裝飾建材超市室內(nèi)氣流組織分布預(yù)測(cè)

裝飾建材超市室內(nèi)氣流組織分布預(yù)測(cè)

1、模型評(píng)價(jià)在需求分析中的應(yīng)用近年來(lái)，隨著我國(guó)人民生活水平的提高和住房條件的改善，考慮到如何創(chuàng)造一個(gè)舒適、溫暖的環(huán)境，人們?cè)谠S多裝飾和裝飾材料商店和超市中創(chuàng)建了大量的便利店和超市，這些商店和超市的方向正在轉(zhuǎn)向倉(cāng)庫(kù)中。由于倉(cāng)儲(chǔ)式超市多為封閉式建筑，自然通風(fēng)條件差，為了創(chuàng)造一個(gè)良好的購(gòu)物環(huán)境和健康的工作環(huán)境，提高生產(chǎn)率，裝飾建材超市多設(shè)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)。但是，迄今為止，我國(guó)還沒(méi)有專門(mén)針對(duì)裝飾建材超市的室內(nèi)氣流組織分布的標(biāo)準(zhǔn)，這給裝飾建材超市的空調(diào)通風(fēng)和防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)不便，于是對(duì)裝飾建材超市的室內(nèi)氣流分布的預(yù)測(cè)對(duì)保證良好的氣流組織設(shè)計(jì)方案、提高室內(nèi)空氣品質(zhì)和降低能耗具有重要的指導(dǎo)意義。目前在暖通空調(diào)工程中預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣分布的方法主要有四種：1.射流公式。傳統(tǒng)的射流理論分析方法采用的是基于某些標(biāo)準(zhǔn)或理想條件理論分析或試驗(yàn)得到的射流公式對(duì)空調(diào)送風(fēng)口射流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是，由于建筑空間越來(lái)越復(fù)雜化、多樣化和大型化，實(shí)際空調(diào)通風(fēng)房間的氣流組織形式變化多樣，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)較大的誤差。并且，射流分析方法只能給出室內(nèi)的一些集總參數(shù)性的信息，不能給出設(shè)計(jì)人員所需的詳細(xì)資料，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)者詳細(xì)了解室內(nèi)空氣分布情況的要求。2.Zonalmodel是將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域，認(rèn)為區(qū)域內(nèi)的相關(guān)參數(shù)如溫度、濃度相等，而區(qū)域間存在熱質(zhì)交換，通過(guò)建立質(zhì)量和能量守恒方程并充分考慮了區(qū)域間壓差和流動(dòng)的關(guān)系來(lái)研究房間內(nèi)的溫度分布以及流動(dòng)情況，因此模擬得到的實(shí)際上還只是一種相對(duì)“精確”的集總結(jié)果，且在機(jī)械通風(fēng)中的應(yīng)用還存在較多問(wèn)題。3.模型實(shí)驗(yàn)雖然能夠得到設(shè)計(jì)人員所需要的各種數(shù)據(jù)，但需要較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)周期和昂貴的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，難于在工程設(shè)計(jì)中廣泛采用。4.CFD(CFD:ComputationalFluidDynamics）模擬。CFD具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，并且當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使CFD方法的計(jì)算周期和成本完全可以為工程應(yīng)用所接受。因此，CFD方法越來(lái)越多地應(yīng)用于暖通空調(diào)中對(duì)室內(nèi)空氣分布情況的模擬和預(yù)測(cè)，從而得到房間內(nèi)速度、溫度、濕度以及有害物濃度等物理量的詳細(xì)分布情況。2、紊流運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性自然界和科學(xué)及工程問(wèn)題中存在的流動(dòng)現(xiàn)象絕大多數(shù)是高度復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)紊流流動(dòng)。不過(guò)無(wú)論紊流運(yùn)動(dòng)如何復(fù)雜，非穩(wěn)態(tài)的N-S方程對(duì)于紊流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)仍適用。但因紊流運(yùn)動(dòng)各物理量變化極不規(guī)則，需有波數(shù)很高的富里哀分量才能描述高頻脈動(dòng)，且其系數(shù)也隨時(shí)間變化，所以，完全準(zhǔn)確地對(duì)每個(gè)特定的紊流進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)間相關(guān)的數(shù)學(xué)描述幾乎不可能。但是，為了處理工程問(wèn)題還是需要使用各種方法，數(shù)值模擬以其快速，完備等特點(diǎn)便成為一種主要的研究方法。已經(jīng)采用的數(shù)值計(jì)算方法大致可以分為三類：直接模擬（DNS）、大渦模擬（LES）和雷諾時(shí)均方程法（RANS）。2.1數(shù)值模擬算法的應(yīng)用最初由Orszag及其合作者于七十年代初提出來(lái)。是用非穩(wěn)態(tài)的N-S方程來(lái)對(duì)紊流進(jìn)行直接計(jì)算，求解流動(dòng)中的所有尺度。直接模擬是研究紊流機(jī)制的主要工具之一，是一種非常理想的模擬方法，所得結(jié)果的誤差僅是一般數(shù)值計(jì)算所引起的那些誤差，并且可以根據(jù)需要而加以控制。但是要對(duì)高度復(fù)雜的紊流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行直接的數(shù)值計(jì)算，必須采用很小的時(shí)間和空間步長(zhǎng)，因此直接模擬需要巨大的存儲(chǔ)量和計(jì)算量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)的承受能力。目前的計(jì)算機(jī)容量和速度使得直接模擬只能局限于相當(dāng)?shù)偷睦字Z數(shù)和簡(jiǎn)單、規(guī)則的幾何形狀的流動(dòng)問(wèn)題。直接模擬是未來(lái)紊流數(shù)值模擬的一個(gè)重要發(fā)展方向。2.2大豫模型的原理最早由氣象學(xué)家Smagorinsky于1963年提出。按照紊流的渦旋學(xué)說(shuō)，紊流運(yùn)動(dòng)由不同尺度的旋渦組成，紊流的脈動(dòng)與混合主要是由大尺度的旋渦造成的。大尺度的渦從主流獲得能量，對(duì)紊流能量和雷諾應(yīng)力的產(chǎn)生以及對(duì)各種量的紊流擴(kuò)散起主要作用，具有高度各向異性且隨流動(dòng)情形而異。大尺度的渦通過(guò)相互作用把能量傳遞給小尺度的渦。小尺度渦的主要作用是耗散能量，在高雷諾數(shù)下幾乎是各向同性，受邊界條件的影響較小，不同流動(dòng)中的小尺度渦有許多共性。大渦模擬的基本思路是在流場(chǎng)的大尺度結(jié)構(gòu)和小尺度結(jié)構(gòu)之間選一濾波寬度對(duì)控制方程進(jìn)行濾波，把紊流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)分解成大尺度渦和小尺度渦兩部分。用非穩(wěn)態(tài)的N—S方程來(lái)直接模擬大尺度渦，但不直接計(jì)算小尺度渦，小尺度渦對(duì)大尺度渦的影響在運(yùn)動(dòng)方程中表現(xiàn)為類似于雷諾應(yīng)力一樣的應(yīng)力項(xiàng)——亞格子雷諾應(yīng)力，通過(guò)建立亞格子模型來(lái)模擬。對(duì)于較高雷諾數(shù)的簡(jiǎn)單幾何條件的紊流流動(dòng)模擬，在采用適當(dāng)?shù)膩喐褡幽Ｊ降那闆r下，大渦模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度很高，是一種現(xiàn)實(shí)可行的方法。大渦模擬建立在紊流統(tǒng)計(jì)理論和擬序結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，克服了傳統(tǒng)紊流模型中時(shí)均處理和普適性方面所存在的缺陷，適應(yīng)了紊流研究的需要，對(duì)于我們深入認(rèn)識(shí)紊流流動(dòng)的物理本質(zhì)以及進(jìn)一步研究紊流流動(dòng)的控制技術(shù)有重要的指導(dǎo)作用。大渦模擬仍需要比較大的計(jì)算機(jī)容量，除有待于計(jì)算機(jī)的改進(jìn)之外，亞格子模型是大渦數(shù)值模擬的關(guān)鍵，在克服了方法本身的不完善之后，大渦模擬有可能最后成為合理的工程計(jì)算方法。2.3紊流模型的建立雷諾時(shí)均方程法早在1895年就已經(jīng)問(wèn)世。目前，工程上用來(lái)計(jì)算不可壓縮流體紊流運(yùn)動(dòng)的基本方法是求解雷諾平均N-S方程組。RANS是將非穩(wěn)態(tài)的N—S控制方程組作時(shí)間平均運(yùn)算，紊流的各種瞬時(shí)量被分解為時(shí)均值和脈動(dòng)值之和，如等，在所得的時(shí)均方程中會(huì)出現(xiàn)脈動(dòng)值的乘積的時(shí)均值這一類新未知量如從而方程個(gè)數(shù)小于未知量的個(gè)數(shù)，方程組不封閉。要使方程組封閉，必須作出假設(shè)，即建立紊流模型，把未知的更高階的時(shí)間平均值表示成較低階的在計(jì)算中可以確定的量的函數(shù)。根據(jù)雷諾應(yīng)力的確定方式可以分為兩大類：雷諾應(yīng)力方程法和紊流粘性系數(shù)法。下面介紹暖通空調(diào)中用得最多的紊流粘性系數(shù)法中k-ε紊流模型。3、基于壁面函數(shù)模型的空調(diào)響應(yīng)面模型暖通空調(diào)工程空氣射流屬于常溫、常壓及低速下的流動(dòng)，可看作是三維不可壓縮流體紊流運(yùn)動(dòng)，紊流模型則以k-ε模型居多。高雷諾數(shù)k-ε模型包括k方程、ε方程、連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程，適用于離開(kāi)壁面一定距離的高雷諾數(shù)紊流區(qū)域。紊流雷諾數(shù),當(dāng)某區(qū)域的雷諾數(shù)大于1就稱為高雷諾數(shù)區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)分子粘性可忽略。空調(diào)房間內(nèi)氣流具有高雷諾數(shù)，壁面附近視為具有簡(jiǎn)單的紊流邊界層，采用壁面函數(shù)法。將高雷諾數(shù)k-ε模型與壁面函數(shù)法結(jié)合就可模擬整個(gè)室內(nèi)氣流組織了。引入Boussinesq假設(shè)，將雷諾應(yīng)力表示為式中，單位質(zhì)量流體紊流脈動(dòng)動(dòng)能，，紊流粘性系數(shù)，ε為紊流能量耗散率。將N-S方程推得k-ε方程為：其中：cμ=0.09,cε1=1.44,cε2=1.92,σk=1.0,σε=1.334、數(shù)值方法4.1其他特殊問(wèn)題的突破離散化方法是將微分方程變成等效的、近似的代數(shù)方程的各種方法。用不同的方法將建立的數(shù)學(xué)模型微分方程離散化和求解就得到不同的離散格式。常用的方法有有限差分法（FDM）、有限單元法（包括有限元法（FVM）、有限體積法(FVM)、邊界元法（BEM））、雙曲型方程的特征線法以及對(duì)流擴(kuò)散方程的有限解析法（FAM）、發(fā)展方程的譜方法（SM）。也有為達(dá)到更高的計(jì)算效率或適應(yīng)特殊的需要，針對(duì)一些特殊問(wèn)題的特殊方法。如泊松方程求解的直接方法。無(wú)論是那種離散方法建立的離散格式方程，除了要考慮與微分方程的相容性外，還要考慮它的穩(wěn)定性、收斂性、守恒性以及對(duì)流項(xiàng)的遷移特性等。他們既是影響離散格式的準(zhǔn)確性的因素，又對(duì)離散格式的經(jīng)濟(jì)性（計(jì)算時(shí)間與所需內(nèi)存）構(gòu)成影響。根據(jù)分段差值函數(shù)的不同，常用的差分格式分為中心差分格式，迎風(fēng)格式、冪次律格式和QUICK格式等。4.2壓縮流的分類將控制方程組和邊界條件離散后得到的是關(guān)于速度和壓力的代數(shù)方程組，離散后得到的代數(shù)方程的數(shù)值解法有兩類：一、用速度、壓力（或密度）作為基本變量的原始變量法；二、取渦量、流函數(shù)作為變量的渦量流函數(shù)法。針對(duì)不可壓縮流的特殊問(wèn)題，已發(fā)展了若干計(jì)算方法，如人工可壓縮法、壓力修正法、投影法、罰方法、輔助勢(shì)法等。在室內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算中多使用壓力修正法，使用SIMPLE算法求解不可壓縮流動(dòng)中的壓力與速度的耦合問(wèn)題。5、相關(guān)問(wèn)題的處理空調(diào)設(shè)計(jì)最終目的是以經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的室內(nèi)氣候環(huán)境（溫濕度、氣流、污染物質(zhì)濃度等的分布），實(shí)現(xiàn)對(duì)這些環(huán)境參數(shù)的合理控制，把握其分布特征。用數(shù)值模擬來(lái)達(dá)到目的方法很多，模型也很多，有些因理論不完善，有些因計(jì)算量過(guò)大耗時(shí)過(guò)多而在工程上不可行。而工程上常用高雷諾數(shù)k-ε模型與壁面函數(shù)法結(jié)合模擬整個(gè)室內(nèi)氣流組織，使用SIMPLE算法求解，但仍有些問(wèn)題要特別注意。(1)空調(diào)方式、空調(diào)負(fù)荷的不確切性：現(xiàn)實(shí)中，許多CFD解析，為了簡(jiǎn)化邊界條件，減少輸入條件，往往將空調(diào)負(fù)荷作為固定的邊界條件，但嚴(yán)格來(lái)講，室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷是受室內(nèi)氣流、溫度分布影響的。(2)邊界條件的變動(dòng)處理：當(dāng)解析對(duì)象空間是獨(dú)立空間時(shí)，解析范圍、邊界條件的確定是較容易的。但解析對(duì)象是半開(kāi)放空間（如中庭開(kāi)放空間），與其他空間相接時(shí)，就要求對(duì)相互影響加以考慮。在有限的計(jì)算機(jī)容量、能力、時(shí)間等的限制下，對(duì)包括鄰接空間在內(nèi)的全域進(jìn)行解析是困難的，而且在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上也不合理，這樣往往就要求對(duì)其作合理的變動(dòng)處理，人為地設(shè)定一些邊界條件，例如在半開(kāi)放空間邊界上將風(fēng)速、溫度或壓力等做出假定。(3)風(fēng)口邊界條件的模式化：CFD解析時(shí)需將解析對(duì)象空間分割成微