《ACS Omega》：Development and Evaluation of a Simplified CFD Model for a Swirl Diffuser with the Aid of 2D Particle Image Velocimetry
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本研究开发并评估了旋流散流器简化计算流体动力学（CFD）模型，利用二维粒子图像测速技术（PIV）验证模型性能。研究发现，通过动量法构建并基于详细模型修正的简化模型，结合剪切应力输运（SST）k-ω湍流模型，能够在保证精度的前提下显著降低计算成本，为旋流扩散器的高效CFD模拟提供了实用方案。
旋流散流器是室内空气调节中常用的末端装置，它通过产生强烈的旋转射流来促进空气混合，营造均匀的热环境。然而，直接测量其产生的气流既耗时又困难，而建立详细的CFD模型则计算成本高昂，这主要是因为送风口几何形状复杂且需要密集的计算网格。为了克服这一挑战，本研究旨在开发并评估旋流散流器的简化CFD模型，并借助二维PIV技术来验证模型的性能。
研究首先对现有文献进行了综述，指出现有研究在构建可靠的简化CFD模型、将PIV应用于旋流散流器测量以及使用PIV验证任何类型送风散流器的CFD模型等方面存在不足。本研究旨在填补这些空白，提出了一种系统化的方法来开发可靠的简化CFD模型，并评估了PIV在CFD性能评估中的应用价值。
研究方法主要包括三个核心部分：简化模型的开发、PIV测量以及CFD模拟。首先，研究采用了动量法来描述散流器狭缝，因为它可以保持质量和动量守恒，同时避免了箱体法所需的详细边界条件数据。简化过程的具体步骤是：进行PIV测量，建立详细CFD模型（DM），并将DM结果与PIV数据进行比较以验证DM。随后，基于几何规则创建了一个简化几何模型（SMG），其将复杂的散流器本体和狭缝替换为五个矩形的送风开口，并依据几何规则设定了轴向、径向和切向动量分量。然而，当SMG结果与DM（以及间接与PIV）比较时，发现其精度不足。因此，研究根据DM结果调整了SMG的动量角，最终得到了修正的简化模型（SMC）。所有模型的性能都通过PIV测量并使用定义的评价指标进行了最终评估。
为了进行实验验证，研究设计了一个小尺寸的旋流散流器物理模型，其直径为100毫米。实验在等温条件下进行，使用了甘油雾作为示踪粒子和Nd:YAG双脉冲激光器配合FlowSense 2M相机等设备进行PIV测量。测量在距离散流器表面10毫米、20毫米和30毫米的三个水平面上进行，以获得详细的二维速度场。这些数据随后被用来计算总送风量，并与CFD模拟结果进行比较。
在CFD模拟方面，研究使用ANSYS Fluent软件，模拟了与PIV测量相匹配的散流器狭缝角度和送风流量。为了研究湍流建模的影响，分别采用了精确但计算量大的雷诺应力模型（RSM）和计算量较小但精度相对较低的剪切应力输运k-ω（SST k-ω）两方程湍流模型。此外，还比较了SIMPLE和Coupled这两种压力-速度耦合算法对计算稳定性和时间的影响。研究创建了三种不同的几何模型：详细模型（DM）、基于几何的简化模型（SMG）以及修正的简化模型（SMC），并对每种模型都进行了网格独立性验证和边界条件的设定。
为了全面评估模型的准确性，研究定义了多项指标，包括计算时间、总送风量差异、垂直截面湍流强度相对差异、垂直和水平排放角差异、射流宽度相对差异、边界层厚度相对差异，以及水平面湍流强度云图的视觉比较。
研究结果显示，在计算时间方面，使用RSM湍流模型和Coupled耦合算法耗时最长，而SST k-ω模型能显著缩短计算时间。在总送风量预测上，所有CFD模型的计算结果都高于PIV测量值，这被认为是由于PIV的二维特性忽略了轴向速度分量。详细模型（DM）的两种湍流模型预测结果差异很小，而未经修正的简化模型（SMG）在大半径处出现了明显偏差。修正后的简化模型（SMC）与SST k-ω模型结合时，性能接近DM。
在模型精度方面，PIV数据与详细CFD模型的比较显示出合理的匹配度。SMG的水平排放角与PIV测量值偏差高达14°，而经过动量角修正的SMC则表现优异，其水平排放角偏差小于1°，与DM相当。在射流宽度预测上，RSM模型表现优于SST k-ω模型，后者倾向于预测过窄的射流，这可能与其忽略了垂直天花板方向湍流脉动的阻尼（即忽略了湍流各向异性）有关。而在边界层厚度和湍流强度云图的视觉比较上，SST k-ω模型与PIV数据吻合得更好。研究表明，SMC与RSM模型结合能产生与DM相当的结果，同时大幅减少了建模和计算时间，在可靠性和计算效率之间取得了良好的平衡。
通过讨论，研究进一步指出，修正几何简化模型的主要好处在于正确对准了水平和垂直排放动量角，使SMC比SMG更可靠。尽管RSM在预测射流宽度方面有优势，但SST k-ω在预测边界层厚度、湍流强度和送风量方面表现合理，且计算成本极低。研究也承认了PIV测量的局限性，包括测量平面上雾滴分布不均以及只能同时测量三个流速分量中的两个。
研究的结论是，通过调整动量角，可以显著提高旋流散流器简化CFD模型的可靠性。修正后的简化模型（SMC）与SST k-ω湍流模型相结合，提供了可靠性（与详细模型和PIV测量结果吻合良好）与计算效率之间的最佳平衡，使其适用于实际工程应用。二维PIV技术被证明是评估CFD模型性能的有效工具。未来的工作应致力于为不同排放角度、送风流量、散流器尺寸和类型提供动量角修正建议，并将此研究成果推广到整个房间尺度的模拟中。
