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中图分类号：R852.51文献标识码：A
文章编号：1002-0837(2000)03-0174-05
Numerical Study of Ventilation and Heat Transfer Performance in a Square Space
WU Qun-gang，LIANG Xin-gang，GUO Zeng-yuan,REN Jian-xun,CHEN Ze-jing
abstract:Objective To investigate the ventilation organization in a square space with slot inlet and oblique inlet flow and to try afford some useful suggestion for the design of ventilation. Method Based on physical model, control equations depicting the ventilation and heat transfer in cabin were given. The inlet air direction, velocity, temperature, convective heat transfer capability and environment amenity were numerically simulated with staggered grid SIMPLE method. Result As far as the cases of oblique inlet flow direction were concerned, the research indicated that the heat transfer capability, the homogeneity, amenity and effectiveness of input energy were acceptable although the flow patterns were asymmetric. When the angle between the inlet flow direction and ceiling was smaller than 45 degree, there were better homogeneity of temperature and velocity fields. The heat transfer performance,was not sensitive to the inlet flow angle. Conclusion The 2D ventilation configuration with oblique inlet flow direction has good thermal performance but the control of flow pattern is not satisfactory. It is possible to improve the homogeneity of temperature and velocity, heat transfer capability and the control of flow pattern simultaneously by proper organization of The research recommends independent inlet apertures with adjustable angle between 30～45 degree.
Key words:space capsules;thermal environments;heat exchange;ventilation (engineering);mathematical modeles;comfort temperature
通风换热组织是空调设计的一个重要环节，就空间飞行器的载人舱而言，舱内的空气通风不仅要满足舱内仪器设备的散热要求，还要满足航天员在工作时对舱内环境舒适性的要求。由于飞行器在轨时处于微重力环境，舱内因自然对流引起的流动大为减少，若通风方式设计不当，会带来局部过热（过冷）、或绝对湿度过大、有害物质浓度过高等问题。因此飞行器载人舱内气流的良好组织性能是维持其正常工作的必要手段［1,2］。
汤广发等［3］利用数值模拟方法对某水电厂主厂房的气流组织状况进行了分析，讨论和比较了几种不同开口方式下流动的流型和速度场，并指出横向同侧送风方式无论从气流流型还是从工作区速度分布的均匀程度来看都是较佳的。但该文仅讨论了速度场的分布，没有涉及诸如温度场、换热状况等其它相关的内容。Son等人［4］则对国际空间站舱内的通风和空气分布特性作了数值分析和实验研究。数值分析采用了FLUENT软件，实验研究则采用了1：1的模型，整个实验装置通过温度控制系统来保证模拟舱内壁的温度与通风空气的温度一致，以减小自然对流。他们将不同工况下模拟舱内的空气速度分布的数值分析结果和实验结果进行了比较，得到了一些有用的结论。
刘云龙［5］、任建勋［6］等人分别用数值分析和模型实验的方法讨论了舱内气流的流场分布，并对舱内的温度场、换热能力等做了分析。象房间空调系统的通风一样，空间飞行器载人舱内的通风方式也有多种选择形式，如均匀进风、集中进风、斜进风等。刘、任的研究主要是针对均匀进风和集中进风展开的。研究结果表明均匀通风方式下大部分送风未经换热就直接排出出风口，工作区内壁面的换热性能较差，并容易造成局部温度和湿度分布的不均匀；相对于均匀通风方式而言，集中通风方式的换热能力有较大程度的提高，与此同时，舱内的温度场均匀性也得以改善，但其速度分布的均匀性趋于恶化。此外，任建勋等还对45°斜进风的情形作了初步的定性实验研究，得出了斜进风方式也可能是一种比较合适的气流组织方式的结论［5］。
本文将着重分析斜进风通风方式下舱内的通风换热情况，从进风角度的选择、换热性能、温度、速度的均匀性及环境的舒适性等方面综合分析该通风方式的具体特点，为空间站舱内通风换热系统的设计与选择提供一定的依据。
物理模型与控制方程及其求解
斜进风通风方式的全称是“两顶角狭缝集中斜进风-两底角狭缝集中出风”，其通风换热结构如图1所示。通过天花板两侧的狭长缝，将气流以一定的角度送入舱内。在本文的研究中，进口气流温度恒定为20℃，送风量按照具体研究要求取相应的值，本文取600 m3/h。出风口在两侧壁下端，为了解决分叉问题［7］，将两侧壁延长，使气流从两侧壁下端排出后通过地板下的回风箱关联起来。进口宽度尺寸依据入口风速确定，入口角度依具体的讨论要求而定，在0～90°之间选择。所谓入口角度（进风夹角）是指进风方向与天花板的夹角。侧壁下端出口宽度为高度的1/20。天花板与地板绝热，两侧壁为加热壁，本文取定壁温为30℃。入口新风在舱内经混合、换热后由出风口排出。在计算时，不计重力作用。
图1斜进风方式示意图
Fig.1Sketch of ventilation space with slot inlet
根据物理模型，为进行数值研究，作以下假设：二维、稳态、层流流动，忽略舱内垂直纸面方向两端壁面的影响；入口空气速度、温度均匀恒定；外部环境不对舱内流场和温度场产生影响；能量方程中的耗散项忽略不计。
由以上物理模型和基本假设，得到描述舱内空气流动和传热的质量、动量、能量方程如下：
其中为速度矢量，T、ρ、p、ν分别为温度、密度、压力及运动粘度，K为导热系数，cp为定压比热，g为重力加速度，计算中令g等于零。边界条件：所有固壁上分速度为零；上、下壁面处绝热；左右侧壁面Tw；进口处风温Tin恒定；分速度由下式给定：v=vin, u=uin；出口处边界按参考文献［7］推荐的方法处理。
考虑到存在的解的分叉现象［7］，我们用全场进行计算。采用交错网格的SIMPLE算法进行求解。为验证程序的正确性，对封闭方腔自然对流的标准算例进行了计算，Grashof数从1.4×103到1.4×108，平均Nusselt数与文献［8］的偏差不超过5％。迭代计算过程采用欠松驰，并特别考虑了孤岛问题的特殊处理［7］。
本文使用侧壁平均努谢尔特数、气流进出口温升、温度不均匀性系数、速度不均匀性系数及投入能量利用系数等作为衡量舱内气流组织性能好坏的评价指标。各参数定义如下：
平均努谢尔特数Nuave：
当温差一定时，换热系数越高，对流换热的热流密度越大，其换热的能力也越强，热负荷一定时，所需通风量也越小。
速度不均匀性系数kv：
其中
