一種求解濕空氣溫度和相對濕度的CFD算法

摘要：以往在用計算流體力學（CFD）方法計算空氣溫度時，僅考慮空氣顯熱，導致計算溫度與實際情況相差較

關鍵詞　 計算流體力學 濕空氣 理論模型
　　 　　
Abstract　 In view of the considerable error in using CFD method to calculate the air temperature due to the latent heat treated as negligible, puts forward a theoretical model taking latent heat into account, which is consisted of enthalpy and vapor concentration equations. By simulating a project with the model, compares the temperature distribution calculation results with and without latent heat in consideration, showing that without considering latent heat will result in a rise in temperature of 0.5～1℃.

Keywords　 CFD, wet air, theoretical model

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　　計算流體力學（CFD即Computational Fluid Dynamics）在暖通空調的應用始于70年代。早期的應用對象主要是工程設備中出現的熱、質傳遞。隨著空調技術的發展，CFD技術越來越多地成為暖通空調工程師用于分析房間速度場、溫度場和污染物濃度場的工具[1～2]。由于現有的CFD 軟件一般是由從事力學、化工和工程熱物理的專家開發的，一般都不考慮相對濕度的問題。然而，暖通空調領域的空氣參數一般都與潛熱和相對濕度有關，如不考慮潛熱和相對濕度，勢必造成溫度場計算的不準確，也不便于評價各點的舒適性和空氣品質。
　　筆者提出一種考慮空氣中的潛熱求解溫度和空氣相對濕度的方法，并給出計算實例。
　　
1 濕空氣溫濕度的輸運方程
　　
　　CFD技術可以通過求解普遍遵守的質量守恒、動量守恒、能量守恒方程，獲得計算區域的各種參數。CFD技術有很多個分支，目前在暖通空調行業應用A多的是由斯波爾丁（Spalding）和帕坦卡(Patankar)提出的用于求解傳熱和流體流動計算的SIMPLE算法[3]。
　　
2 工程應用舉例
　　
　　某工程采用椅背誘導送風，椅子按階梯布置，每級階梯的寬度為900mm，階梯間的高差為170mm。經空調箱處理后的空氣從椅子下邊送入。椅子靠背的下邊部分有一300mm×20mm的風口，上邊部分有一400mm×150mm的風口。椅子下邊送入的空氣與從下邊風口誘導進來的空氣混合后，從上邊風口送到后排觀眾的周圍。

3 結論
　　
　　CFD在暖通空調領域中的應用越來越廣泛，由于常規的CFD方法只考慮空氣的顯熱，而不考慮空氣的相對濕度，因而CFD的應用受到一定的局限。
　　筆者提出用焓的輸運方程代替溫度的輸運方程，同時增加水蒸氣質量濃度的輸運方程，用CFD方法迭代求解速度場、壓力、焓、水蒸氣質量濃度，利用濕空氣的物理性質得到空氣的溫度和相對濕度。采用這一方法，不僅得到計算區域的溫度場，也可以知道各人位置的相對濕度，因而可以更準確計算各點的舒適性，公正評價通風空調的效果。應用這一方法，結合一具體工程，給出了只考慮顯熱時的溫度場分布和同時考慮潛熱時的溫度場和相對濕度分布，結果表明，前者計算得到的溫度比后者的高0.5～1℃ 。
　　
參考文獻
　　
　　1 Shuzp Murakami, Shinsuke Kato, Jie Zeng. Development of a computational thermal manikin. The 2nd International Symposium on HVAC, Beijing, 1995,29-38.
　　2 李先庭，李吉生，江億，室內空氣交換率的數值計算及應用。見：全國暖通空調制冷1996年學術年會論文集，1996，241-244
　　3 S.V.帕坦卡著，張政譯，傳熱與流體流動的數值計算。北京：科學出版社，1984。
　　4 薛殿華，空氣調節，北京：清華大學出版社，1991。