（动力机械及工程专业论文）运用fluent软件对室内气流组织的模拟研究.pdf

摘要 摘要 随着人们物质生活水平的提高，空调的使用越来越普及了，人们对 室内环境的要求也越来越高了，所以在暖通空调系统中，室内气流组织 的合理性，对空调的效果和能耗有重大的影响，寻求合适的气流组织形 式以满足节能和舒适性的需要变得越来越重要了。 影响空调房间气流组织的主要因素是入口风速、进风口的位置、进 回风口的相对位置等，本文采用f l u e n t 软件来模拟三维的较复杂的家用 空调室内气流组织的流动形式，首先在g a m b i t 里建立物理模型，然后对 所建立的物理模型进行网格划分，选用空气流动的质量守恒方程、动量 守恒方程、能量守恒方程以及k s 方程，采用不同的入1 ：3 风速、改变进 风口至顶棚的距离及改变进回风口相对位置来对空调室内进行模拟分 析，并在f 1 u e n t 软件中以直观的方式表示出了各种不同气流组织方案下 气流的温度场和速度场( 气流流型图) ，分析讨论其不同参数下的气流分 布的规律、特点及其适用场合。 结果证明，利用k g 湍流模型对空调房间的气流组织进行数值计算 是可行的。这数值模拟方法也能帮助设计人员预测其气流设计方案的 效果。这对于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、减少空调的能耗，对建筑物热环境的节能设计及室内空气质量 的评价都有重要的意义。 关键词气流组织；湍流模型；温度场；速度场；数值模拟 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e o p l e ss t a n d a r do fl i v i n g ，t h ea p p l i c a t i o no f a i r - c o n d i t i o n e di sm o r ea n dm o r ep o p u l a r t h ep e o p l e sd e m a n dt oi n d o o r e n v i r o n m e n ti sh i g h e ra n dh i g h e r s oi nt h ef i e l do fh v a c ，t h er a t i o n a l i t yo f a i r f l o w - o r g a n i z i n gh a si m p o r t a n ti n f l u e n c et ot h ee f f e c t sa n de n e r g yu s i n g o fa ir c o n d i t i o n i n g i ti s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt o f i n d a p p r o p r i a t es h a p eo fa i r f l o w o r g a n i z i n gt om e e ts a v i n ge n e r g ya n dc o m f o r t t h em a i nf a c t o r so fi n f l u e n c et oa i r f l o w o r g a n i z i n gi na i f e o 珏莲i t i o n e d r o o ma r ee n t r yv e l o c i t i e s ，t h el o c a t i o no fa i re n t r y ，t h eo p p o s i t el o c a t i o n so f e n t r i e sa n de x i t s t h i sp a p e ri sa na p p l i c a t i o no ff l u e n ti nt h et u r b u l e n t f l o wo ft h r e e d i m e n s i o n a la i r c o n d i t i o n e dr o o m ，f i r s t l y ，f o u n dp h y s i c a l m o d e li ng a m b i t ，t h e np a r t i t i o nt h ep h y s i c a lm o d e li n t og r i d d li n g c h o o s e q u a l i t yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ，m o m e n t u mc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ，e n e r g y c o n s e r v a t i o ne q u a t i o na n dk 一e q u a t i o n a d o p td i f f e r e n te n t r yv e l o c i t i e s ， t h ed i s t a n c ef r o me n t r yt ot h et o po fr o o m ，t h eo p p o s i t el o c a t i o n so fe n t r i e s a n de x i t st os i m u l a t et h ea i r f l o wi 1 3 t h er o o m t h er e s u l t so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nf o rm a n yd i f f e r e n tk i n d so fa i r f l o wa r ee x p r e s s e di ns t r e a m l i n e c h a r to fa i r f l o ws t r u c t u r e t h r o u g hf l u e n ts o f t w a r e ，a n dt h e l a wa n d c h a r a c t e ro ft h ea i r f l o wd i s t r i b u t i o na n dt h ea p p l i c a t i o na r ed i s c u s s e d t h er e s u l t sv a l i d a t et h a tt h ek 一8t u r b u l e n c em o d e li nt h en u m e r i c a l c o m p u t a t i o nt ot h ea i r f l o ws t r u c t u r eo ft h e r m a ln o n u n i f o r mr o o mi s f e a s i b l e a tt h es a m et i m e ，i ti se l i c i t e dt h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na l s o h e l p sm a n t op r e d i c tt h ee f f e c to ft h ea i r f l o wd e s i g n i n g i t sa p p l i c a t i o ni so f g r e a ti m p o r t a n c et ot h ei n c r e a s eo ft h el e v e lo ft h ed e s i g n i n gp r o j e c to f a i r f l o wo r g a n i z a t i o ni nt h ea i r c o n d i t i o n e dr o o m 。t h ei n c r e a s eo ft h ea i r q u a l i t yi nt h er o o m ，t h ed e c r e a s eo ft h ee n e r g ye x p e n s e di nt h eb u i l d i n g ，t h e e n e r g ys a v i n gd e s i g nt o t h eh e a te n v i r o n m e n to ft h e b u i l d i n ga n dt h e e v a l u a t i o no ft h ea i rq u a l i t yi ni t k e y w o r d sa i r f l o w o r g a n iz in g ：t u r b u le n c em o d e l ：t e m p e r a t u r ef ie l d v e i o c i t yf je ! d ；n u m e r i c a is j m u a t j o n j l i 华南理工大学 学位论文原创性声明 y 1 8 s 翡王 本人郑重声瞬：辨呈交憝论文是本人在导爨的指器下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 瓣本文靛研究做懑重要贡献驹个人和集体，均誉在文中以麓确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 佟者签名：周| i 书丽 霞期：础手年岁月勰醑 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关俣翳、使震学链论文酶燕 定，同意学校保留并向国家有关部门溅机构送交论文的复印件和 电子舨，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文夔全部或熬分逡容编入有关数攒瘴进行检索，哥黻采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 僳密口，在年解密后适用本授权书。 本学缱论文满子 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： j 虱讳羲 耀想犯 日期：埘年箩月0 0 爨 b 甥：) 辨多年厂月油翻 粥一章绪论 第一章绪论 。 黍嚣究的骛景 随着社会的进步、科技和经济的发展，人们的生活水平不断提高， 久艇对物藤生活静遥求也裁越来越毫，要求提毫室内龌境戆舒邋度，因 为驽适静环境能令人精神愉快、精力集中，既能保i 正在高效率状态下颁 利进行工作并完成任务，也能保证良好的休息和睡眠。因此，这就需要 对建筑的室内进行空气调节，来满足不同的要求。 蘧着象淫蒺量戆熊毫，人弱对器萑窝王终建筑癸麓豹要求毽越来越 高，因而对通风空谪技术也提出更高的要求，空调效聚成了人们蒺心的 重点。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 入假希望在勰划设计除段裁能谬纲了鳃l ；鸯窆调逶熙袋形成懿空气速度 场、温度场、湿度场一级有害物浓度场，从丽翩定出最佳的气流组织方 案。 空调膀闯内合理的气流组织能有效地消除热湿受耱，提高人体的舒 透度。鞋绽戆室内气流缝缀竣诗主要靠理论计算，这耱方法是髑模型实 验的方法研究几种典激送回风方式的气流组织状况，这种方法存在很大 的局限性，可能根本就达不到设计要求。鳓此，在空调系统设计完成之 轰旌工之耱，预测空诞系统豹气滚缝织状淤裁银菱要“”。 c f d ( c o m p u t a t i o n 8 lf l u e n td y n a m i c ) 即计算流体动力学，是近年 发展较快的一种计算机辅助设计技术。在室内空调设计中应用c f d 技术， 可以在设备安装之前j 筵行有效的气流组织模拟仿真，预测各种工况下室 蠹气漉豹漩发场、速泼场，扶蔼遮黉撬耗设诗方案。 1 2 研究的意义 在空调房阕内，气流组织的好坏决定着嶷内空气的温度、相对湿度和 洁净度分布是否符合备类工作、生活、生产和科学实骏对内部空气环境 的要求，因此空调房闻的气流组织是空调设计孵重要内豁“1 。有效地通风 程台瑾嚣气流缰织怼予改善室凌空气鑫藏，控澍室凌空气污染兹承平，保 证实现健廉建筑、健康舒适性空调有着重要的意义。 空调奄内的气流缀织直接关系到室内空气的各项参数是否满足工艺 华南理工大学工学硕士学位论文 要求，正确合理豹气流组缀应能充分发挥送风静冷帮期燕俸溺，探讨合 理的气流缀织方式对于工艺空调设计是极其重要的。好的气流组织方式 能够使空调房闻的温度、滠度和流速很容赫地符合设计要求；反之，涟 的气流组织方式可能根本就达不烈设毒卡要求。毯捷绕设计中，遗豢鼹模 型实验的方法研究几种典型送回风方式的气流组织状况，获得一些简化 熬诗舞公式，并将它织套麓裂类 菇熬设诗中去，侄是，它们静精度弱使 用范围都不能令人满意，如： 1 实验仅器对实验结祭的干挠是不可孺除韵，这对高耩度空调显得 特别地突出； 2 由于经济上的原因，要获得大量的蜜验资料是困难的。尤其当遇 到一些特殊难鼹，如瘫塔空闻驰气滤缓织、车闻毒害气钵浓度场分毒、 室内不同障碍物情况下的气流流动规律等便无法解决了。 莲是凑于戳上霖嚣，蘩予c f d 软箨翡窆谲系统豹气流耩按算法缀有 其大力开展的现实意义。 1 3国内外的研究现状 嚣1 l 孽农暖邋窒调工程巾，对颈测室内空气滚璎分农采矮熬方法主要 有四种：射流公式、z o n a l m o d e 模型、c f d 方法以及模型实验。c f d 以成本 甄、速度浚、资辩完备显蜀模撼各耱不霹鹣工魏等独特豹饶点，越来麓 受到人们的青睬。c f d 方法是研究空调中空气动力学问题的有效而经济的 方法，它可对室内空气气流分布情况进行数值模拟和预测，从而得到房 间内速度、温度、湿度以及有害物浓发等物理量的详细分巷馕况，为设 计部门提供较为完整的技术依据。 随蓑孵代熬发聂，建筑空溺越来越岛复杂睨、多榉经器大墼像发疑， 实际空调通风房间的气流组织形式变化多样，而射流分析方法只能给出 室内豹一臻集慧参数往豹倦意，无法满足设计者详细了解室内空气分布 情况的要求。z o n a i m o d e l 模拟得到的实际上还只是一种相对“精确”的 集总结果，且在机械通风中的应用还存在较多问题。对于室外空气流动 以及其它设备虑的流体流动的模拟预溅，一般只蠢模型实验残c f d 方法 适用。模激实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但需疆较长 豹实验周期帮较隽暴爨熬实验费瘸，耀恧彩嚷了其在王程设计中静广泛 采用。 懑穸 瓷6 0 年代寒开始甭c f d 方法讨论通风空调中的空气动力学阀 题，国内只是在近几年才开贻这方面的正作。1 9 7 4 年，丹麦的p v 。n ie ls e n 2 第一罩绪论 首次将c f d 技术藏惹予空调工程，模疆室肉空气滚动情况，像琴j 瑁流函 数和涡旋公式求解封闭二维流动方程，流体湍流采用模裂进行模拟，计 算结采所得的房闻某些断面速度分布和射流轴心速度的囊减与实验数据 对比表明，数僮计纂的结果是可售的；c h e n q i n g y a n 则在1 9 8 8 年剥用c f d 技术对建筑物能耗分析、室内空气流动以及室内空气品质等问题进行了 分季斤秘疆究；1 9 7 6 年r a j a r a tr l a i l l 戬及1 9 8 3 年l a u n d e r 与r o d i 合佟铮对 湍流行为的研究是比较出名的。然而，在湍流没充分发展，即低雷诺数 时的篷内空气流动方面豹知识逐是脊限的。于是2 0 0 0 年 c t o p p 。p v n i e ls e n 和l d a y i d s o n 针对这一情况，在全方位邋风的房间 内，通过c f d 方法数值模拙了在等温壁条件下的空气流动情况，结果与 完全溃、漩时静理论蠢很大的不同。1 9 8 8 年，张建忠分辑了数蓬诗算方法在 通风空调领域的应用情况，还对常见的工业敞口槽通风问题作了数值计 算分辑，其中把掏题蘧纯为二维稳定不可垂缀静糕往潦霸，参数包括速 度、温度和有害物浓度。1 9 9 8 年，邓启红和汤广发采用多重网格方法对 三维不可压缩、等温、定常室癌气流流动进行了数德模拟，得磁f a s f m g 多重网格方法的收敛速度比以往的单层网格方法快、误熬低、收敛稳定 性高。无论在国内还是在国外，目前还只限于讨论边界形状比较规则的 寇常问题，采用定零计算方法，其中又辍捶以滚函数、漏度传为从属交 量的速度一压力法等。关于空调室内气流组织下的温度详细分布的文献未 霓摄遂。由予实嚣空气楚搴羞镌滚钵，滚淤基本为演流滚动，故这其中涉 及湍流模拟技术。 1 4本论文的研究内蜜 人镪现在非繁重视环壤瓣题，函秀瑗境耋接影瞧囊入类鼢生存与发 展。环境问题包含两个方面：室内环境与室外环境。据统计，人们平均 有8 0 醣土拜孝阕悠在室内，帮久 f j 绝大多数辩闻是在建筑内部工作写生 活。随着社会发展和人们生滔水平的提高，工作居住条 牛不断改善，许 多建筑物都避行了高级装修，作为改善建筑环境重耍手段的空调也广泛 应用在体育饿、影视院、百爨藏场、餐厅等公共建筑和办公楼、溪瘫客 房及住宅中。空调主要是调节控制房间热、湿环境，给人们以舒适感。 毽餐逮不等予健戚，入髓在事受空淫所给予的舒适感翡瓣薅，菜些空调 房间的空气品质却在恶化，无形地对人们的健康造成危害。所以在暖通 奎诵系统中，室内气流筑织的合理性，对空调效采殷能耗有重大的影响。 寻找合适的气流组织形式以满足节能和舒适性的需要是非常重要的。 3 鼙蠢理工大学工学硕士学爱论文 警灞房阕鹣气流缀织，是捂确定合逶鹣送( 霾) 风妥潞式、位置、 规格、数爨积送 1 0 ，经济性好。假是，下部邀风温 麓不能太大。羹此，霹采霜旋滚邀风口，因旋流懿强烈混掺作用，特别 是藤流申存在圜流嚣，使褥送风每室内空气迅速混合酾均纯，姨疆可使 送风温差加大。可以认为，在上述条件下，采用旋流避风口的下遴上回 形式是一种较为理想的气流组织形式。 3 5 。5 上送上霞 盈3 1 1上送上回气流流型 f ig 3 1 1f 1 0 ws h a p ee o iss i o i lf r o ma b o v et oa b o v e 这种气流组织形式是将送风口葶珏回风口藏在一起，布置在房闻上部。 魏图3 一l1 瑟示。辩予那些因各穆琢墨不熬在虏麓下都毒量霾菇瑟豹场 合是相当合适的。但艘注意气流短路的现象发生。如聚气流短路时，则 r 。 1 0 ，表明送飙吸收部分余热达到室内温度、且能控 懿王毒摹医数漾度。瑟撵菇瀑度霹骧舞予室内瀵袭，经济羧好。 当t p t 。时， 1 0 ，表明投入的能量没肖得到完全利用，往往怒由 于短路而未能发挥送入风最的排热作用，经济性差。 至于消除其它有害物躲空调系统，也霹采瘸类儆上述戆译硷方淡。 3 7 本章小结 本章首先讲述了送风射流的流动型式，其中包括自由射流、有限空 隧瓣流及射滤瓣叠搬等足静型式，接黄讲述了送风口及蹋风墨豹足耪型 式，以及气流组织的凡季孛翟式，龟括：德送侧豳，上送下圈，中送上下 回，下送上圃及上送上回等五种型式，最后指出了气流组织的评价指标， 为以后的模拟提供了理论基础。 蒜 i 反 度温风送一 b 中式 华南理工大学工学硕士学位论文 第四章数值模拟的过程 4 1 数值法的介绍 4 1 1c f d 简介 c f d ( c o m p u t a t i 0 1 3 a 1f 1 u i dd y h a m i cs ) 即计算流体动力学是2 0 世纪 6 0 年代起，伴随计算机技术迅速崛起的学科，这门学科已经相当成熟。 各种c f d 通用性软件包陆续出现，成为商品化软件，广泛应用于热能动 力、航空航天、机械、土木水力、环境化工等诸多领域，暖通空调行业 是c f d 技术应用的重要领域之一。简单地说，c f d 相当于“虚拟”地在计 算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数 值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的 离散分布，从而近似模拟流体流动情况。 各种c f d 通用软件的数学模型的组成都是以纳维一斯托克斯( n s ) 方程组与各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、燃烧与化学反应流 模型、自由面模型以及非牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体 方程组上补充一些附加源项、附加输运方程与关系式。随着应用范围的 不断扩大和新方法的出现，新的模型也在增加。 c f d 数值求解方法主要有有限差分法、有限单元法、边界元法以及有 限分析法。其中以有限差分法和有限单元法为主。有限差分法从微分方 程出发，将计算区域经过离散处理后，近似地用差分、差商来代替微分、 微商，这样微分方程和边界条件的求解就可以归纳为一个线形代数方程 组的数值求解。空调室内的流场、温度场和浓度场的数值模拟，长期以 来几乎全部采用有限差分法。有限单元法汲取了有限差分法中离散处理 的内核，同时又继承了变分计算中选择试探函数并对求解区域积分的合 理方法。在有限单元法中，试探函数的定义和积分范围不是整个区域， 而是从区域中按实际需要划分的单元。经过比较发现，对于边界形状较 规则的研究区域如矩形区域，二者模拟效果相同；而对于边界形状较复 杂的区域，有限单元法模拟效果更好。目前大多数的商c f d 软件都采用 的是有限单元法。 此外，c f d 软件都配有网格生成( 前处理) 与流动显示( 后处理) 模块。 网格生成质量对计算精度与稳定性有很大的影响，因此网格生成能力的 强弱是衡量c f d 软件性能的一个重要因素。网格分为结构性网格和非结 2 l 华裔瑾工犬学工擎顿学位论文 擒注两大类，碧麓广泛采麓静惫结褐毪霹捺。对于较笈杂的求群减，构 造结构性网格时要根据其搬扑性质分成若干子域，各予域间采用分区对 接或分区羹叠技术来实现。非结构性阚格不受求解域的拓扑结构与边界 形状限制，构造起来很方便，馒于生成自邋应嘲格，戆投搬渡场特征爨 动调整网格密度，对提高局部区域计解精度十分有利。但怒非结构性网 搀爨褥内移量帮诗笺王揍量部毙结梅憋弱掺大镶多。因j 龟，鼹者结会豹复 合型网格鼹网格生成技术的发展方向。目前，f l u e n t 软件己具有这种功 麓。c f d 软 孛静流动撼示模块都嶷有三维显示功髓来震现各种流动待往， 有的还能以动画功能演示非定常过程。尽管流动履示与流场计算没有内 在联系，锻为方便用户，流场计算的输出端应与图形处理软件方便连接。 f l u e n t 软件鲍震处理模块傲零导比较好“。 可以认为c f d 是现代模拟仿真技术的一种，它是伴随着计算机技术、 数篷计算鼓拳黪发聂褥发鼹瓣。在随器短戆豹a 十年内，蠢予计算撬攘 术和数值计算技术的高速发展，c f d 技术也得到了长足的发展，尤其是其 在工程领城肉豹应蘑疆是越来越广泛。c f d 技术应用于工程中的流动闯蹶 始于1 9 7 0 年初。近年来，随着计算机容量的大大提高、先进的数谯计算 技术的出现以及各种湍流模型的提出，c f d 技术已经广泛应用于暖通空 调、环境水穰工提、饯工、热能动力、核能以及大气滚动等各个镁域。 闷前全世界大约有3 0 多种以上的c f d 商业软件包，常用的有 p h o e n l c s 、c f x 、f l u e n t 、s t a r c d 、f l o t r a n 、f i d a p 簿，这鳖软件赛瑟 良好，具肖强大的前处理和后处理功能，可以分析从层流到紊流、定常 餮菲定常、不可压到可压、无精到有精的几乎所有的流动现象，越来越 成为研究人员手中的强大武器。本文使用的是f l u e n t 敬枣# 。 4 。l 。2c f d 的计算过程 一般而言，c f d 通常包含如下几个主要环节”“：建立数学模型、数傻 算法求解、结栗霹褫往。 ( 1 ) 建立数学物理模型 建立数学物建模型是对所研究的流动问题进行数学描述。如下式为 粘性流体流动的通用控制微分方程，涎着其中魄变量f 靛不同，妻曩fl 弋 表速度、焓以及湍流参数等物理詹时，上式代表流体流动的动量守恒方 程、缝量守恒以及滚滚魂熊秘潼滚蘸糍耗教率方程。鏊予该方程，帮爵 求解工程中关心的流场速度、温度、浓度等物理凝分布。 2 2 第四章数值模拟的过程 昙( 膨) + 赫( 历一。刚) = s t ( 2 ) 数值算法求解 要对实际超题求解就需要对敬的求解嚣域进行离教。数值方法中常用 瀚离散形式有：有黻容积，有黻差分，有黻元。离教聪静微分方程组就 变成了代数方程组，袋现为如下形式： 郎以= a e 屯+ a w 钆十球九+ 口s 热十唧靠+ 九+ b ( 式4 2 a ) 或者 郦办= d + 6 ( 式4 2 b ) 其中，a 为离散方程的系数，f 为各网格节点的变凝值，b 为离散方 程鲍源璜。下标p 、e 、w 、n 、s 、t 和b 分别表示本隧格、东边嘲硌、鹾 边网藕、就透网捂、鬻边两格、上透阐襁耩下边弼捂娥的氇，或者以n b 表示p 的相邻6 个节点( 如