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1引言

近年來，隨著經濟的發展，越來越多的具有高精度濕濕度要求和舒適性要求的高大空間出現了，研究高大空間的氣流控制系統成為一項重要的研究課題。很多學者對高大空間的氣流組織進行了深入地研究，這些研究大多采用穩態的模型，本文的研究重點是氣流控制系統，即對高大空間氣流動態變化及其控制系統的研究，采用動態的CFD模擬和動態控制系統仿真模型。

本文的研究對象（見圖1）是一個存在不均勻分布熱源的高大空間精度恒溫空調系統。針對擾動和控制對象的特點，通過方案比較，本文采用非貼附型下送風方形散流器上送下回氣流組織方式，風口的具體布置見圖1，并在穩態CFD模擬的基礎上，確定了最優的送回風系統參數，即最優的送風溫差（3℃）、送風速度（2.15m/s）、空調分區大小（5m×5m，共36個）和風口尺寸（800mm×800mm）。本文將在此基礎上對高大空間氣流控制系統的動態仿真進行研究。

圖1高大空間結構及設備布置

對于高大空間氣流控制系統的動態仿真，本文提出2套解決方案，并分別進行了研究：

（1）常規的集中參數模型控制系統仿真，其中高大空間動態響應特性預選采用CFD方法進行模擬；

（2）精確仿真系統，即將以集中參數模型為基礎的控制系統仿真和以分布參數模型為基礎的CFD模擬無縫結合，實現對高大空間的精確仿真。

2集中參數仿真系統及高大空間動態響應特性CFD模擬

2．1集中參數仿真系統

常規的集中參數模型仿真系統示意圖見圖2，它具有以下的特點：

（1）對傳感器、變送器和執行器等，由于它們傳遞信號的部位體積都很小，而且它們相應的信號參數分布基本上是均勻的，因此可以將它們處理成集中參數模型。

（2）對于高大空間，空間內各點的參數是不一樣的，即各點的參數不僅與時間有關系，而且與空間位置有關系，不僅與外擾的強度有關系，而且與外擾的位置有關系，因此它是一個典型的分布參數系統。對它的計算應該用分布參數模型進行處理，以質量守恒、動量守恒和能量守恒為基礎的室內氣流流動和傳熱理論就是它的數學模型，其基本方程組為雷諾方程組[1]。但是，由于雷諾方程組的求解非常復雜費時，因此，在常規的集中參數模型仿真系統中，將它簡化處理成集中參數系統，即認為高大空間是一個控制點參數為代表的集中參數環節，此時，可以通過CFD模擬或實驗或理論分析（對簡單情況）求出它的延遲時間、時間常數和放大系數[1]。傳統的求取高大空間動態響應特性的方法是實驗或者對簡單情況的理論分析，但是這種方法不具有通用性，而且也不經濟（實驗需要大量的費用和時間），因此本文嘗試采用CFD的方法研究高大空間的動態響應特性，對應的高大空間通風空調氣流控制方程組見第3.2節。

（3）只要確定了高大空間的特性參數，高大空間氣流控制就變成了一個常規的控制系統，其仿真也就變得容易和快速，但是，由于對高大空間本身的特性進行了簡化，致使它不能精確地反映控制點參數的變化，因此其仿真精度是受到限制的，有時甚至很低，與實際情況相差較遠。

圖2常規的集中參數模型仿真系統示意圖

2．2高大空間動態響應特性CFD模擬

2．2．1計算條件

考慮高大空間為帶純滯后的一階慣性系統，應計算系統的時間延遲、時間常數T、放大系數K和特征比。

為了考察控制點的位置對高大空間動態特性的影響，考慮將室內控制點設在各分區中心線上標高8m處（稱為控制點A）和回風口中心（稱為控制點B）兩種情況，控制點A位置的確定主要是因為各分區氣流交界面的中心點處于標高8m左右，穩態條件下，該位置的空氣溫度約為20℃，正好為系統平衡溫度；控制點B為常規控制點。這兩個控制點的一個共同特點是當系統運行于穩態條件時，系統正好不需要控制動作，這正是恒溫空調控制系統的出發點，這樣系統才能處于最優的運行狀態。

數值計算時，在送回風口、熱源、墻壁附近風格劃分較密，網格間距為0.1m，其他區域網格劃分較粗，網格間距為0.4m;數值計算邊界條件如下：

（1）送風口，輸入實際的送風速度和溫度。

（2）回風口，規定出口壓力為0。

（3）熱源和墻壁，均為固體壁面，要用壁面函數法進行處理[3]，其中熱源為恒溫55℃。