气幕送风交通指挥台夏季热环境CFD模拟

吕洁 吕慧洁 孙成才

沈阳工业大学建筑与土木工程学院

现有室外交通指挥台以简易平台和带有遮阳的指挥台居多，仅有少数指挥台进行了空调设计安装；夏季炎热、冬季寒冷且处于粉尘含量较大的交通十字路口，对于交通指挥员无疑造成潜在的身体健康问题。本文所研究的气幕送风交通指挥台是将分体空调应用于指挥台中，并应用了一种新的送风口，即气幕送风口，意在在人体周围形成一层看不见的空气幕，阻挡外界有害气体的同时向工作人员输送空调新风。其中，气幕送风口是根据风幕机的原理而设计的，空气幕是利用条状喷口送出具有一定速度、一定温度和一定厚度的幕状气流，用于隔断其他气流[1]。为了确定气幕送风空调的运行参数，以保证输送的新风既能满足工作人员的需要又能形成一层透明的隔断以阻挡外界空气流场，本文对气幕送风交通指挥台的空气流场进行了CFD三维数值模拟，分析气幕送风交通指挥台在送风系统运行情况下周围空气流场和温度场的分布规律，调整影响气流偏离的运行参数，根据人体舒适性指标提出较为可行的气幕送风系统的运行方案。

1 材料与方法

1.1 交通指挥台原型

该交通指挥台位于沈阳市市区（41.44°N，123.27°E），沈阳市夏季最多风向为SW，夏季室外平均风速2.6 m/s，夏季空气调节室外计算干球温度为31.4 ℃。交通指挥台外围尺寸为2.5 m×2.5 m×2.7 m，属于全开放式。气幕送风风口位于人体头顶正上方，初步模拟设定气幕送风风口尺寸为1.56 m×1.56 m，风口宽度为0.02 m。

1.2 几何模型

1）交通指挥台模型

模型采用与实际交通指挥台等比例创建，坐标原点设置在水平地面指挥台中心位置，以水平地面为XOY平面，竖直向上为Z轴的正方向，为简化模型，忽略头顶设备间内的复杂系统，只保留气幕送风风口。将室外环境设置为20 m×20 m×2.7 m的密闭空间，一侧为室外送风入口，其他侧为自由出流面。采用非结构化四面体网格，经过网格无关性检测后，确定最大网格尺寸为50 mm，气幕送风风口最大网格尺寸为1 mm，送风侧面最大网格尺寸为50 mm，人体表面最大网格尺寸为5 mm，网格单元总数量为824573个，三维几何模型如图1所示。

图1 交通指挥台的几何模型

2）人体模型

人体自身散发热量，人的存在对于交通指挥台空气流场的模拟有一定的影响，将人体模型与实际人体等比例创建并置于计算模型中，对于准确模拟空气流场至关重要。本文根据沈阳市成年男子平均身高等比例创建了人体3D模型，考虑到人体的表面细节，如鼻子、眼睛等细小部位在划分网格时较为困难，同时考虑到这些细小部位对于交通指挥台空气流场影响较小，在不影响计算精度的前提下，本研究忽略了这些细小部位，人体3D模型简化及模型网格如图2所示。

图2 人体模型简化及模型网格

1.3 数学模型

指挥台空气流场内气体的流动要遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律及组分守恒定律[2]。在此次模拟中，不考虑空气流场中的组分变化，将空气简化为不可压缩牛顿流体、定常流动。

1.4 边界条件

1）气幕送风口入口边界

在模拟过程中，设定气幕送风口为速度入口（velocity inlet）边界，送风速度初步设置为5 m/s，此后逐渐增加，送风温度初步设定为20 ℃，通过计算初步设置湍流强度为3.9%，水力直径为0.158。

2）室外环境边界

模拟选定时间为沈阳市夏季13∶00，将室外环境模型一侧设置为速度入口（velocity inlet）边界，室外温度设置为31.4℃，风速为2 m/s，湍流强度为3.3%，水力直径为4.7577；其他侧设置为自由出流（outflow）边界，流量比重（flow rate weighting）设置为0.333。

3）人体表面散热边界

在模拟过程中，人体属于热源，边界类型设置为壁面（wall）边界，采用固定温度法设置表面温度为31 ℃。

4）其他边界

将地面、指挥台表面等均设置为壁面（wall）边界，采用固定温度法设置各边界的表面温度。因本模拟结构特殊，人体正上面设有2.5 m×2.5 m的遮阳设备，夏季一天之中较热的时间段内基本不会使阳光直射到人体表面，因此本次模拟暂不考虑太阳辐射相关模型。本次模拟仅考虑了送风风速对人体舒适度的影响，对于温度的研究还不够充分；在构建模型时，忽略了人体表面和室外大环境下的诸多影响因素，在模拟结果上存在一定的误差。

1.5 数值求解

本文采用Fluent 14.0软件进行数值模拟，在模拟过程中，采用RNG k-ε湍流模型，采用基于有限体积的离散方法，压力-速度耦合选用SIMPLE算法，动量与湍流动能选用一阶迎风格式。收敛条件设置为流动方程相对误差为10-3，能量方程相对误差为10-6。

2 结果与分析

2.1 空气流场和温度场模拟结果

本文在五组送风参数下，分别对指挥台的空气流场和温度场进行数值模拟，即送风温度不变时，送风风速分别设置为 5 m/s，6 m/s，7 m/s，8 m/s，9 m/s。通过数值模拟，分别得到不同送风条件下交通指挥台的速度场和温度场。以气幕送风风速为7 m/s的模拟结果为例，x=0截面和z=2.1 m截面（人头部位置）交通指挥台空气速度场和温度场如图3～6所示。

图3 x=0截面空气流场速度云图

图4 x=0截面温度场云图

图5 z=2.1 m截面速度场云图

图6 z=2.1 m截面温度场云图

2.2 人体周围环境处理结果

在得到流场分布图后，分别对人体周围2 m内流场的各项参数进行处理和分析。以其中一组模拟结果为例，分析结果显示，当气幕送风风速为7 m/s，送风温度为20℃，外界环境大气压为标准大气压101325 Pa，平均室外风速为2 m/s，温度为31.4℃时，z=2.1 m高度即人体头部大约所在平面高度人体周围2 m范围内温度和风速变化如图7～8所示。根据图7～8可清楚的看到人体周围2 m范围内各点的风速和温度值，并通过对模拟结果的处理，得到固定范围内的平均风速和平均温度，应用于后续对人体舒适性的研究。

图7 x=0，z=2.1 m人体周围两米范围内空气温度变化曲线

图8 x=0，z=2.1 m人体周围两米范围内空气流速变化曲线

2.3 人体舒适性分析

本研究所示的交通指挥台及指挥台工作人员均处于室外大环境下，没有设置围护结构，属于室外开放式交通指挥台。目前国内外有关室外环境舒适性的研究比较少，且大多应用现有室内舒适性评价标准，例如PMV和PPD等不适用于室外的稳态环境舒适性评价指标[3]。由于室外气候复杂多变，非稳态变化程度较强，舒适性问题比室内复杂[4]。因此本文所研究的室外交通指挥台下的人体舒适性分析不能应用现有室内舒适性评价指标，而应该应用新的舒适区及评价指标。

目前已探明影响人体热舒适的室外热环境因素主要包括空气温度、太阳辐射、风速和湿度[5]。近年来，国内外大量学者对各地区室外热舒适进行了实测研究和统计分析，并应用热感觉投票TSV、热舒适投票TCV和热可接受度投票TAV来作为室外热舒适的评价指标。国内学者皇甫昊等[5]通过对长沙市等众多典型公共场所进行为期两年的测试与调查，收集有效样本8150份，通过一元回归对TSV、TCV和TAV三者之间的关系进行相互定量化分析，并选取热感觉投票作为最根本反应主观热反应的指标，采用多元线性回归的方法建立了夏季各环境因素对热感觉的影响关系模型，如式（1）所示：

式中：TSV为热感觉投票，采用ASHRAE7点标度，即-3冷，-2凉，-1稍冷，0热中性，＋1稍暖，＋2暖，＋3热；Ta为空气温度，℃；Ah为绝对湿度，mg/L；Ws为风速，m/s；Tga为黑球温度与空气温度之差，℃。

综合比较上述研究成果，综合分析地区和季节因素，本文选用皇甫昊等研究的热舒适夏季预测模型，即夏季舒适性预测模型作为本文人体舒适性研究的依据，从而选定气幕送风的各项参数，确定较为可行的空调运行方案。由于该交通指挥台所处室外环境复杂多变，且本文研究目的在于改善人体的舒适度使其避免因高温天气而产生身体不适等问题，因此分析结果使TSV值保持在不大于+2即为符合人体舒适性要求。

以气幕送风风速为7 m/s，送风温度为20 ℃，外界环境大气压为标准大气压101325 Pa，平均室外风速为2 m/s，室外温度为31.4 ℃条件下的模拟结果为例，应用式（1）进行热舒适计算。计算结果显示，在z=1.7 m高度下，人体周围两米内平均温度为28 ℃，平均风速为0.564 m/s，绝对湿度为17.8mg/L，黑球温度与空气温度之差按照2.5 ℃计算得出的TSV约等于1.07；在z=2.1 m高度下，人体周围两米内平均温度为28.6 ℃，平均风速为0.86 m/s，绝对湿度为18.37 mg/L，黑球温度与空气温度之差按照2.5 ℃计算得出的TSV约等于1.13。因此，该条件下心脏水平高度和头部平均水平高度的热感觉投票TSV均接近于＋1稍暖的标度，距离暖和热的标度有较大的距离，说明该气幕送风参数满足本次研究的设计要求。

应用上述方法，本研究对五组送风风速条件下的模拟结果进行了舒适性计算，室外条件不变，计算结果如表1所示。

表1 不同送风风速下的TSV值

通过对五组模拟结果的计算和分析，根据本次研究设定的人体舒适性要求，在送风温度20 ℃情况下，选定最终较为可行的送风风速为不小于7 m/s，在此运行参数下，人体心脏周围两米范围内平均风速不小于0.564 m/s，平均温度不小于28 ℃；人体头部两米范围内平均风速不小于0.86 m/s，平均温度不小于28.6 ℃；热感觉投票TSV值均接近+1稍暖的评价指标，满足本次设计的要求。

3 结论

本文对气幕送风交通指挥台夏季运行条件下空气流场和温度场进行了三维数值模拟，并对数值模拟结果进行了后处理和人体舒适性分析，得出以下结论：

1）在沈阳夏季工况条件下，应用气幕送风交通指挥台可改善工作人员的舒适度，调节人体周围的空气温度，达到降温解暑的效果；

2）在室外温度31.4 ℃，平均风速2 m/s条件下，以气幕送风温度20 ℃，送风风速不小于7 m/s作为气幕送风空调的运行参数可满足人体对周围空气风速和温度的要求；

3）气幕送风气流受到外界环境影响较大，在流动过程中逐渐衰减且偏向室外风速方向，到达人体下肢高度时基本完全偏离人体。