Fluent軟件在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用

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1.CFD技術(shù)概況
    CFD(Computational Fluid Dynamics)即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是20世紀(jì)60年代起伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速崛起的學(xué)科,經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的迅猛發(fā)展,這門(mén)學(xué)科已經(jīng)相當(dāng)成熟。各種CFD通用性軟件包陸續(xù)出現(xiàn),成為商品化軟件,為工業(yè)界廣泛接受,性能日趨完善,應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,廣泛應(yīng)用于熱能動(dòng)力、航空航天、機(jī)械、土木水力、環(huán)境化工等諸多領(lǐng)域,暖通空調(diào)行業(yè)是CFD技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。
    各種CFD通用軟件的數(shù)學(xué)模型的組成都是以納維-斯托克斯方程組與各種湍流模型為主體,再加上多相流模型、燃燒與化學(xué)反應(yīng)流模型、自由面模型以及非牛頓流體模型等。大多數(shù)附加的模型是在主體方程組上補(bǔ)充一些附加源項(xiàng)、附加輸運(yùn)方程與關(guān)系式。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大和新方法的出現(xiàn),新的模型也在增加。
    CFD數(shù)值求解方法主要有有限差分法、有限單元法、邊界元法以及有限分析法。其中以有限差分法和有限單元法為主。有限差分法從微分方程出發(fā),將計(jì)算區(qū)域經(jīng)過(guò)離散處理后,近似的用差分、差商來(lái)代替微分、微商,這樣微分方程和邊界條件的求解就可以歸納為一個(gè)線(xiàn)形代數(shù)方程組的數(shù)值求解??照{(diào)室內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的數(shù)值模擬,長(zhǎng)期以來(lái)幾乎全部采用有限差分法。有限單元法汲取了有限差分法中離散處理的內(nèi)核,同時(shí)又繼承了變分計(jì)算中選擇試探函數(shù)并對(duì)求解區(qū)域積分的合理方法。在有限單元法中,試探函數(shù)的定義和積分范圍不是整個(gè)區(qū)域,而是從區(qū)域中按實(shí)際需要?jiǎng)澐值膯卧=?jīng)過(guò)比較發(fā)現(xiàn)對(duì)于邊界形狀較規(guī)則的研究區(qū)域如矩形區(qū)域,二者模擬效果相同;而對(duì)于邊界形狀較復(fù)雜的區(qū)域,有限單元法模擬效果更好。目前大多數(shù)的商用CFD軟件都采用的是有限單元法。
    此外,CFD軟件都配有網(wǎng)格生成(前處理)與流動(dòng)顯示(后處理)模塊。網(wǎng)格生成質(zhì)量對(duì)計(jì)算精度與穩(wěn)定性有很大的影響,因此網(wǎng)格生成能力的強(qiáng)弱是衡量CFD軟件性能的一個(gè)重要因素。網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)性?xún)纱箢?lèi)。目前廣泛采用的是結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。對(duì)于較復(fù)雜的求解域,構(gòu)造結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格時(shí)要根據(jù)其拓?fù)湫再|(zhì)分成若干子域,各子域間采用分區(qū)對(duì)接或分區(qū)重疊技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格不受求解域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與邊界形狀限制,構(gòu)造起來(lái)很方便,而且便于生成自適應(yīng)網(wǎng)格,能根據(jù)流場(chǎng)特征自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格密度,對(duì)提高局部區(qū)域計(jì)算精度十分有利。但是非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格所需內(nèi)存量和計(jì)算工作量都比結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格大很多。因此,兩者結(jié)合的復(fù)合型網(wǎng)格是網(wǎng)格生成技術(shù)的發(fā)展方向。目前,F(xiàn)LUENT軟件(后面要專(zhuān)門(mén)介紹)已具有這種功能。
    CFD軟件的流動(dòng)顯示模塊都具有三維顯示功能來(lái)展現(xiàn)各種流動(dòng)特性,有的還能以動(dòng)畫(huà)功能演示非定常過(guò)程。盡管流動(dòng)顯示與流場(chǎng)計(jì)算沒(méi)有內(nèi)在聯(lián)系,但為方便用戶(hù),流場(chǎng)計(jì)算的輸出端應(yīng)與圖形處理軟件方便連接。FLUENT軟件的后處理模塊做的比較好。
    下面具體針對(duì)目前市場(chǎng)占有率的FLUENT軟件闡述其應(yīng)用。
    2.FLUENT軟件的主要特點(diǎn)
    CFD通用軟件包的出現(xiàn)與商業(yè)化,對(duì)CFD技術(shù)在工程中應(yīng)用的推廣起了巨大的促進(jìn)作用。1998年,全球市場(chǎng)占有率的CFD軟件——FLUENT正式進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng),為目前CFD主流商業(yè)軟件,其市場(chǎng)占有率達(dá)40%左右。
    FLUENT軟件設(shè)計(jì)基于“CFD計(jì)算機(jī)軟件群的概念”,針對(duì)每一種流動(dòng)的物理問(wèn)題的特點(diǎn),采用適合于它的數(shù)值解法以在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到。
    FLUENT軟件的結(jié)構(gòu)由前處理、求解器及后處理三大模塊組成。FLUENT軟件中采用GAMBIT作為專(zhuān)用的前處理軟件,使網(wǎng)格可以有多種形狀。對(duì)二維流動(dòng)可以生成三角形和矩形網(wǎng)格;對(duì)于三維流動(dòng),可以生成四面體、六面體、三角柱和金字塔等網(wǎng)格;結(jié)合具體計(jì)算,還可以生成混合網(wǎng)格,其自適應(yīng)功能,能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分或粗化,或生成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑動(dòng)網(wǎng)格。FLUENT軟件采用的二階上風(fēng)格式是Barth與Jespersen針對(duì)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格提出的多維梯度重構(gòu)法(multi-dimensional gradient reconstruction),后來(lái)進(jìn)一步發(fā)展,采用最小二乘法估算梯度,能較好的處理畸變網(wǎng)格的計(jì)算。FLUENT率先采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格使其在技術(shù)上處于。
    FLUENT軟件的核心部分是納維-斯托克斯方程組的求解模塊。用壓力校正法作為低速不可壓流動(dòng)的計(jì)算方法,包括SIMPLE、SIMPLER、SIMPLEC、PISO等。采用有限體積法離散方程,其計(jì)算精度和穩(wěn)定性都優(yōu)于傳統(tǒng)編程中使用的有限差分法。離散格式為對(duì)流項(xiàng)二階迎風(fēng)插值格式——QUICK格式(Quadratic Upwind Interpolation for Convection Kinetics scheme),其數(shù)值耗散較低,精度高且構(gòu)造簡(jiǎn)單。而對(duì)可壓縮流動(dòng)采用耦合法,即連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程聯(lián)立求解。
    湍流模型是包括FLUENT軟件在內(nèi)的CFD軟件的主要組成部分。FLUENT軟件配有各種層次的湍流模型,包括有代數(shù)模型、一方程模型、二方程模型、湍應(yīng)力模型、大渦模擬等。應(yīng)用最廣泛的二方程模型是k-ε模型,軟件中收錄有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型及其幾種修正模型。
    FLUENT軟件的后處理模塊具有三維顯示功能來(lái)展現(xiàn)各種流動(dòng)特性,并能以動(dòng)畫(huà)功能演示非定常過(guò)程,從而以直觀的形式展示模擬效果,便于進(jìn)一步的分析。
    3.FLUENT在暖通空調(diào)中的應(yīng)用
    空調(diào)設(shè)計(jì)的最終目的是以經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及設(shè)備選型實(shí)現(xiàn)所要求的室內(nèi)氣候環(huán)境(溫度、氣流、污染物濃度等的分布)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)這些環(huán)境參數(shù)的合理控制,有必要把握其分布特征,CFD是除模型實(shí)驗(yàn)以外的可詳細(xì)解析三次元室內(nèi)氣流分布特征的手段。
    以傳統(tǒng)壁掛式空調(diào)室內(nèi)氣流組織為對(duì)象,用FLUENT軟件對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。
    3. 3. 1模型的建立
    設(shè)定空調(diào)的原始參數(shù)如下:
    幾何尺寸:770mm×240mm×180mm
    出風(fēng)角度:45°出風(fēng)速度:強(qiáng)風(fēng)送風(fēng)6m/s
    制冷(熱)量:2500W
    出風(fēng)溫度:制冷時(shí)18ºC,制熱時(shí)40ºC
    根據(jù)已知參數(shù),建立適當(dāng)?shù)姆块g有限元模型。為使結(jié)果盡可能接近真實(shí)情況,建立房間三維立體模型,長(zhǎng)、寬、高分別為5m、4m、3m。空調(diào)
    安裝在房間的窄面。簡(jiǎn)化的人體模型置于房間中央, 圖2 三維空調(diào)房間模型
    坐姿狀態(tài),本身不發(fā)熱,房間內(nèi)部無(wú)任何熱源。圖2為在GAMBIT中作的三維空調(diào)房間模型。
    邊界條件設(shè)定為:房間6面墻絕熱,制冷時(shí)室內(nèi)初始溫度為30ºC,制熱時(shí)為5ºC。
    采用整體(integral)連續(xù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu),運(yùn)用GAMBIT生成網(wǎng)格,計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為35000。采用k-ε湍流模型,計(jì)算時(shí)采用一階非穩(wěn)態(tài)分離計(jì)算,考慮重力影響,方程組求解用SIMPLE算法。
    3. 3. 2計(jì)算結(jié)果   
    用后處理的顯示功能可以清楚直觀的再現(xiàn)該降溫過(guò)程,產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以在此基礎(chǔ)上針對(duì)人體區(qū)域的變化情況,作出評(píng)價(jià)。發(fā)現(xiàn)人體垂直方向上存在溫度梯度,頭部比腳部溫度高,這是由于冷空氣較熱空氣密度大,向下趨勢(shì)明顯,從而導(dǎo)致房間下部要比高處降溫快。溫度差會(huì)造成人體局部性熱感不適,隨著時(shí)間推移溫度梯度逐步漸小,當(dāng)溫度場(chǎng)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),頭部比腳部溫度高出2ºC,滿(mǎn)足國(guó)際通用的舒適度指標(biāo)PMV與PPD提出的人體舒適工作條件的溫差為3ºC。
    4. 結(jié)論
    本文介紹了CFD技術(shù)的一般結(jié)構(gòu)以及發(fā)展?fàn)顩r,分析了作為主流CFD軟件——FLUENT軟件的主要特點(diǎn),最后舉例說(shuō)明了其在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用。利用商用軟件進(jìn)行計(jì)算是科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要手段,用FLUENT作流體分析無(wú)需編程,這樣能將大量的時(shí)間從編程這樣的操作性工作中節(jié)省出來(lái),使人們有更多的時(shí)間和精力考慮問(wèn)題的物理本質(zhì),優(yōu)化算法選用、參數(shù)的確定,大大提高工作效率。