装饰建材超市室内气流组织分布预测

装饰建材超市室内气流组织分布预测

1、模型评价在需求分析中的应用近年来，随着我国人民生活水平的提高和住房条件的改善，考虑到如何创造一个舒适、温暖的环境，人们在许多装饰和装饰材料商店和超市中创建了大量的便利店和超市，这些商店和超市的方向正在转向仓库中。由于仓储式超市多为封闭式建筑，自然通风条件差，为了创造一个良好的购物环境和健康的工作环境，提高生产率，装饰建材超市多设空调通风系统。但是，迄今为止，我国还没有专门针对装饰建材超市的室内气流组织分布的标准，这给装饰建材超市的空调通风和防排烟系统设计带来不便，于是对装饰建材超市的室内气流分布的预测对保证良好的气流组织设计方案、提高室内空气品质和降低能耗具有重要的指导意义。目前在暖通空调工程中预测室内空气分布的方法主要有四种：1.射流公式。传统的射流理论分析方法采用的是基于某些标准或理想条件理论分析或试验得到的射流公式对空调送风口射流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测，但是，由于建筑空间越来越复杂化、多样化和大型化，实际空调通风房间的气流组织形式变化多样，势必会带来较大的误差。并且，射流分析方法只能给出室内的一些集总参数性的信息，不能给出设计人员所需的详细资料，无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求。2.Zonalmodel是将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参数如温度、浓度相等，而区域间存在热质交换，通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布以及流动情况，因此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。3.模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，难于在工程设计中广泛采用。4.CFD(CFD:ComputationalFluidDynamics）模拟。CFD具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，并且当前计算机技术的发展，使CFD方法的计算周期和成本完全可以为工程应用所接受。因此，CFD方法越来越多地应用于暖通空调中对室内空气分布情况的模拟和预测，从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。2、紊流运动的稳定性自然界和科学及工程问题中存在的流动现象绝大多数是高度复杂的非稳态紊流流动。不过无论紊流运动如何复杂，非稳态的N-S方程对于紊流的瞬时运动仍适用。但因紊流运动各物理量变化极不规则，需有波数很高的富里哀分量才能描述高频脉动，且其系数也随时间变化，所以，完全准确地对每个特定的紊流进行严格的时间相关的数学描述几乎不可能。但是，为了处理工程问题还是需要使用各种方法，数值模拟以其快速，完备等特点便成为一种主要的研究方法。已经采用的数值计算方法大致可以分为三类：直接模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和雷诺时均方程法（RANS）。2.1数值模拟算法的应用最初由Orszag及其合作者于七十年代初提出来。是用非稳态的N-S方程来对紊流进行直接计算，求解流动中的所有尺度。直接模拟是研究紊流机制的主要工具之一，是一种非常理想的模拟方法，所得结果的误差仅是一般数值计算所引起的那些误差，并且可以根据需要而加以控制。但是要对高度复杂的紊流运动进行直接的数值计算，必须采用很小的时间和空间步长，因此直接模拟需要巨大的存储量和计算量，远远超出了现阶段计算机的承受能力。目前的计算机容量和速度使得直接模拟只能局限于相当低的雷诺数和简单、规则的几何形状的流动问题。直接模拟是未来紊流数值模拟的一个重要发展方向。2.2大豫模型的原理最早由气象学家Smagorinsky于1963年提出。按照紊流的涡旋学说，紊流运动由不同尺度的旋涡组成，紊流的脉动与混合主要是由大尺度的旋涡造成的。大尺度的涡从主流获得能量，对紊流能量和雷诺应力的产生以及对各种量的紊流扩散起主要作用，具有高度各向异性且随流动情形而异。大尺度的涡通过相互作用把能量传递给小尺度的涡。小尺度涡的主要作用是耗散能量，在高雷诺数下几乎是各向同性，受边界条件的影响较小，不同流动中的小尺度涡有许多共性。大涡模拟的基本思路是在流场的大尺度结构和小尺度结构之间选一滤波宽度对控制方程进行滤波，把紊流的瞬时运动分解成大尺度涡和小尺度涡两部分。用非稳态的N—S方程来直接模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡，小尺度涡对大尺度涡的影响在运动方程中表现为类似于雷诺应力一样的应力项——亚格子雷诺应力，通过建立亚格子模型来模拟。对于较高雷诺数的简单几何条件的紊流流动模拟，在采用适当的亚格子模式的情况下，大涡模拟结果的准确度很高，是一种现实可行的方法。大涡模拟建立在紊流统计理论和拟序结构认识的基础上，克服了传统紊流模型中时均处理和普适性方面所存在的缺陷，适应了紊流研究的需要，对于我们深入认识紊流流动的物理本质以及进一步研究紊流流动的控制技术有重要的指导作用。大涡模拟仍需要比较大的计算机容量，除有待于计算机的改进之外，亚格子模型是大涡数值模拟的关键，在克服了方法本身的不完善之后，大涡模拟有可能最后成为合理的工程计算方法。2.3紊流模型的建立雷诺时均方程法早在1895年就已经问世。目前，工程上用来计算不可压缩流体紊流运动的基本方法是求解雷诺平均N-S方程组。RANS是将非稳态的N—S控制方程组作时间平均运算，紊流的各种瞬时量被分解为时均值和脉动值之和，如等，在所得的时均方程中会出现脉动值的乘积的时均值这一类新未知量如从而方程个数小于未知量的个数，方程组不封闭。要使方程组封闭，必须作出假设，即建立紊流模型，把未知的更高阶的时间平均值表示成较低阶的在计算中可以确定的量的函数。根据雷诺应力的确定方式可以分为两大类：雷诺应力方程法和紊流粘性系数法。下面介绍暖通空调中用得最多的紊流粘性系数法中k-ε紊流模型。3、基于壁面函数模型的空调响应面模型暖通空调工程空气射流属于常温、常压及低速下的流动，可看作是三维不可压缩流体紊流运动，紊流模型则以k-ε模型居多。高雷诺数k-ε模型包括k方程、ε方程、连续性方程、动量方程及能量方程，适用于离开壁面一定距离的高雷诺数紊流区域。紊流雷诺数,当某区域的雷诺数大于1就称为高雷诺数区域，此区域内分子粘性可忽略。空调房间内气流具有高雷诺数，壁面附近视为具有简单的紊流边界层，采用壁面函数法。将高雷诺数k-ε模型与壁面函数法结合就可模拟整个室内气流组织了。引入Boussinesq假设，将雷诺应力表示为式中，单位质量流体紊流脉动动能，，紊流粘性系数，ε为紊流能量耗散率。将N-S方程推得k-ε方程为：其中：cµ=0.09,cε1=1.44,cε2=1.92,σk=1.0,σε=1.334、数值方法4.1其他特殊问题的突破离散化方法是将微分方程变成等效的、近似的代数方程的各种方法。用不同的方法将建立的数学模型微分方程离散化和求解就得到不同的离散格式。常用的方法有有限差分法（FDM）、有限单元法（包括有限元法（FVM）、有限体积法(FVM)、边界元法（BEM））、双曲型方程的特征线法以及对流扩散方程的有限解析法（FAM）、发展方程的谱方法（SM）。也有为达到更高的计算效率或适应特殊的需要，针对一些特殊问题的特殊方法。如泊松方程求解的直接方法。无论是那种离散方法建立的离散格式方程，除了要考虑与微分方程的相容性外，还要考虑它的稳定性、收敛性、守恒性以及对流项的迁移特性等。他们既是影响离散格式的准确性的因素，又对离散格式的经济性（计算时间与所需内存）构成影响。根据分段差值函数的不同，常用的差分格式分为中心差分格式，迎风格式、幂次律格式和QUICK格式等。4.2压缩流的分类将控制方程组和边界条件离散后得到的是关于速度和压力的代数方程组，离散后得到的代数方程的数值解法有两类：一、用速度、压力（或密度）作为基本变量的原始变量法；二、取涡量、流函数作为变量的涡量流函数法。针对不可压缩流的特殊问题，已发展了若干计算方法，如人工可压缩法、压力修正法、投影法、罚方法、辅助势法等。在室内流场计算中多使用压力修正法，使用SIMPLE算法求解不可压缩流动中的压力与速度的耦合问题。5、相关问题的处理空调设计最终目的是以经济技术合理的系统设计及设备选型来实现所要求的室内气候环境（温湿度、气流、污染物质浓度等的分布），实现对这些环境参数的合理控制，把握其分布特征。用数值模拟来达到目的方法很多，模型也很多，有些因理论不完善，有些因计算量过大耗时过多而在工程上不可行。而工程上常用高雷诺数k-ε模型与壁面函数法结合模拟整个室内气流组织，使用SIMPLE算法求解，但仍有些问题要特别注意。(1)空调方式、空调负荷的不确切性：现实中，许多CFD解析，为了简化边界条件，减少输入条件，往往将空调负荷作为固定的边界条件，但严格来讲，室内空调负荷是受室内气流、温度分布影响的。(2)边界条件的变动处理：当解析对象空间是独立空间时，解析范围、边界条件的确定是较容易的。但解析对象是半开放空间（如中庭开放空间），与其他空间相接时，就要求对相互影响加以考虑。在有限的计算机容量、能力、时间等的限制下，对包括邻接空间在内的全域进行解析是困难的，而且在经济、技术上也不合理，这样往往就要求对其作合理的变动处理，人为地设定一些边界条件，例如在半开放空间边界上将风速、温度或压力等做出假定。(3)风口边界条件的模式化：CFD解析时需将解析对象空间分割成微