室内散流器的简化数值模拟
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摘 要
随着人类社会的高度发展，现代人平均每天有 90%的时间会在室内环境中度过，
所以人们对建筑物的居住舒适度要求越来越高。但是在现代城市环境下，由于室内环
境的密闭性加强，使得个别情况下室内空气污染程度比室外环境还要高出数倍，所以
房间内通风系统的好坏对人们的健康状态有着很大的影响。置换通风系统和混合通风
系统是现如今市场上较为常见的两种通风系统，所以对这两种通风系统的散流器模型
进行研究对提升室内空气环境品质有很大帮助。
近几十年来，计算机技术发展非常迅速，相应的数值模拟技术也得到了很大发展，
运用计算机技术来求解室内空气流场和温度场的研究也越来越普遍。这种采用计算机模
拟分析室内气流分布情况的方法称为计算流体力学方法，也就是 CFD（Computational
Fluid Dynamic）。 CFD 技术拥有速度快、成本低、可以模拟不同工况条件等优点，已被
广泛应用于各个领域，目前采用 CFD 方法对通风系统进行数值模拟已称为业界的主流
研究方法之一。
本文针对散流器风口模型的特点，提出了当量密度法来描述风口模型。首先从模
拟等温流动模型入手，选取了多孔喷嘴散流器为研究对象。随后在等温流动模型的基
础上分别选取了方形散流器、格栅散流器和移动式散流器作为混合通风系统和置换通
风系统的代表散流器模型，对非等温流动模型进行了分析研究。模拟过程中均采用当
量密度法对风口模型进行描述，计算模拟出了各个散流器房间内的气流组织分布和温
度场情况。论文中通过得出的模拟数据结果，系统的比较分析了两种通风系统的通风
效果、人体舒适感和空气品质等方面，为空调房间内的气流组织形式优化和调节人体
舒适度方面提供了参考依据，同时也证明了当量密度法在描述风口模型方面的可行性。
另外，还对两种通风系统的未来发展进行了一定的阐述。
关键词：数值模拟 散流器 空气品质 当量密度法
ABSTRACT
With the development of human society, people will spent 90% time averagely in indoor,
so people increase the requirements about modern buildings. However, the modern urban
environment, due to the relative tightness of the indoor environment, causing indoor air
pollution levels several times higher than outdoor environments, so the ventilation system in
the room had a significant influence on people's health. Displacement ventilation and mixing
ventilation systems are more common ventilation systems on the market now, so the research
of the two ventilation systems has been a great help to improve indoor air quality.
In recent years, with computer technology is developing rapidly, the numerical
simulation techniques also has a great development. So the use of computer technology to
calculate indoor air flow field and temperature field is becoming more and more common.
The CFD method is that use of computer simulation and analysis of indoor air distribution,
and this technology with the advantage high efficiency, low cost and can simulate different
working conditions etc. In addition, it has been widely applied to various fields, the
numerical simulation of the ventilation system by CFD method has been referred to one of
the main research method of the industry.
In this paper, equivalent density were used to describe the outlet model according to its
features. To start with simulating isothermal flow model, porous diffuser nozzles were
selected as the object of study, and replacement representative diffuser ventilation system
model were chosen to give an analytical investigation on the basis of cold numerical models.
The equivalent density were used to describe the outlet model and airflow distribution and
temperature field distribution of very chamber were simulated by CFD analysis software.
Paper through the simulation results analysis and comparison of data obtained, a more
systematic analysis of the effects of the two ventilation systems, human comfort and air
quality of air distribution in the form of air conditioning in the room and adjust to optimize
the provision of human comfort a reference, which makes air-conditioning design and use of
more reasonable and scientific. Meanwhile, the method of equivalent density to describe
outlet model was proved feasible and the future development of ventilation system were also
expounded at the end of paper.
Key Word：simulation,diffuser,IAQ,equivalent density method
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ................................................................................................................ 1
1.1 课题研究意义 ........................................................................................................ 1
1.2 通风系统简介 ........................................................................................................ 3
1.2.1 散流器介绍 ...................................................................................................... 3
1.2.2 混合通风系统 .................................................................................................. 5
1.2.3 置换通风系统 .................................................................................................. 5
1.3 CFD 方法介绍 ........................................................................................................ 6
1.4 文献综述 ................................................................................................................ 8
1.4.1 CFD 方法理论研究 .......................................................................................... 8
1.4.2 CFD 实践应用情况 .......................................................................................... 9
1.5 本文研究的主要内容 .......................................................................................... 10
第二章 室内空气流动的数值模型 ............................................................................... 11
2.1 室内空气流动的物理过程 ................................................................................... 11
2.2 室内空气流动控制方程 ....................................................................................... 11
2.3 湍流模型 .............................................................................................................. 13
2.3.1 湍流模型概述 ................................................................................................ 13
2.3.2 雷诺平均控制方程 ........................................................................................ 13
2.3.3 Boussinesq 假设 ............................................................................................. 14
2.3.4 Fluent 中湍流模型 ......................................................................................... 14
2.3.5 壁面函数法 .................................................................................................... 16
2.4 数值计算方法 ...................................................................................................... 16
2.4.1 方程的离散 .................................................................................................... 16
2.4.2 离散方程求解 ................................................................................................ 18
2.4.3 SIMPLE 算法 ................................................................................................. 18
2.5 本章小结 .............................................................................................................. 19
第三章 室内散流器的风口模型 .................................................................................. 21
3.1 风口模型概述 ...................................................................................................... 21
3.2 直接描述类风口模型 .......................................................................................... 22
3.3 间接描述类风口模型 .......................................................................................... 23
3.4 N点风口模型 ...................................................................................................... 26
3.5 当量密度法 .......................................................................................................... 26
3.6 本章小结 .............................................................................................................. 27
第四章 房间各散流器模型 CFD 模拟 ........................................................................ 29
4.1 室内等温流动模拟 .............................................................................................. 29
4.1.1 模型描述 ........................................................................................................ 29
4.1.2 边界条件设置 ................................................................................................ 30
4.1.3 模拟结果 ........................................................................................................ 31
4.2 室内非等温流动模拟 .......................................................................................... 38
4.2.1 模型描述 ........................................................................................................ 38
4.2.2 数值模拟过程 ................................................................................................ 40
4.2.3 格栅散流器 .................................................................................................... 42
4.2.4 方形散流器 .................................................................................................... 49
4.2.5 移动式散流器 ................................................................................................ 55
4.2.6 误差分析 ........................................................................................................ 63
4.3 对比分析 .............................................................................................................. 63
4.3.1 流场分析 ........................................................................................................ 64
4.3.2 温度场分析 .................................................................................................... 65
4.3.3 分析结论 ........................................................................................................ 66
4.4 本章小结 .............................................................................................................. 67
第五章 结论与展望 ...................................................................................................... 68
5.1 本文结论 .............................................................................................................. 68
5.2 课题展望 .............................................................................................................. 69
参考文献 ........................................................................................................................ 70
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 74
致 谢 ............................................................................................................................ 75
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
1.1 课题研究意义
随着人类社会进入 20 世纪，各个方面科学技术的不断进步，人类文明得到了
前所未有的高度发展，由此产生的环境问题所造成的影响也越来越广泛，引发了
全球各个领域的高度重视。从工业革命开始，人类改造自然的欲望越来越强，能
力也在不断增强，尤其对于建筑物内的室内环境控制也在逐步增强，具体体现在
使用空调设备调节室内温度等，所以人类在室内活动的时间越来越长。根据相关
调查表明，现代人每日的正常工作生活中，大约平均 80%~90%的时间都会待在室
内环境中[1]，导致室内空气污染对人类健康的影响也越来越明显，世界卫生组织的
相关统计表明，全球有近一半的人处于室内空气污染的环境中，其中 22%的慢性
肺病、24.5%的肺癌、35.7%的呼吸道疾病都是由室内空气污染引起的，另外我国
室内环境监测中心发布的报道也表明，在我国 65.5%的肺癌和 75.5%的呼吸道疾病
都源于室内污染，发病率都远超于世界平均患病水平[2]。室内的空气环境不仅影响
人体的舒适感和身体健康，还会影响人们的工作效率。所以基于上述情况，人们
对于室内环境的空气品质的关注度越来越高，对室内环境的空气品质也要求越来
越高。其中，评价室内空气质量的重要指标有室内空气品质（IAQ，Indoor Air Quality）
[3]，这是人们评价自己日常生活、学习和工作的空气环境质量的重要指标之一，指
的是在某个特定的环境下，空气中的环境要素（例如温度、湿度等）对人们生活
工作的适宜程度的影响，反映在室内空气的温度、湿度、空气新鲜度和洁净度在
内的具体要求而形成的一种衡量指标[4]。
我国实行改革开放政策以来，GDP 一直处于增长状态，人民生活水平也日益
提高，尤其伴随着房地产行业和建筑业的迅速发展，人们对于室内环境的状况关
注度越来越高，有房必有装修的状况非常普遍，但是由于我国现行的法律规范仍
不完善，对于建材市场的规范缺乏有效的监督和管理，建筑材料以及室内装潢材
料也良莠不齐，造成室内空气污染的源头也日益大大增多，一些质量不达标的建
筑材料释放的各类有害物质会对人体健康造成很大有害影响，严重的还会出现使
胎儿致畸、成人休克死亡等极端病危情况。同时，对于室内有害物质的检测数目
也在逐年增高，目前各国已经先后检测出 500 多种有毒有害物质，其中有 20 多种
有害物质会致癌。这些有害物质的产生源头主要包括人类室内活动[5]，室内房屋装
修，厨房油烟，办公机器（例如打印机等）的使用等。总的说来，造成室内空气
品质低劣的室内空气污染物主要有 3类：化学污染、物理污染、生物污染[6]。其中，
上海理工大学硕士学位论文
2
较为常见的物理污染物有粉尘、颗粒物等，化学污染物有挥发性有机化合物
（Volatile Organic Compounds，简称 VOCs）、氮氧化物、碳氧化物、臭氧等，生物
污染物包括一些霉菌、微生物等。同时由于现代生活中空调的日益普及，建筑物
内的密闭性能的越来越好，致使房间内形成一个封闭的循环系统，造成房间内空
气无法与外界新鲜空气进行交换，所以不良的空调系统会导致坏品质空气一直滞
留在房间内，从而致使室内空气品质的一直处于不利于人身体健康的状态。
对于一些发达国家，室内环境污染虽然较发展中国家情况稍好一些，但同样
不容乐观，据美国环境保护署的相关研究表明，室内空气污染问题是影响国民身
体健康的主要环境问题之一。可见，如何防治室内空气污染问题已是当今人类需
要亟待攻克解决的难题之一，同时也成为国内外科研机构研究的一个热门课题。
人类对于室内污染物危害的认识以及自身健康的关注，极大的推进了室内空
气污染防治方法的进步。大致说来，室内环境污染的防治措施主要分为以下几类[7]：
(1) 从污染源头治理，控制室内污染源数量，主要方法为使用绿色环保建材，
尽量降低室内装修程度。装修后要房间空置通风足够长的时间，以便有害物质可
以随空气流动散失[8]。
(2) 净化室内空气，净化方法中传统方法有物理化学吸附、臭氧净化、膜分离
技术、静电除尘、负离子净化技术等，新方法有二氧化钛—活性炭纤维合成技术、
光触媒、空气触媒技术、低温离子体空气净化技术、纳米光催化等离子体结构负
荷单元技术等。
(3) 增加室内绿化面积，植物能去除室内部分空气污染物并点缀美化室内环境。
比如滴水观音、常青藤、龙舌兰、吊兰、仙人球、芦荟等绿色植物都有很好的空
气净化功能，能吸收去除苯、甲醛、三聚乙烯、CO 等有害气体[9]。
(4) 增加室内通风量，即要合理使用空调系统，增加通风量，使室内环境与外
界环境进行空气流通。
近些年来，随着发展中国家经济的快速发展，空调通风系统的使用日益普遍，
不良通风系统所造成的有害影响也逐步显露出来，不良的空调系统设计不仅会降
低通风效率，无法显著的提高室内空气质量，还会造成能源的超耗，并且还会引
发病态建筑综合症（简称 SBS，Sick building syndrome）和密闭建筑综合症（TBS，
Tight building syndrome）等由室内空调使用引发的相关疾病。所以要合理的设计室
内空调通风系统的气流组织，而 CFD 作为一种便捷的设计计算工具，通过使用 CFD
方法对室内空气质量进行计算模拟分析，可以帮助优化空气净化设备的布置，大
大提高室内空气净化效率和净化效果，同时降低空调通风系统的运营能耗[10]。所
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作者：侯斌
分类：高等教育资料
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时间：2025-01-09
