引言冬季集中供暖常出现温度不达标现象，导致更多的家庭选择空调供暖，而空调供暖的效果取决于室内气流的不同组织形式[1]。空调系统对室内气流组织形式多样，最常见的3种气流组织形式为：置换通风、地板送风及混合通风[2]。一些新型供暖气流组织形式也被相继提出，其中应用最广泛的是混合通风。从气流组织角度来看，混合通风与以上其他通风方式都能够在一定程度上改善室内的舒适度，但均存在一定的不足。杨华[3]等在设有冷却顶板和置换通风复合空调系统中得出送风角稍小于“临界角”时有新的涡流形成，同时气流在室内的速度衰减极快，碰到物体时气流分布较为混乱。程勇[4]等研究送风角度对送回风口同侧布置的层式通风冬季供暖效果的影响，送风角度较小时，出现明显的空气温度分层；送风角度过大又导致送回风气流短路。Zhang[5]等得出地板通风只能用于较小的容量，导致较小的系统尺寸和空间占用，且只能用于特定场合。陈杰[6]等在对比碰撞射流通风与混合通风的供暖特性时发现，碰撞射流通风在室内的混合程度与供暖能量利用率大于混合通风，但碰撞射流通风的人员吹风感风险大于混合通风。Michal[7]等在混合通风系统提供的热空气加热和通风的低能耗建筑模拟室内，对空气分布、通风效果和热环境进行试验研究，发现受热浮升力以及送排风口影响，受到柯达效应的影响而发生气流短路，供暖效果不良造成能量浪费。本研究将结合混合通风与碰撞射流通风研究一种新的通风形式，在混合通风的基础上，改变空调送风流速和角度，将热风气流以不同流速和角度射出碰撞墙，气流碰到地面后动量急剧衰减并沿着墙壁向地面及四周扩散，从而与室内空气充分混合，解决混合通风由于受热浮升力、送排风口位置引起的气流短路和温度分层以及碰撞射流通风由于送风速度较大而引起近风口处出现较大吹风感的问题。利用计算流体力学(CFD)数值模拟计算方法，对不同送风角度进行数值模拟，经过分析比较得出最佳送风角度。1研究方法1.1物理模型本研究中的模型分为餐厅、厨房、会议室及宿舍等，厨房的三维通风模型如图1所示。尺寸为4.07 m×3.15 m×6.40 m，送风口尺寸为0.13 m×0.58 m，排风口尺寸为0.4 m×0.4 m，建筑面积26.048 m2，其他房间的送排风口尺寸与厨房一致，房型尺寸及建筑面积等相关尺寸如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F001图1厨房三维通风模型10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.T001表1会议室、宿舍、大厅及餐厅尺寸尺寸房型会议室宿舍大厅餐厅长5.405.405.605.46宽5.903.406.606.90高3.153.153.153.15m进风口和排风口的位置如图1所示，由于房间尺寸相对较大，因此设置两个进口风道及两个出口风道。在模型中，由地面到天花板为Z轴方向，房间正南方向为X轴方向，房间正东方向为Y轴方向。通过改变进口空气速度的坐标值从而改变进口角度，模拟分析不同条件下室内温度的分布情况，优化最佳空气参数，从而使室内环境处于最舒适的状态。1.2几何建模及网格划分1.2.1控制方程为了更加合理地构建几何模型，作出假设：室内空气气流为牛顿，空气流动看成不可压缩的低速湍流；忽略所有墙壁与气流之间的辐射换热；忽略黏性力带来的黏性耗散率，室内流体密度视为恒定；流动过程视为稳态湍流。基于以上假设给出如下稳态湍流的控制方程：（1）连续方程：表示单位时间内流入与流出微元体的质量之和为0，微分形式的表达式为：∂ρt+∂ρux+∂ρvy+∂ρωz=0 (1)式中：t——时间，s；ρ——流体密度，kg/m3；u、v、w——3个坐标方向上的速度分量，m/s。（2）动量方程：∂ρu∂t+divρuU=divμgradu- ∂P∂x+Su (2)∂ρv∂t+divρvU=divμgradv- ∂P∂y+Sv (3)∂ρw∂t+divρwU=divμgradw- ∂P∂z+Sw (4)式中：μ——动力黏度，Pa·s；U——速度矢量在三维坐标上的分量，m/s；P——作用在单位流体上的压力，N；Su、Sv、Sw——广义热源。（3）能量方程：∂ρT∂t+divρUT=∂∂xkcp∂T∂x+∂∂ykcp∂T∂y+∂∂zkcp∂T∂z+ST (5)式中：T——温度，℃；k——流体的传热系数；ST——黏性耗散；cp——比热容，kJ/(kg·℃)。最简单完整的湍流模型是两方程模型，模型中的湍流速度和长度通过两个独立的输运方程的解即可独立地确定。Fluent中的标准k-ε模型属于此类湍流模型，标准k-ε模型已在实际工程中得到广泛应用，本文采用Fluent中的标准k-ε模型进行模拟分析，模型中湍流动能k及耗散率由输运方程给出[8]：k方程[9]：∂ρt∂t+divρkv⃗=divutσkgradk+2utsksk- ρε (6)ε方程[10]：∂ρε∂t+divρεv⃗=divutσεgradε+C1εεK2μtSkSk- C2ϵρε2K (7)式中：2μtSkSk——k方程和ε方程的源项，表示由平均速度梯度产生的湍流动能；μt——湍流黏性系数。μt的表达式为[11]：μt=ρCμk2ε (8)式中：Cμ，σk，σε，C1ε，C2ϵ——经验系数，其中σk，σε为湍流Prandtl数；C1ε，C2ϵ为模型系数,Cμ=0.09,σk=1.2,σε=1,C1ε=1.44,C2ϵ=1.99。1.2.2网格划分本研究采用六面体网格对模型进行网格划分，不同网格单元数下的无关性验证如表2所示。通过网格无关性验证，选取网格的最小尺寸为0.1 m，网格单元数量为164 766，网格节点为688 979。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.T002表2不同网格单元数下的无关性验证网格数Tin/℃Tout/℃ΔT/℃uin/(m/s)uout/(m/s)38 452313309.7723.2281.250.542 82958 553313309.6973.3031.250.544 43877 604313309.5823.4181.250.547 737110 880313309.6853.3151.250.555 247140 057313309.7073.2931.250.557 725315 176313309.8763.1241.250.567 273422 119313309.8413.1591.250.570 060688 979313309.8963.1041.250.570 7261.2.3边界条件的设定由于所有壁面与外界的换热量很小，所以本研究将墙面设置为绝热壁面，进口空气的初始温度为40 ℃，初始流速为1.25 m/s，进口角度0°，选用压力和速度耦合器，采用Simple算法，对湍流动能流耗散率采用一阶迎风离散格式，其余变量采用二阶迎风离散格式。除能量方程为10-6外，所有方程的收敛残差均为10-5。为减小误差提高计算精度，本研究还对315 176、422 119、688 979网格数下，沿高度方向不同位置的温度变化作无关性验证，结果如图2所示。图2不同网格数下沿高度方向不同位置的温度变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F2a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F2a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F2a310.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F2a42模拟结果及分析为达到改善室内空气温度、湿度及其他空气参数的目的，使用混合通风的方式将送风气流与室内空气进行充分混合。送风气流的不同组织形式对室内空气各项参数的改善效果影响明显，设置多项模拟工况，建立6种不同送风角度的工况模型分别为：0°、15°、30°、45°、60°、75°，对以上工况进行模拟，探究不同流速及送风角度对室内热舒适性的影响，从而得出最舒适的送风角度。由于人群活动范围的高度一般在2.1 m以下[12]，因此模拟结果中温度分布图的截取位置为沿Z轴方向的水平横向截面，Z=0.1 m处（此处接近人的脚踝高度）、Z=1.1 m处（此处接近人员站立时的腰部或坐立时头部的高度）、Z=1.8 m处（此处接近人员站立时头部位置的高度），以及沿Y轴方向Y=1.6 m处截图进行分析。（1）工况一（送风角度0°，送风温度40 ℃，风速1.25 m/s），不同高度及方向的温度分布云图如图3所示。由图3可以看出，在Z=0.1 m高度处温度分布在36.1~37.4 ℃之间，平均温度为36.5 ℃，靠近东、西、北墙面的温度较高，并且温度由北向南逐渐降低，这是因为送风口射入室内的空气碰撞到北侧墙面后，沿着墙面向周围扩散所致。Z=1.1 m高度处温度分布在35.5~37.4 ℃之间，平均温度为36.3 ℃，南北温度分界较Z=0.1 m更明显，且南侧温度也较低。在Z=1.8 m高度处温度分布在36.3~38.5 ℃之间，平均温度为37.6 ℃，在东西两侧墙的局部位置温度偏高。由Y=1.6 m处可以看出，房间顶部出现明显的高温区，因为送风角度为0°使得空气流动在顶部形成一个回流封闭区域。图3工况一下，不同高度及方向的温度分布云图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F3a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F3a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F3a310.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F3a4（2）工况二（送风角度15°，送风温度40 ℃，风速1.25 m/s），不同高度及方向的温度分布云图如图4所示。由图4可以看出，在Z=0.1 m高度处温度分布在36.2~38.0 ℃之间，平均温度为37.2 ℃，大部分区域温度维持在37.0 ℃，只有南侧小部分区域温度稍低。在Z=1.1 m高度处温度分布在36.2~37.7 ℃之间，平均温度为36.8 ℃，同样出现了中间及南侧温度相较于其他方向温度较低的情况。在Z=1.8 m高度处温度分布在36.8~38.5 ℃之间，平均温度为36.8 ℃，低温区域多于前面Z=0.1 m和Z=1.1 m位置。南北侧温差较大，约为2.3 ℃。图4工况二下，不同高度及方向的温度分布云图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F4a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F4a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F4a310.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F4a4在Y=1.6 m处可以看出，顶部区域的温度仍然高于下部区域，尽管送风角度向下倾斜15°，但由于气流向前流动受到浮升力的作用，部分气流向上流动，同时受到北侧墙面阻碍后部分气流向上扩散，导致顶部区域的温度仍然高于下部区域。（3）工况三（送风角度30°，送风温度40 ℃，风速1.25 m/s），不同高度及方向的温度分布云图如图5所示。由图5可以看出，在Z=0.1 m高度处温度分布在36.2~37.7 ℃之间，平均温度为36.7 ℃，温度分布比较均匀，温差较小。在Z=1.1 m高度处温度分布在36.3~37.2 ℃之间，平均温度为36.4 ℃，除靠近北侧温度较高外，其他区域温度几乎相等，约为36.6 ℃。在Z=1.8 m高度处温度分布在35.8~38.4 ℃之间，平均温度为36.3 ℃，靠近北侧区域温差较大，出现两个较高和较低温区，同时靠近墙角的区域温度都偏高。图5工况三，不同高度及方向的温度分布云图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F5a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F5a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F5a310.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F5a4在Y=1.6 m处可以看出，顶部区域的温度明显低于下部区域，这是因为气流碰撞到北侧墙面后，主流部分沿着前面向下流动，到达地面后沿地面扩散，同时受浮升力的作用，气流向上流动使得中间区域温度上升。（4）工况四（送风角度45°，送风温度40 ℃，风速1.25 m/s），不同高度及方向的温度分布云图如图6所示。由图6可以看出，在Z=0.1 m高度处温度分布在34.6~38.0 ℃之间，平均温度为35.7 ℃，北侧墙面温度高，靠近东西侧也出现温度局部较高。在Z=1.1 m高度处温度分布在35.0~37.2 ℃之间，平均温度为35.4 ℃，除靠近墙面温度较高外，由北到南温度逐渐降低。在Z=1.8 m高度处温度分布在35.0~37.4 ℃之间，平均温度为35.4 ℃，出现两个较高温区，该区为气流的主流区，同时靠近东西墙的区域温度也偏高。图6工况四，不同高度及方向的温度分布云图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F6a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F6a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F6a310.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F6a4在Y=1.6 m处出现南侧温度较低的情况，这是因为气流碰撞到墙角后，速度快速衰减使得气流还未到达南侧就受浮升力作用而向上流动。（5）工况五（送风角度60°，送风温度40 ℃，风速1.25 m/s），不同高度及方向的温度分布云图如图7所示。由图7可以看出，在Z=0.1 m高度处温度分布在33.1~35.5 ℃之间，平均温度为34.0 ℃。在Z=1.1 m高度处温度分布在33.1~36.8 ℃之间，平均温度为33.8 ℃，除靠近墙面温度较高外，由北到南温度逐渐降低。在Z=1.8 m高度处温度分布在33.1~36.5 ℃之间，平均温度为33.6 ℃，同时由图7(a)~图7(c)可以看出，3个位置的温度云图均出现温度分层现象，且温差较大。在Y=1.6 m处可以看出，靠近主流区及主流区以上部分的温度高于其余区温度，这是因为送风角度为60°时，由送风口送入室内气流直接到达地板，并未碰撞北侧墙面，使得越靠近地板及北侧墙面的地区温度越高，同时该角度也使得碰撞地板的气流大部分向上流动。图7工况五，不同高度及方向的温度分布云图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F7a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F7a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F7a310.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F7a4不同角度下的流速可能给室内流动人员带来不同的吹风感觉，空调供暖时应尽量避免强烈的吹风感。在Y=1.6 m处不同送风角度下室内的速度分布云图如图8所示。图8Y=1.6 m处不同送风角度下室内的速度分布云图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F8a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F8a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F8a310.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F8a410.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F8a5当送风角度为0°时，气流水平射出碰撞到墙面后，速度快速衰减，在靠近南墙方向水平速度几乎为0。送风角度向下倾斜15°时已有大部分气流贴附于墙面向下流动，且向下流动过程中速度衰减放缓，在靠近地板的气流速度仍能保持在0.35~0.61 m/s之间。送风角度为30°时主流部分沿墙面向下流动，到达地面后沿地面扩散，同时受浮升力的作用，气流向上流动使得中间区域温度上升。送风角度为45°时，气流碰撞位置接近墙角，使得北侧近地处温度偏高。送风角度为60°时由于进风口离地面较远，气流在碰撞到地板后向水平方向扩散大幅降低，在浮升力作用下向上扩散，使得靠近南墙的气流几乎为静止。由以上分析得出，当送风角度为15°和30°时，室内能营造良好的热环境，选取送风角度为30°时，探究不同流速对室内温度分布的影响，结果如图9所示。图9不同进口流速下不同高度沿Y轴方向的温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F9a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F9a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F9a310.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F9a410.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.012.F9a5随着流速的增加3个不同高度位置的温度均增加，在Z=0.1 m高度下温度最高，这是由于气流碰撞到墙面后沿墙面向下流动至地板，再沿地板向周围扩散；其次是Z=1.8 m高度下；温度最低为Z=1.1 m高度，但与Z=1.8 m处相差不大，无论是何种流速，温度分布相差均不大。沿Y轴方向的温差都较小，基本在0.05~0.10 ℃之间，说明流速对温度分布的影响较小。3结语本研究在碰撞射流理论基础上，通过CFD数值模拟计算探究不同角度下温度场分布，主要结论如下：（1）送风角度为0°时，热浮力作用使热空气集中在室内顶部，无法充分与下部区域内的空气混合，使得室内顶部出现局部温度偏高，造成热量浪费。（2）送风角度为15°和30°时，气流碰撞墙壁后，惯性力作用大于热浮力作用，使低温区域明显减少，室内能够营造良好的热环境。（3）送风角度为45°和60°时，出现热流倾斜现象，造成南北侧温差拉大，供暖效果差，带来不舒适感。（4）不同流速下温度分布差异较小，流速对温度分布的影响较小，5种工况下人员流动区内水平方向温差约为1.3~3.5 ℃，且随着送风角度的增加，水平温差减小，而竖直方向0.1~1.8 m范围平均温差在0.3~1.5 ℃之间，温度分层现象不明显，能达到很好的供暖效果。