一、研究背景及意义

我国自改革开放以来，经济水平快速发展，人民生活水平不断提高^[1]，现如今大家都对生活品质有着很高的追求，不光要吃饱、穿暖，更要健康、舒适的学习生活环境。伴随着经济快速发展的是能源的巨大消耗，人们对生活环境的高要求使得曾经三大件之一的空调随处可见，现代建筑是离不开空调的。而如今各行各业中，建筑行业的能源消耗占了三分之一还多。在有些大空间建筑里，一般空调调节室内环境的能力根本达不到其要求。这时就需要更高质量的空调了，很明显地其相应的能源消耗也大幅增加。因此，在很多高要求的大空间建筑里，既要考虑到空调调节环境的舒适的，又要面对高能耗的问题。所以，在空调设计时，节能问题自然而然凸显出来，要达到最大节能要求，空调气流组织模式十分重要，能在很大程度上决定空调效果^[2]。室内良好舒适的环境可以使人们精神愉快，工作效率提高。因此人们希望在规划设计阶段就能详细了解由空调通风所形成的空气速度场、温度场、湿度场以及有害物浓度场，从而制定出最佳的气流组织方案。

空调房间的气流组织，是指确定合适的送（回）风口形式、位置、规格、数量和送（回）风风量、风速、温度等参数^[3]。这些参数直接影响室内空调效果，是关系着房间工作区的温湿度参数、精度及区域温差、工作区的气流速度和人们舒适感觉的重要因素，是空气调节的一个重要环节，也是工程设计中必须着重考虑的一个重要环节。

20世纪80年代Sandberg学者提出空气龄的概念^[4]：空气进入房间或被更新的时间，一方面反映室内空气的新鲜程度，另一方面也反映了去除室内污染物的能力，是评价室内空气品质的重要指标，为空调房间气流组织形式的合理选择提供了依据^[5]。空调气流组织越好，室内空气龄就越小，空气品质越好。所以，研究空调气流组织能指导我们如何去提升空调房内空气品质，让人感觉更加舒适。

传统的揭示气流分布规律的做法是通过模型实验，得出经验或半经验公式，然后在这些公式的基础上进行气流组织的计算。由于模型实验不仅耗费人力、物力，而且受模型实验的条件限制，有时难以模拟出复杂的空间流动的全部特征，即使是同样的空调房间，可能的气流组织方案也会有很多，想通过实验的方法来确定各种方案的优劣需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，难以在工程设计中广泛采用^[6]。

随着计算机技术的发展，利用计算机求解空气流动控制方程组的数值模拟方法(CFD Computational Fluid Dynamics)也有了很大的发展^[3]。CFD方法具有成本低、速度快且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐。CFD方法也越来越多地应用于暖通空调领域。利用CFD方法可以对室内空气流动的速度场、温度场、湿度场以及有害物浓度场等进行模拟和预测，这对保证良好的房间空调系统气流组织设计方案、提高室内空气品质(IAQ)以及降低建筑物能耗都有重要的指导意义^[7]。

二、国内外空调气流组织研究概况

2.1、国外空调气流组织研究概况

CFD最早产生于1933年，当时英国的Thom首次用手摇计算机数值求解二维粘性流体偏微分方程。丹麦的Nielsen于1974年首次将CFD用于暖通空调的研究，他用CFD对通风房间内的空气组织进行了数值模拟^[8]。1996年，Markatos研究电视播送室内的三维流动和传热问题时，首次提出结合CFD技术来设计大空间内的空调系统，以提高大空间内空调系统效率^[9]。

在日本、美国等发达国家，数值模拟技术已经很成熟，已经有过很多利用CFD技术对空调气流组织进行模拟的研究^[8]。Jones等人列举了很多利用CFD技术对办公室、体育馆和机场候机厅等场所的空调系统进行分析并改进的实例^[10-13]。Cook通过CFD技术模拟了自然对流通风条件下中庭空调气流组织的温度场，得出了通风条件为自然对流时，不仅中庭空调气流组织的热舒适度得到提高，同时还达到了节能的目的的结论 ^[14]。在日本，一些大型的空调设备施工公司、设计单位和综合建筑承包公司都不同程度地采用CFD技术对空调系统进行优化设计，例如东京体育馆、福冈Dome体育馆等。