实验剧场的气流组织研究

摘要

实验剧场作为观演建筑的一种类型，具有观演建筑的典型特点又因其对演出效果和经济性的不同要求，有着自身独特的需求，仅依靠传统的设计方法和经验并不能满足其对整体舒适度的要求，需要更为严谨和直观的CFD数值计算模拟的方法来辅助完成设计工作并对结果加以预测。 本课题首先以中间剧场为研究对象，建立数值计算模拟的模型，同时对该剧场的冬夏季工况分别进行了实地测试，再以测试数据为边界条件使用该模型进行数值计算模拟。通过对测试数据和模拟数据的相近性比较，验证了该计算模型在中间剧场的气流组织模拟计算中应用的正确性。 其次结合测试数据和测试工况的模拟结果，分析了实际运行工况下的问题与不足，并给出了合理的解释。同时通过对夏季测试数据的分析整理，证明了高区机械通风系统的有效性和节能性；通过对冬季测试数据的分析整理，找到人体负荷影响在实验剧场的时间轴规律，提出了在冬季暖通空调系统运行的特殊性。 再次，对中间剧场在设计条件下的夏季空调运行工况进行了模拟研究，结果表明其速度场均匀，人员活动区内绝大部分风速不超过0.6m/s，无吹风感，满足使用要求；但单纯依靠空调系统供冷，温度场分布呈现严重的温度分层，舞台区和观众席低区温度在25~26℃，而观众席中高区已超过30℃，甚至高达40℃，不能实现舒适度目标。针对该问题提出设置高区机械排风系统，强制非空调区排热，按此空调配合通风运行工况再次模拟，结果表明速度场达标，温度场内绝大部分观众区域的温度降至28℃以下，可以达成预期目标。 然后，对中间剧场在设计条件下的冬季空调配合采暖运行工况的三种不同的负荷状态进行了模拟研究，结果表明三种工况的速度场均达标。但是温度场整体偏高，最大负荷运行时，整体空间温度均超过25℃，根据详细分析，大胆提出关闭空调，冬季运行更换为通风配合采暖工况，按此运行工况再次模拟，结果表明速度场达标，并且可以将绝大部分区域的温度降至22~24℃，实现整个空间的预期目标。 最后，总结了这一系列研究的综合结论，并提出未来可以继续深入研究的方向，希望能为今后的工程设计提供一定的参考。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 实验剧场建筑的简介

1.1.1 观演建筑的概述

1.1.2 实验剧场的概述及运行特点

1.2 国内外对剧场空间气流组织的研究现状

1.2.1 大空间气流组织的研究方法

1.2.2 国内外对观演建筑剧场空间气流组织的研究现状

1.3 问题的提出

1.4 本课题的研究内容和研究方法

1.5 论文结构

第2章 中间剧场数学模型的建立和求解

2.1 中间剧场的工程概况

2.2 物理模型的建立

2.3 物理模型的网格生成

2.4 数学模型的建立

2.4.2 控制方程

2.4.3 单值性条件的确定

2.5 数学模型的求解

2.5.1 三维湍流模型及其在CFD中的应用

2.5.2 求解器的选择与松弛因子的确定

2.6 本章小结

第3章 中间剧场CFD模型的实验验证及分析

3.1 测试安排及现场的状况

3.2 测试内容

3.4 测试方案

3.4.1 风口风速和风量的测定

3.4.2 温度的测定

3.5 夏季无人工况测试结果及分析

3.5.1 送回风口风速和风量的测试结果

3.5.2 送回风口温度的测试结果

3.5.3 座椅送风口风速和风量的测试结果

3.5.4 典型位置点温度的测试结果

3.6 夏季实测结果与CFD模拟结果的比较与分析

3.6.1 基于实测条件的CFD模拟计算的边界条件设定

3.6.2 实测结果与CFD模拟结果的数据比较

3.6.3 基于实测条件的CFD模拟结果分析

3.7 夏季演出工况机械通风系统运行分析

3.8 冬季无人工况测试结果及分析

3.8.1 送回风口风速和风量的测试结果

3.8.2 送回风口温度的测试结果

3.8.3 座椅送风口风速和风量的测试结果

3.8.4 典型位置点温度的测试结果

3.9 冬季实测结果与CFD模拟结果的比较与分析

3.9.1 基于实测条件的CFD模拟计算的边界条件设定

3.9.2 实测结果与CFD模拟结果的数据比较

3.9.3 基于实测条件的CFD模拟结果分析

3.10 冬季演出工况人体负荷影响分析

3.11 本章小结

第4章 中间剧场夏季工况CFD模拟研究

4.1 夏季空调工况的CFD模拟分析

4.1.1 边界条件的设定

4.1.2 CFD模拟结果及分析

4.2 夏季空调+通风工况的CFD模拟分析

4.2.1 边界条件的设定

4.2.2 CFD模拟结果及分析

4.3 本章小结

第5章 中间剧场冬季工况CFD模拟研究

5.1 冬季空调+散热器采暖工况的CFD模拟分析

5.1.1 边界条件的设定

5.1.2 CFD模拟结果及分析

5.2 冬季采暖+通风工况的CFD模拟分析

5.2.1 边界条件的设定

5.2.2 CFD模拟结果及分析

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致 谢