FLUENT组分输运模型模拟房间湿空气

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1 前言                                                              

    HVAC专业通常会关心房间内的空气参数，包括温度、湿度、气流速度等，本案例将通过FLUENT的组分输运模型来模拟房间内的湿空气。

2 问题描述                                                          

    建立如下4m×4m的二维房间模型，左侧下面为空气入口，顶部为出口，其中底侧位置用一个速度入口来模拟水面的蒸发以加入湿负荷。读者可能会发现笔者经常用二维模型，通常能用二维来说明问题的就用二维，这样可以减少计算时间。空气入口速度2m/s，水蒸气和氧气的质量分数分别为0.01和0.21（氮气0.78，实际空气的成分中氧气氮气比例）。虚拟水面的速度为0.001m/s，组分为100%水蒸气。

图1 二维房间模型

3 计算结果                                                          

    房间的速度及流线分布如下图，这是将速度收敛残差设置为10-5时的结果，对于二维模型，通常默认的精度是不够的。另外对于较大空间的空气流动，气流速度本身较小，如果要关心气流组织，建议用更为严格的残差准则，而不用默认的设置。

图2 房间速度和流线分布

    房间的相对湿度分布如下图，可以看出，除了水面上面附近的空气相对湿度较高，房间其他的区域相对湿度均匀，约为50%。湿空气的扩散方向与气流方向相同，符合实际情况    。

图3 房间相对湿度分布

    我们读取FLUENT计算结果的空气入口平均相对湿度为45.497909%，出口为46.894752%，同时，出口的水蒸气质量分数为0.010309459。入口和出口的温度（干球）为300K（26.85℃），而入口水蒸气的质量分数为0.01，我们知道含湿量的定义1kg干空气含有水蒸气的重量，因此入口的含湿量0.01×1000g/(1-0.01)kg=10.1010101g/kg，出口的含湿量为0.010309459×1000g/(1-0.010309459)kg=10.4168511g/kg。据此，可以查得入口的相对湿度为45.8%，出口的相对湿度为47.21%，与FLUENT计算结果的误差分布为0.664%和0.672%。另外，我们考查一下房间的湿平衡关系，入口的质量流量为0.46476744kg/s，出口的质量流量为0.46491381kg/s，虚拟水面的质量流量为0.00014636595kg/s。

因此入口带入房间的湿量为:

0.46476744×0.01=0.046476744kg/s，

虚拟水面带入房间的湿量为:

0.00014636595×1=0.00014636595kg/s，

流入房间的总湿量为0.00479404kg/s，

流出房间的总湿量为:

0.46491381×0.010309459=0.00479301kg/s，与流入房间的湿量的误差为0.0215%，满足湿平衡关系。