毕业设计基于Fluent的工厂自然通风设计与实现

本文格式为Word版，下载可任意编辑——毕业设计基于Fluent的工厂自然通风设计与实现

摘要

自然通风可以有效的降低工业车间的作业温度，与机械通风相比，几乎没有能源消耗且经济环保，初期投资和运行成本都远低于机械通风，通过空气对流有效的排出室内有害气体，从而极大的改善室内的作业环境。但是如何使厂房获得最大的通风效率就成为了一大课题。

本文利用CFD技术对某钢铁厂车间进行了数值模拟，根据热压和风压同时作用下的自然通风理论，使用Gambit前处理软件设计出该钢铁厂车间模型，由于厂房顶部形状不规则，网格划分采用周边体形，选择标准k-ε湍流模型、DO辐射模型和有限体积法，对该厂房的进风口、排风口等边界条件进行了设置与赋值，利用Fluent软件对该车间的自然通风状况进行了数值模拟和计算，并得到速度分布效果图与温度分布效果图，分析车间在热压作用下的自然通风规律。

通过使用控制变量法对不同工况条件下影响通风效率的因素逐一进行探讨并得出结论：在厂房几何尺寸，其他工况条件不变的状况下，通过改变进风口高度h分析其对通风效率的影响，h为4m时比2.5m的通风效率高；通过进风口速度的结果图对比得出进风速度v越大，自然通风效果越明显；改变排风天窗的面积S时，通过对模拟图的分析得出150m2的通风天窗效果比100m2的好。适当的进风口高度h和适当的排风口面积S以及尽可能大的进风速度v能够有效的提高厂房的通风效率，对工业厂房的设计有一定的参考意义。

Hk?(A)0.5(m)（2-7）

式中A——建筑物横截面积，m2。

了解建筑物周边气流运动状况，不但对自然通风计算，天窗形式的选增和配置有重要意义，而且对通风、空调系统的进、排风口的配置也有重大影响。局部排风系统排放的有害物质浓度不符合排放标准要求时，如将其排入气流负压区内，有害物质会逐渐积聚，如有机械进风口布置在该区域，有害物质会随进风进入厂房。

室外气流吹过建筑物时，其四周的静压力分布如图2-2，迎风面为正压区，顶部及背风面均为负压区。双凹形天窗的窗孔2和4，从局部看处于迎风面，由于它处于整个建筑所造成的空气动力阴影之内，所以窗孔2.4处均为负压。

图2-3双凹形天窗

和远处未受到扰动的气流相比，由于风的作用在建筑物表面所形成的空气静压力变化称为风压。某一建筑物周边的风压分布与该建筑的几何形状和室外的风向有关，风向一定时，建筑物外围护结构上某一点的风压值可用下式表示：

vw2?w(Pa)（2-8）Pf?K2

式中K——空气动力系数；

vw——室外空气流速，m/s；

?w——室外空气密度，kg/m3。

K值为正，说明该点的风压为正值；K值为负，说明该点的风压为负值。不同形状的建筑物在不同方向的风力作用下，空气动力系数分布是不同的，空气动力系数要在风洞内通过模拟试验求得。

同一建筑物的外围护结构上，假使有两个风压值不同的窗孔，空气动力系数大的窗孔将会进风，空气系数小的窗孔将会排风。如图2-3所示的建筑，处在风速为vw的风力作用下，由于tn=tw，没有热压的作用。在风的作用下，迎风面窗孔的风压为Pfa，背风面窗孔的风压为Pfb（Pfa＞Pfb），窗孔中心平面上室

8

内的压力为Pn，余压为Px。在窗孔a、b均未开启时，可以看出室内个点的余压均相等，而且均等于零。

图2-3风压作用下的自然通风

假使先开启窗孔a，关闭窗孔b，不管窗孔a的内外压差大小，由于空气的滚动，室内的压力会逐渐升高。当室内的压力Pna等于窗口a的风压时，即Pna=Pfa，空气中止滚动。此时室内的余压Pxa=Pna。所以在风压单独作用下，窗孔a的内外压差为：

aP?Pa?Pna?Pfa?Px?（2-9）

假使在开启窗孔b，由于Pna＞Pfb，空气会由窗孔b流出。随着室内空气的

流出，室内的压力下降，这时Pfa＞Pna＞Pfb，一直到由窗孔a流入的空气量和由窗孔b流出的空气量相等，室内压力（室内余压）Pna保持稳定。

2.4风压、热压同时作用下的自然通风

某一建筑物受到风压、热压同时作用时，外围护结构各窗孔的内、外压差就等于风压、热压单独作用时窗孔内外压差之和，也就是等于各个窗孔的余压和室外风压之和。

vwpxbbKbhtwρwtnρn

apxa

Ka

图7-7图2-4风压热压同时作用下的自然通风风压热压共同影响下的自然通风

如图2-4所示的建筑，窗孔a的内外压差为:

9

vw2?Pa?Px?aKa?w2（2-10）窗孔b的内外压差为：

vw2vw2?Pb?Pxb?Kb?w?hg(?w??n)?Kb?w22(Pa)（2-11）

式中Pxa——窗孔a的余压，Pa；

Pxb——窗孔a的余压，Pa；

Ka、Kb——窗孔a和b的空气动力系数；

h——窗孔a和b之间的高差，m。

由于室外的风速和风向是经常变化的，不是一个稳定的因素。为了保证自然通风的设计效果，根据《采暖通风与空气调理设计规范》的规定，在实际计算时仅考虑热压的作用，风压的作用一般不考虑，但必需定性的考虑风压对自然通风的影响。

10

第三章数值模拟的过程

3.1计算流体动力学的研究方法和步骤

计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics，简称CFD)，是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体滚动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可以归纳为：把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD可以看作是在流体基本方程(质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程)控制下对流体进行的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到在极其繁杂问题的流场内各个位置上的基本物理，如速度、压力、温度和浓度等的分布，以及这些物理量随时间的变化状况，还可以据此算出相关的其他物理量[9]。

单纯试验测试计算流体动力学图3-1表示了三者之间的“三维〞流体力学示意图

CFD方法与传统的理论分析方法、试验测量方法组成了研究流体滚动问题的完整体系，如图3-1说明白表征三者之间关系的“三维〞流体力学。

理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素明了可见，是指导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性状况，只有少数滚动才能给出解析结果。

试验测量方法所得到的试验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而，试验往往受到模型尺寸，流场扰动，人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得到结果。此外，试验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大花费及周期长等大量困难。

CFD方法恰好战胜了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理试验。数值模拟可以形象地再现滚动情景，与做试验没有多大区别。但目前受到边界条件及计算机计算精度等因素的影响，CFD计算还是有一定的误差[10]。

11

单纯理论分析

CFD可以应用于所有与流体相关的领域。无论在哪个领域中，为了得到满意的答案，CFD的研究寻常应当遵循以下的步骤：

1.问题的界定和滚动区域的几何描述。应明确要解决的问题中流场的几何形状，滚动条件和对于数值模拟的要求。几何形状寻常来源于对于已知滚动区域的测量。

2.选择主控方程和边界条件。主控方程指在数值计算过程中要求解的方程。在问题确定后，必需选择滚动的主控方程和边界条件。简化模型包括势流方程，边界层方程，k-ε方程等等。根据问题的特点，可以考虑定常或非定常，可压或不可压得滚动模型。边界条件可以有固体壁面条件、进流、出流条件、周期条件、对称条件等。边界条件寻常依靠于主控方程，如在固体壁面，方程要求采用不可渗透条件，而k-ε方程要求无滑移条件。假使有必要，我们还需要采用一些附加的物理模型，最典型的例子就是湍流模型。

3.确定网格划分策略和数值方法。在CFD中，网格划分可以有各种不同的策略，如结构网格、非结构网格、组合网格、重叠网格等。网格可以是静止的，也可以是运动的，还可以根据数值动态调整(自适应网格)。CFD中的数值方法有有限差分法、有限体积法、有限元法、谱方法等。数值方法和网格划分方法策略是相互关联的

4.数值解的评价和解释。通过在计算机上调试，运行上述软件得到数值解。对数值解进行分析是CFD中十分重要的环节，也称为后处理。后处理包括计算感兴趣的力、力矩；包括应用流场可视化的软件对于流场进行显示、分析；包括对于数值方法和物理模型的误差进行评估等等。

3.2流体动力学基本方程

流体动力学的基本方程包括描述流体滚动的质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律方程[11]。

1．质量守恒方程

任何滚动问题都必需满足质量守恒定律。该定律可以表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。依照这一定律，可以得出质量守恒方程：

??