格單元的梯度算法；
    （2）Fluent軟件包含豐富而先進的物理模型，使得用戶能夠精確地模擬無粘流、層流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型組、k-ε模型組、雷諾應力模型(RSM)組、大渦模擬模型(LES)組以及最新的分離渦模擬(DES)和V2F模型等。另外用戶還可以定制或添加自己的湍流模型；
    （3）Fluent軟件功能強，適用面廣。包括各種優(yōu)化物理模型，如計算流體流動和熱傳導模型（包括自然對流、定常和非定常流、層流、湍流、紊流、不可壓縮和可壓縮流等）、輻射模型、相變模型、離散相變模型、多相流模型及化學組分輸運和反應流模型等。對每一種物理問題的流動特點，有適合它的數值解法，用戶可對顯式或隱式差分格式進行選擇，可以在計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳。
1.2 Fluent求解問題步驟
    （1）確定幾何形狀，生成計算網格（用Gambit，也可讀入其他程序生成的網格）；
    （2）選擇求解器：2D或3D；
    （3）選擇求解的方程：層流或湍流；
    （4）確定邊界類型及其邊界條件；
    （5）求解方法的設置及其控制；
    （6）流場初始化并計算；
    （7）保存結果，進行后處理等。
2 Fluent軟件在室內溫度計算中的應用
2.1 典型房間物理模型
    對于普通的住宅建筑，戶型可能不盡相同，房間的結構、朝向、布局等也不盡相同，因此不可能有兩個完全相同的房間。如果將各種因素都考慮進去，問題會變得十分復雜。本文在考慮房間模型時建立了“典型房間”的概念，主要研究對象為具有公共走廊的普通建筑，該類建筑中標準層中間房間所占比例最大，因此把標準層中間房間作為典型房間建立模型，其他房間雖然外圍護結構有所差別，但是可以參照典型房間進行邊界條件的修正，完善房間模型。
    標準層中間房間的結構為規(guī)則的六面體，因此建立典型房間的模型如下：房間共六面，其中一面為外墻，其余五面為內墻，在房間內有一個散熱器。房間大小為4.2 m×4.2 m×2.8 m，散熱器大小為1 m×0.6 m。本文考慮在散熱器狀況相同條件下，三種工況的室內平均溫度以及舒適度，進而對用戶選擇散熱器的安裝數量和位置給出建議。三種工況分別為：（1）散熱器安裝在窗戶下方，（2）安裝在臨室內墻，（3）安裝在窗戶對墻。
2.2 GAMBIT網格模型
    依照以下步驟完成模型的構造工作：
    （1）利用Fluent軟件模擬之前，先使用GAMBIT繪制三維圖。在GAMBIT中按房間實際尺寸繪圖的步驟：先繪制房間、窗戶和散熱器，最后生成網格。計算中，嚴格按照1：1比例進行建模，采用的網格大小為1 mm。
    （2）確定求解器。選擇用于CFD計算的求解器為Fluent5/6。
    （3）由于室內換熱受多種因素干擾，因此對典型房間物理模型做如下簡化假設：均為無人、無家具的空房間；室內房門視與內墻相同，不單獨計算；房門始終關閉，不考慮冷風侵入；不考慮房間墻壁的熱交換，將房間墻壁設為恒溫；不考慮窗戶換熱的影響，換熱都是通過與恒溫墻進行；整個供暖系統(tǒng)可以看作房間里的一個熱源，利用熱傳導原理求出房間溫度分布；只考慮穩(wěn)態(tài)問題。
    （4）定義邊界類型。在本文的模擬計算中，給出第一類邊界條件，即壁面溫度，如表1所示。

    （5）輸出網格文件。選擇File/Export/Mesh，輸入文件的路徑和名稱。
2.3 求解模型
    （1）建立求解模型
    啟動Fluent，指定版本（Version）為三維單精度（3d），讀入GAMBIT生成的網格文件。
    （2）設置參數
    采用整體（integral）連續(xù)網格結構，采用k-ε湍流模型，計算時采用一階非穩(wěn)態(tài)分離計算，考慮重力影響，方程組求解用SIMPLE算法，設置表1所示邊界條件。
    （3）設置監(jiān)視器及迭代計算
    取不同的參數，開始迭代計算，計算收斂時分析其溫度及速度分布。
2.4 室內溫度分布
    圖1給出了三種工況下的室內溫度分布。在工況(1)條件下，室內距地面1.1 m處空氣溫度比較均勻，靠窗部分由于窗戶的滲透，溫度較低。距地面1.1 m（坐姿頭部）處平均溫度與距地面0.1 m（踝部）處溫度之差約為1.5 ℃，符合ISO7730熱舒適標準中規(guī)定的t1.1-t0.1≤3.0 ℃的熱舒適要求。

    工況(2)總體溫度分布比較均勻，但存在一些地方與周圍溫度有溫差，熱舒適感不如工況(1)。此外，室內平均溫度顯然低于工況(1)。
    工況(3)的室內溫度并不夠均勻，在房間居中的位置要冷于房間四周，而居中的位置是住戶活動較多的范圍，因此這樣的結果讓住戶感到不夠滿意。
2.5 室內風速分布
    圖2給出了三種工況下的室內風速分布?？梢钥闯龉r(1)條件下空氣流速比較均勻，只有在靠窗位置以及地面附近流速較大，住戶有吹風感，其余空間感覺較為舒適。

    工況(2)與工況(1)相比，空氣流速顯然要高于工況(1)，距離地面0.1 m位置存在很大的風速，因此舒適感較差。
    工況(3)與工況(2)相同，室內空氣流動方向明顯是由窗戶流向內部，并且風速較大，對住戶造成較為嚴重的不舒適感，讓住戶有吹風的感覺。
2.6 模擬實驗的評價
    由于實驗條件的限制，無法將散熱器分別按三種工況進行安裝，無法得到相應的測量值，對于初始溫度的變化情況也無法得到實驗值。
    應用商用軟件FLUENT進行數值室內溫度模擬計算，對于初始溫度和條件能準確設定，使散熱器位置變換容易。另一方面，模型的建立是遵循1：1的比例，不存在尺度效應的影響。此外，對于初始溫度的設置范圍也不受設備的影響。
    從模擬計算結果可見，采用FLUENT軟件進行室內溫度數值模擬是可行的，尤其是可以給出各個截面的溫度和速度分布圖，能夠從更多角度分析各種工況下的舒適度，從而也說明了該方法的實用性。該方法能夠有效地節(jié)省人力、物力、財力，能夠準確給出散熱器選型和安裝的具體建議，有利于節(jié)約能源，且整個實驗進行過程中不受物理條件和人為因素影響。
    本文分析了主流計算流體力學軟件——Fluent軟件的主要特點，并舉例說明了其在室內溫度計算領域中的應用。
    利用商業(yè)軟件進行計算是工程設計中的一項重要手段，可以節(jié)省出大量時間考慮問題的本質。從本文結果可以看出，無論從溫度場分布或者速度場分布，工況(1)的綜合舒適度要優(yōu)于工況(2)以及工況(3)，因此散熱器應選擇靠窗戶的墻面進行安裝。本文通過CFD技術的引入，完整地模擬了室內溫度和速度分布，為選擇散熱器參數的計算提供了一種新的方法和手段。
參考文獻
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