1. 引言

隨著環(huán)境科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，人們越來越關(guān)注與自身健康相關(guān)的建筑內(nèi)外環(huán)境質(zhì)量問題。優(yōu)化劇院設(shè)計方案，選擇合適的氣流組織形式，從而營造良好的熱濕環(huán)境是劇院空調(diào)設(shè)計的主要目標(biāo)。目前在暖通工程領(lǐng)域中，對氣流組織設(shè)計采用的方法主要有射流公式、模型實驗、CFD(Computational Fluid Dynamics)方法（Chen，2004；馬超，2005）。實際工程的氣流組織形式變化多樣，而射流分析方法只能給出室內(nèi)的熱濕環(huán)境的一些整體指標(biāo)，無法滿足設(shè)計者詳細(xì)了解室內(nèi)空氣分布情況的要求；模型實驗雖然能夠得到設(shè)計人員所需要的各種數(shù)據(jù)，但需要較長的實驗周期和較高的成本。應(yīng)用 CFD 技術(shù)能夠模擬預(yù)測建筑空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織、溫度場、風(fēng)速場并基于此進(jìn)行多精細(xì)度的熱濕環(huán)境評價，在方案初期給設(shè)計人員提供優(yōu)化設(shè)計方案的依據(jù)。

 

CFD 模擬技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于封閉空間氣流組織的研究中，由于網(wǎng)格劃分、計算效率等因素的制約，通常假定室內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流流動，采用基于 RANS（ReynoldsAverage Numerical Simulation）的穩(wěn)態(tài)分析對建筑通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行多方案比選和優(yōu)化，關(guān)注建筑物的流場分布特性（王鋒，2011；劉華，2017）。然而在實際應(yīng)用的時候，建筑物在通風(fēng)系統(tǒng)作用下的流場變化的過程以及達(dá)到指定溫度所需要的時間同樣是暖通設(shè)計關(guān)注的重點?；?LES（Large Eddy simulation）的瞬態(tài)分析手段能夠給出實時的流場變化以及流場達(dá)到穩(wěn)定所需要的時間，但是對計算域的尺寸和幾何邊界的空間離散形式提出了更高的要求（王漢青，2003）?；?LBM 的商用求解器 XFlow 能夠適用于任意復(fù)雜幾何邊界，能夠?qū)嵤└咝实?LES 計算分析，多用于工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域（Holman D M，2012）。LBM 方法在建筑風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境等綠色建筑評價方面也有一些應(yīng)用，主要是針對風(fēng)速場和溫度場的分析，針對熱濕環(huán)境評價指標(biāo)方面的分析較少。

 

本文以湖北劇院項目為例，采用基于 LBM 方法的 XFlow 軟件對建筑熱濕環(huán)境進(jìn)行分析，利用開源后處理軟件 paraview 給出 PMV 和 PPD 等熱舒適度指標(biāo)，建立了以 XFlow軟件為基礎(chǔ)的綠色建筑評價方法。

 

2. XFlow 基本原理及設(shè)置

2.1 控制方程

目前室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)模擬主要采用的是基于有限體積法求解 Navier Stokes 方程的求解器，包括 fluent、star-ccm+等，都需要復(fù)雜的網(wǎng)格劃分方案，而且往往只能采用基于RANS 的穩(wěn)態(tài)分析，忽略了流體的瞬時變化過程，在解決實際工程問題時存在一定的局限性。

 

在過去幾年中，基于玻爾茲曼方程的最小動力學(xué)模型的方案（LBM）作為傳統(tǒng) CFD方法的可靠替代方案的求解器，如 XFlow 和 Powerflow，越來越受歡迎。格子玻爾茲曼方法最初是作為格子氣體自動機(jī)的改進(jìn)修改而開發(fā)的，結(jié)合了動力學(xué)理論，可用于模擬多種物理現(xiàn)象。相比于采用連續(xù)性方程和 NS 方程來描述宏觀尺度流體運動的傳統(tǒng) CFD 求解器，LBM 采用的是介于宏觀流體連續(xù)性假設(shè)與微觀分子動力學(xué)之間的介觀模擬方法，同時具有微觀方法的適應(yīng)性廣和宏觀方法的不關(guān)注分子運動細(xì)節(jié)的特點，精度和計算量上均有較大優(yōu)勢（Boltzmann，L，1970）。在 LBM 模型中，假設(shè)宏觀流體由大量虛擬流體粒子構(gòu)成，通過粒子的對流和碰撞這兩種運動模式來描述流體的宏觀運動。

 

 

 

其中， 為 方向的離散速度向量， 為粒子在 方向的速度分布函數(shù)， 為空間位置向

量， 為從時間 之后的時間增量， 為碰撞算子。

 

格子布爾茲曼方程描述了微觀流體分子的時空分布演化過程。基于動理學(xué)理論，將格子布爾茲曼方程進(jìn)行 Chapman-Enskog 多尺度展開，可以導(dǎo)出宏觀流體力學(xué)的連續(xù)性方程和 NS 方程，從而建立密度、速度、壓強(qiáng)等流體的宏觀物理量與微觀粒子的速度分布函數(shù)之間的關(guān)系，表達(dá)式為

 

 

 

其中， 為密度， 為速度向量， 為壓強(qiáng)。

 

2.2 空間離散方法

XFlow 采用了基于粒子的空間離散方案，依賴于以八叉樹結(jié)構(gòu)組織的晶格，采用D3Q27 的算法（Bao Y B，2014）進(jìn)行格子劃分，能夠適應(yīng)各類復(fù)雜的幾何邊界。八叉樹結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)非均勻晶格，在流體域不同位置使用不同尺度的晶格結(jié)構(gòu)，粗尺度的晶格可以在過渡邊界處分叉為兩個細(xì)尺度的晶格，如圖 1 所示。需要注意的是， 晶格過渡將不可避免地會引入一定的數(shù)值誤差，因此在使用局部網(wǎng)格加密時，應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格敏感性驗證。

 

 

圖 1 XFlow 晶格結(jié)構(gòu)以及過渡方式示意圖

 

2.3 湍流模型

XFlow 采用大渦模擬（LES）方法，在計算時利用濾波函數(shù)將流場中渦結(jié)構(gòu)根據(jù)尺度大小進(jìn)行劃分，對大尺度的流場結(jié)構(gòu)直接求解，而對小尺度的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型化處理。濾波處理后的 N-S 方程需要引入表征大、小尺度渦結(jié)構(gòu)相互作用的亞格子應(yīng)力項。XFlow軟件集成了常用的亞格子模型，如 Smagorinsky 模型、Dynamic Smagorinsky 模型以及WALE 模型（Ducros F，1998），其中 WALE 模型提供一致的局部渦黏度和壁面行為，其表達(dá)式為

 

 

其中 為濾波尺寸，常數(shù) 一般取 0.325。

 

3. 建筑氣流組織分析

劇院的主體是舞臺和觀眾廳,舞臺氣流組織設(shè)計的難點在于保證舞臺表演效果的同時,既能有效消除燈光設(shè)備等產(chǎn)生的大量熱負(fù)荷,又能滿足人體熱舒適的要求；觀眾廳人員密度大, 會產(chǎn)生大量的熱濕負(fù)荷,所以觀眾廳的氣流組織設(shè)計需要在消除散濕量、散熱量的同時,既能保證氣流分布的均勻性又能滿足人體熱舒適的要求。在方案階段采用 XFlow 輔助暖通系統(tǒng)的改造設(shè)計，可以對室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的熱舒適性進(jìn)行評估，針對觀眾區(qū)和舞臺區(qū)等重點區(qū)域的氣流和熱環(huán)境進(jìn)行三維可視化呈現(xiàn)，并根據(jù)分析結(jié)果對通風(fēng)系統(tǒng)的有效性進(jìn)行檢驗，采用 XFlow 進(jìn)行室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)分析的計算參數(shù)設(shè)置如表 1 所示。根據(jù)湖北劇院 CAD 設(shè)計圖紙和暖通設(shè)計信息，建立劇院三維幾何模型如圖 2 所示。該模型考慮了包括觀眾區(qū)和舞臺區(qū)所有區(qū)域，僅對局部區(qū)域進(jìn)行了幾何簡化。

 

根據(jù)實際可能的室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)運行情況，確定 CFD 計算工況如表 1 所示。根據(jù)國內(nèi)已有文獻(xiàn)研究，綜合考慮室外熱傳導(dǎo)以及燈光產(chǎn)熱，頂部天花板熱通量取 50W/m2?？紤]座位下部送風(fēng)和舞臺區(qū)送風(fēng)，送風(fēng)風(fēng)速根據(jù)暖通設(shè)計要求確定。人體新陳代謝率、服裝熱阻、人體溫度等人體參數(shù)模型根據(jù)暖通相關(guān)規(guī)范選取。在進(jìn)行 CFD 計算分析時，考慮了如下假設(shè)：1）假設(shè)室內(nèi)空氣不可壓縮，采用 Buossinesq 浮力假設(shè)；2）假設(shè)流體內(nèi)流體的湍流各向同性；3）假設(shè)室內(nèi)不考慮漏風(fēng)影響，不考慮門口通風(fēng)，氣密性良好。

 

表 1 XFlow 計算求解參數(shù)設(shè)置

 

 

 

圖 2 劇院三維幾何模型及邊界條件示意圖

 

表 2. CFD 計算工況

 

 

經(jīng)過網(wǎng)格敏感性分析，最終確定 XFlow 的晶格數(shù)為 115 萬萬，座位和通風(fēng)口處的網(wǎng)格為 0.125m，其他區(qū)域的求解尺寸為 1m，如圖 3 所示。

 

 

圖 3 劇院計算域網(wǎng)格劃分

 

在觀眾廳空調(diào)設(shè)計時，需充分考慮觀眾區(qū)人員聚集、長時間坐立不能走動這些因素，最大程度提升演出期間，觀眾區(qū)的熱舒適性。采用 XFlow 軟件的，詳細(xì)計算分析了不同季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)運行情況下劇院室內(nèi)的氣流組織與熱環(huán)境情況。采用 XFlow 進(jìn)行劇院夏季降溫過程瞬態(tài)仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)初始溫度 35 攝氏度滿座情況下，開啟空調(diào) 10min 后溫度逐漸穩(wěn)定至 24 攝氏度，溫度云圖如圖 4 所示。夏季工況時，豎向溫度熱分層現(xiàn)象明顯，水平方向溫度變化較均勻。如圖 5 所示的風(fēng)速云圖表明座位附近風(fēng)速基本小于 0.3m/s，觀眾無明顯的吹風(fēng)感。此外，圖 6 所示的氣流軌跡和三維表面溫度云圖也可以直觀地看出室內(nèi)氣流的走向和各區(qū)域的之間的溫差。

 

 

圖 4 夏季劇院空調(diào)運行 10min 后的溫度云圖

 

 

圖 5 夏季劇院空調(diào)運行 10min 后的風(fēng)速云圖

 

圖 6 夏季劇院空調(diào)運行 5min 氣流軌跡和表面溫度云圖

 

4. 熱舒適度評價

熱舒適評價是組成室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量評價體系的重要一項。目前，廣泛應(yīng)用于評價建筑熱濕環(huán)境的指標(biāo)是丹麥技術(shù)大學(xué) P. O. Fanger 教授提出的 PMV 指標(biāo)（Predicted Mean Vote，預(yù)計平均熱感覺指數(shù)）（黑賞罡，2017）。

 

PMV 綜合考慮了影響人體熱舒適的 6 個物理變量，包括空氣溫度、風(fēng)速、環(huán)境表面平均輻射溫度、相對濕度以及服裝熱阻和人體代謝率，其值范圍是-3~0~+3，其中 0 表示不冷不熱（即“熱中性”或簡稱“中性”），負(fù)值為冷，正值為熱，絕對值越大偏離熱中性就越多。PMV 指標(biāo)描述的是絕大多數(shù)人在特定環(huán)境下的熱感覺，沒有考慮不同人之間的生理 差 異 。 因 此 Fanger 就 基 于 PMV 指 標(biāo) 又 提 出 了 PPD 指 標(biāo) （ Predicted Percentage Dissatisfied 預(yù)計不滿意者的百分?jǐn)?shù)），從而預(yù)測不同人群對某一熱濕環(huán)境不滿意的比例。

 

PPD 與 PMV 之間的關(guān)系如圖 7 所示。《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》GBT 50785-2012 給出了不同等級的熱濕環(huán)境以及對應(yīng)的 PMV 和 PPD 指標(biāo)，其中 I 級熱濕環(huán)境為人群中 90%感覺滿意的熱濕環(huán)境，其整體熱舒適度評價指標(biāo)滿足-0.5≤PMV≤+0.5，PPD≤10%。

 

表 3. 熱濕環(huán)境整體評價指標(biāo)

 

 

 

圖 7PMV 與 PPD

 

XFlow 的后處理功能中，只能輸出風(fēng)速、溫度等基本的流場物理量，而沒有熱舒適度評價相關(guān)指標(biāo)輸出，但是可以導(dǎo)出通用的 CFD 結(jié)果文件格式，例如 paraview 支持的 VTU格式。因此研究團(tuán)隊基于開源后處理軟件 paraview 進(jìn)行二次開發(fā)，對 XFlow 導(dǎo)出的結(jié)果文件進(jìn)行計算分析，可以給出 PMV 和 PPD 指標(biāo)，拓展了 XFlow 在建筑熱濕環(huán)境分析方面的應(yīng)用。

 

 

圖 8 劇院 PMV 云圖

表 4. 各工況熱濕環(huán)境評價指標(biāo).

 

 

 

 

5. 總結(jié)

本文首先對 XFlow 的基本原理和軟件設(shè)置進(jìn)行了梳理，針對室內(nèi)熱濕環(huán)境評價分析需要注意的計算參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了詳細(xì)介紹。然后以湖北劇院為例介紹了 XFlow 軟件在氣流組織和熱舒適度分析中的應(yīng)用，并且利用 paraview 軟件的二次開發(fā)功能，建立了以 XFlow軟件為基礎(chǔ)的綠色建筑評價方法。有以下如下結(jié)論可供參考：

 

（1）結(jié)合 LBM 方法的基本原理，介紹了開展室內(nèi)熱濕環(huán)境分析需要注意網(wǎng)格劃分、

湍流模型選取等計算設(shè)置。

 

（2）基于 XFlow 的氣流組織分析能夠較好地再現(xiàn)室內(nèi)氣流運動軌跡和溫度熱分層現(xiàn)

象，能夠滿足空調(diào)系統(tǒng)方案輔助設(shè)計的需求。

 

（3）采用 XFlow 作為求解器，導(dǎo)出 VTU 數(shù)據(jù)格式，結(jié)合 paraview 軟件開展后處

理，能夠?qū)С?/span> PMV、PPD 等指標(biāo)，有助于開展綠色建筑評價。本文基于 XFlow 開展室內(nèi)氣流組織分析和基于 paraview 開展的二次開發(fā)研究，充分發(fā)揮這兩款軟件的優(yōu)勢，拓展了 XFlow 軟件在建筑行業(yè)內(nèi)的適用性，可供其他行業(yè)參考。

 

資料來源：達(dá)索官方