fluen在温室通风研究中的应用

fluen在温室通风研究中的应用

0cfd和fluen研究温室通风的方法通常包括示云法、能量平衡法、热压风压效果模型法和风压风压法。随着计算机硬件技术的发展及CFD(ComputationalFluidDynamics)在通风问题研究中的优势,用CFD软件包对温室通风问题进行的研究越来越多。CFD在对温室通风研究中有其特殊的优势,能够实现温室内温度场及流场的可视化;可以灵活地设定模拟因素的可变及不变;对一些可变因素,如外界气候条件,温室类型及尺寸等,可以任意进行变换。其它的研究方法需要完美的试验设计,精密的仪器及准确的测量才能得到可信的结果,CFD方法则能节省时间、劳动力及花费。CFD已经被公认为是温室通风设计的有效工具[1~3]。而FLUENT是目前为止温室通风领域应用最多的CFD软件包。国外应用CFD研究温室通风从1989年开始,由于计算机硬件发展的限制,从1996年开始才有较多应用。学者的研究主要是模拟不同类型温室内的流场及温度场,为温室通风设计提供依据。早期模拟大多是对小型温室及比例温室模型的二维模拟,现已发展到对大型实际温室的三维模拟;早期模拟一般不考虑植物,现在已经可以将植物因素考虑在内,可以说模拟越来越接近真实情况。而国内从2003年开始才有少数几位学者在其学位论文中用到该方法,解决了机械通风温室中湿帘安装高度、通风窗的流量系数等问题,但应用技巧尚不成熟。在所有国内外关于FLUENT研究温室通风的文献中,大多是对应用原理的讨论及模拟结果的分析,较少介绍FLUENT模拟过程及细节步骤的处理,而这对于减少模拟过程的尝试及获得正确的模拟结果有影响。CFD计算结果的准确性与设计者对CFD技能掌握,模拟经验和设计者所掌握的流体力学知识有很大的相关性。本文旨在丰富FLUENT在温室通风研究中应用经验。1模拟前处理温室通风问题1.1湍流速度和流场的计算对于一个流体计算问题,首先要对所研究的问题做出一定的简化假设,以确立其物理模型。物理模型的建立主要应考虑如下几个因素:一是空间维数。二维或三维。二是时间因素。定常或非定常。三是流动型态。层流或湍流。对于湍流,要选定相应的湍流模型。四是物性参数。常物性或变物性,可压缩及不可压缩,牛顿流体及非牛顿流体。五是边界条件类型。二维模拟和三维模拟的区别:二维模型计算较为简单,需要的计算机资源相对要小;而三维模型较为复杂,但是能够更准确地描述实际情况,提供更多的信息。参考国外该方面的研究资料,这些学者均认为温室内气体流动为定常流动;如果是非定常流动,则要考虑随时间的变化,考虑时间上的离散。流体属于层流流动还是湍流流动,通常由雷诺数判断。在封闭大空间自然对流的计算中,通常采用瑞利数(Ra)作为湍流或层流的判断依据。根据瑞利准则,有由于连栋温室一般尺度很大,使得瑞利数也很大。当Ra>1010时,判定为湍流。参考相关文献,从以往的试验数据可以发现,自然对流情况下,温室内气流场Ra数有6×1011,2×107<Ra<2×1013,109~1011;强迫对流情况下,Ra数则更大。从而不难得出结论,在研究温室内气流场及温度场时,采用湍流模型进行计算模拟,是符合实际情况的。对于4m高的封闭空间,即使有0.1℃的温差,流动也是湍流。风速较小的自然通风温室,其空气流动可以近似地看成层流流动来进行模拟和预测。有人认为,在不考虑温室中植物的情况下,外界风速小于2.0~2.5m/s时,雷诺数小于4000时,这种简化常常是可行的。但是,对风速较大的自然通风温室(如广泛使用的Venlo温室)和几乎所有的机械通风温室,空气的湍流流动是不可忽略的,因此必须研究温室内的湍流流动。研究温室通风,其介质是空气,通常情况下,空气为可压流体,但在特定的流动条件下,可以按照不可压流体对待。温室领域内的温室内部空气流动问题,多为低速流动(流速在5m/s以下),流体温度或密度变化不大,故可将其看作不可压缩流体,可忽略由流体粘性力做功所引起的耗散热。一般来说,对于气体,在等温条件下根据理想气体状态方程式,可得此时将右侧展开,略去∆V与∆p的乘积,经整理得又因为描述流体压缩性的方程式为所以有如果忽略粘滞力的影响,而且位置高度相同时,根据伯努力方程得由流体引起的压强编号,其数量应当与动量的变化相同,若∆V/V0<<0.05(一般情况∆V/V0<0.05),则此流体可作为不可压缩流体处理。化工或其它某些过程所遇到的气体,流速较小,∆V/V0<<1,所以均可视为不可压缩流体。采用压力校正法作为低速不可压流动计算方法,而可压缩流动采用耦合法。通常情况下,空气、水等为牛顿流体。其次,还应考虑是否存在对流换热问题(自然对流和混合对流),是否存在导热与对流换热的耦合,是否要用到辐射换热模型,则涉及是否选择离散坐标辐射(DO)模型进行求解,是否要用多孔介质流动模型(有学者在研究温室内植物作用时将其作为多孔介质处理)。1.2温室内流场的利用物理模型建立完成后,要对所研究的对象进行几何造型。在过程中,要注意细节部位的处理,如果处理不当,将导致网格划分不成功。二维模拟中,要将所有对象形成面,三维中则要形成体,否则在FLUENT中将无法识别,计算不能继续。为了减小边界对温室内及周围流场的作用,保证温室水平及垂直方向的空气流动是自然流动,即模拟区的流场为充分发展的流场,温室通风模拟过程中,一般需要一个包括温室在内的计算域。数值分析发现,太小的计算域对模拟温室内部流场的特性有影响,如果太大则会导致计算量过大,有时也没有必要。计算域的选取也要经过反复尝试,当一个大的计算域和一个小的计算域相比计算结果精度差别不大时,则选取小的计算域。参考一些文献,在他们的研究中,计算域的设定有如下一些情况:二维模拟,32m×4.4m→78m×30m,2.2m×2m→4.2m×2.5m;三维模拟中,80m×70m×5m→160m×130m×20m,22m×8m×3m→82m×68m×24m。从上述计算域的设定来看,计算域的选取范围大概可以是:长宽方向上为温室长宽的2倍,高度方向为4~7倍。1.3网格质量及网格密度造型完成后,要接着对造型进行网格划分。一般用FLUENT的前处理软件gambit进行网格划分。在选择网格时,应该考虑:初始化的时间,计算花费,数值耗散。网格质量对计算精度和稳定性有很大的影响。网格质量包括:节点分布,光滑性以及歪斜的角度(skewness)。网格类型对计算结果很重要。用四面体网格划分复杂几何体及不同几何体的结合处的网格质量会很好;用四面体网格划分会比六面体划分的结果省时。网格质量对计算结果的准确性及计算结果是否收敛也非常重要。相邻网格间的网格尺寸相差太大,会导致计算错误。网格密度及网格分布很大程度上影响流动分布。室内气流比室外部分的网格重要得多,而贴近温室外部处的也很重要,这样才能得到温室上的真实压力。为使总网格有效利用,离温室越远,网格应该越大。网格划分完成后,可以对网格质量进行检测。对于整个计算域而言,要在温室内部及周边对网格进行加密,尤其是形体发生变化的区域和通风窗口处,这些区域的几何形体会对流动产生很大影响。基本上温室内部及周围的网格密度的比例为0.3,通风窗口及形体变换较大区可以设定为0.1。对于温室内部而言,梯度变换大的地方需要进行网格加密。一般需要加密的区有:墙面、植物区、土壤区和窗口,通常在这些区附近速度、压力和温度将发生较大变化。如果网格的密度继续减小,而计算结果的精度不再提高,则说明网格的密度已经足够。网格划分要在计算时间和计算精度两个方面间选取一个合理点。这个点的选取要经过反复尝试。2参数是fluent模拟中的确定2.1模型假设的确定当流体受热并且其密度随温度而变化时,密度变化引起的重力差异将会引发流体的流动。FLUENT可以模拟这种被称作自然对流(或混合对流)的浮力驱动的流动。对于温度有很小变化的自然对流问题,可以使用Boussinesq模型研究。除了动量方程的浮力项之外,该模型在所有解的方程中将密度看成常数。该假设用于对封闭腔内自然对流换热的数值计算,是为了便于处理由于温差而引起的浮力项。这一假设由3部分组成:一是流体中的粘性耗散忽略不计;二是除密度外其它物性为常数;三是对密度仅考虑动量方程中与体积力有关的项,其余各项中的密度亦作为常数。采用冷面温度Tc作为参考温度,则重力项中的温度可表示为其中,a为体积膨胀系数。用该模型要指定一个非零的重力影响(在OperatingConditions面板下),模型是非等温流动,那么由浮力产生的湍流动能将默认地总是被包含在k方程中。然而,FLUENT没有默认地将浮力的影响包含到ε方程中。要想把浮力影响包含到ε方程中来,必须打开ViscousModel面板下的FullBuoyancyEffects(全浮力影响)选项。该选项对3个k-ε模型和雷诺应力模型都是有用的。2.2boussi现行参数对动力粘度的影响空气物理特性设定:1)密度,用理想气体状态方程;2)比热Cp查表;3)热传导系数(ThermalConductivity)为4)动力粘度(Viscosity)为特殊的一点是用Boussinesq假设时参数设定,要选择boussinesq作为流体密度(Density);并要为流体介质设定热扩散系数(ThermalExpansionCoefficientβ,在Boussinesq假设中使用),即计算域边界设定为0压力梯度,在计算域上设定固定温度和湿度条件,出口流速由软件包计算,自动满足连续方程。2.3uh、z0和uh模型许多温室通风模拟中,上风向边界处风速的给定是高度方向上的函数。入口速度为摩擦速度为其中,K是常数,等于0.402;z是高度;z0是摩擦长度;uh是参考速度。其中,Cµ是模型常数,在k-ε模型中为0.09,湍动强度取20%。也有用试验回归值的,即其中,K是常数,等于0.4;摩擦速度u*根据实际情况取值;摩擦长度可根据当地风速试验测试得到;z0为0.009和0.015。风压模拟中,室外风速的给定一般为均一值,即统一给定一个风速值。2.4fluen模型1)操作条件(OperatingConditions)设定。特别需要注意的是用Boussinesq假设时,要输入重力加速度数值(带正负号,FLUENT中默认的重力加速度为零);还要给出参考温度,不需要给参考密度。如果使用不可压理想气体定律,要在操作条件面板中检查操作压力的数值(非零值),对于所有的浮力驱动流,操作压力的设定是很重要的。在此,要注意区分绝对压强(以压强0为计算标准得到的压强值)和相对压强(以标准大气压为计算标准得到的压强)两个概念。若需要,在OperatingConditions面板中设定OperatingTemperature。2)边界条件定义(BoundaryConditions……)。在压力入口和出口边界处所输入的边界压力是重新定义的压力。一般说来,如果没有外部强加的压力梯度,FLUENT模型在入口和出口边界处的压力应该是相等的。3)Solve/Controls/Solution……。在解控制面板中,设定欠松弛因子及压力速度耦合的求解法和变量的离散化方法,或者选择加权的体积力,在近壁面增加单元以解决边界层问题。如果你使用四边形或六面体网格并使用分离解算器,推荐选择PRESTO为压力的离散方法。4)SolveInitializeInitialize……Initializetheflowfield,输入可能得到的结果。k可以取入口动能的5%,ε=0.12/3k(参考)。3在温室通风模拟中，解决策略3.1按温室内部网格进行计算为了减少计算时间,可以将计算分为两步:一是将计算域及温室划分粗网格,在此条件下计算;二是只对温室内部划分细网格,进行计算。第一步模拟出的温室窗口处的流动作为第二部模拟计算的动力边界。如果这种方法计算起来收敛有困难,则只能用两者之间的一个网格距离进行计算,在计算时间及计算精度两个方面取中和。3.2流动方程求解对于流动与传热耦合问题(如模型中包含有依赖于温度的介质属性或浮力),在计算能量方程之前,用户可以首先求解流动方程。获得收敛的流场计算结果后,再选择能量方程,然后同时求解流动与传热方程,最终获得问题的完整解。3.3时间步的确定设置初始条件时,可以读入稳态计算结果作为初始值。设定时间相关项处理方法(如果采用一阶或者二阶隐式,需要设置如下参数):一是每个时间步最多积分次数;二是时间步长∆t