搜索
大连交通大学本科毕业设计论文机械工程及其自动化05-3班刘羿基于FLUNET的4人办公室通风问题的数值仿真指导教师:斯琴答辩人:刘羿机械工程学院机械工程及其自动化2009年6月22日论文的背景和意义•当代空调技术实际上是以促进人类居住的舒适性、健康性,保护地球环境,对能源有效利用等基于可持续发展的观点为原则而取得进展的•本课题的意义在于通过CFD模拟仿真为通风空调的方案提供优化和预测。这样就省去了大量的实际实验。CFD的应用改变了传统的设计过程，由于它可以相对准确地给出流体流动的细节，如速度场，温度场等。所以数据比较真实可信。主要内容1．绪论2．计算流体力学的概念3．FLUENT软件的介绍4．利用GAMBIT建立空调房间模型5．利用FLUENT求解器求解6．原始方案数值仿真结果分析7。空调房间优化设计方案比较１绪论•1.1课题的背景和意义•1.2室内空气品质评定•1.3室内舒适温度与风速标准•1.4空调的原理•1.5本课题研究的目的•1.6本课题的原始数据室内空气品质评定•室内空气品质涉及到多学科的知识,室内空气评价这一人们认识室内环境的科学方法也是需要建筑技术、建筑设备工程、医学、环境监测、卫生学、社会心理学等多学科的配合来共同发展。目前室内空气品质的评价重要是量化监测和主观调查结合的方法来进行的。客观评价的依据是人们受到影响跟各种污染物浓度、种类、作用时间的关系,利用了空气龄(airage)、换气效率(airexchangeefficiency)、通风效能系数(ventilationeffectiveness)等概念和方法。室内舒适温度与风速标准•新国家标准《室内空气质量标准》（GB／T18883－2002）规定，夏季有空调的场所为26~30℃。当室内空气温度为18℃时，50％坐着的人感到冷；温度低于12℃时，80％坐着的人感到冷，而且有人冷得难受，不能坚持久坐，活动着的人也有20％以上感到冷，室内可居住性很差，有损健康。卫生学将12℃作为建筑热环境的下限。空调的原理•气态制冷剂被压缩机压缩为液态，在此过程中，制冷剂被压缩成液体后，制冷剂温度会升高，使其温度升高的目的就是提高制冷剂与环境之间的温差，然后制冷剂温度高于环境温度而向外界环境放热，温度下降到常温，在换热过程中气体的压强认为是不变，然后让常温的液态制冷剂进入室内的蒸发器，让液态制冷剂膨胀降温，使其温度低于室内温度从而使室内气体向制冷剂放热，制冷剂吸热后恢复为常温气态再进入压缩机压缩，循环往复进行持续制冷。本课题研究的目的•本课题研究的目的是为了给办公室通风系统提供最佳的设计方案，使得办公室中的人们感觉到舒适，提出了不同的几组方案研究进行对比分析，试图找出一种最佳方案，通过对室内通风情况的模拟达到与实际情况比较接近，为以后的真实空调系统的安装提供参考数据。本课题的原始数据2计算流体力学的概念•CFD的简介•CFD技术在暖通空调领域的应用•CFD的求解过程•CFD在国内外的发展CFD的简介•CFD是英文ComputationalFluidDynamics(计算流体动力学)的简称,通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD可以看作是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟,是进行“三传”(传热、传质、动量传递)及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术。它广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工等诸多工程领域。暖通空调制冷行业是CFD技术应用的重要领域之一。CFD技术在暖通空调领域的应用•通风空调房间气流组织设计借助CFD可以预测仿真通风空调空间的气流分布详细情况。气流数值分析能够考虑室内各种可能的内扰、边界条件和初始条件,因而它能全面地反映室内的气流分布情况,从而便于发现最优的气流分布方案,进而指导设计使其达到良好的通风空调效果。通过CFD模拟计算室内内部的流体流动情况,可以研究设备性能,从而改进其工作,降低建筑能耗,节省运行费用。CFD的求解过程•建立数学模型是对所研究的流动问题进行数学描述,为数值求解做准备工作。确定边界条件与初始条件和边界条件是控制方程有确定解的前提。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。CFD在国内外的发展•CFD技术在暖通空调领域中的应用在很长一段时间内是欧洲和日本走在前面,目前CFD技术在日本暖通行业的应用已经达到实用化阶段。国外的CFD模型方面的基础性成果不但丰富,而且CFD软件也非常强大。我国大约在20世纪80年代开始研究CFD在暖通领域的应用,我国现有成果大部分属于运用专用软件进行某个算例的分析。从总体上说,真正把CFD技术(与实际工程的暖通设计结合的案例还很少,真正掌握CFD技术的暖通设计人员数量有限,在我国暖通行业中开展CFD方面研究尚有大量工作要做3FLUENT软件的介绍•什么是FLUENT软件•FLUENT软件的特点和相关应用•FLUENT在我国的应用和前景什么是FLUENT软件•FLUENT的这一工程设计与分析软件，它在多物理场方面的模拟能力使其应用范围非常广泛，是目前功能最全的CFD软件。FLUENT因其用户界面友好，算法健壮，新用户容易上手等优点一直在用户中有着良好的口碑。长期以来，功能强大的模块，易用性和专业的技术支持所有这些因素使得FLUENT受到企业的青睐。FLUENT软件的特点和相关应用•FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；FLUENT软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法；FLUENT软件进行流体的流动和传热计算的模拟计算的流程一般是，首先利用GAMBIT进行流动区域几何形状的构建、定义边界类型和生成网格，然后将GAMBIT中的网格文件输出用于FLUENT求解器计算的格式，在FLUENT中读取所输出的文件并设置条件对流动区域进行求解计算，最后对计算的结果进行后处理。FLUENT可以求解计算二维和三维问题FLUENT在我国的应用和前景•西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室借助Fluent软件平台和清华大学热能工程系由长福等人比较了软件FLUENT提供的不同湍流模型等实例FLUENT软件在我国已经获得较好的应用。由于其减少了研究者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质,优化算法选用,参数的设定,因而提高了工作效率,其必然会获得越来越多的应用,应用效果也必将越来越好。4利用GAMBIT建立空调房间模型•开启GANBIT软件•室内空调房间建立•网格划分•边界条件类型指定•MESH文件输出1启动Gambit2体的创建3人体模型4空调房间模型入风口面网格划分实体网格划分对话框房间实体网格划分边界条件类型指定MESH文件输出5利用FLUENT求解器求解•FLUENT求解器的选择•选择计算模型•定义流体的物理性质•设定边界条件1Fluent求解器的选择2基本求解器Solver3物质的物理性质设置4设定边界条件5设置入口inlet的边界条件6Iterate对话框设置开始进行叠代6原始方案数值仿真结果分析•原始方案收敛曲线分析•原始方案温度场分析•原始方案速度场分析•原始方案数值仿真分析总结收敛曲线图房间温度场图头部周围温度图人脚部周围气流速度场原始方案数值仿真分析总结•原始方案房间的平均温度大约在19°C左右，与新国家标准《室内空气质量标准》（GB／T18883－2002）夏季空调房温度不得低于26度不符，不节能和环保。右侧传真机背部温度过高。温度落差过大，在电脑周围的风速都接近零，小于0.3m/s人将感觉很舒适。这些问题将在后面第七章优化方案设计中进行解决。7空调房间优化设计•优化方案综述：由于原始方案并没有达到理想的设计效果因此在原始方案基础上提出一下三个优化改进方案，如表6-1去所示。方案一收敛曲线方案一房间温度方案一方案一人头部周围温度方案一人脚部周围速度流方案一总结•由于在方案一考虑了空气的浮力与重力因素，使得空气的流动更加均匀，室内的温度变化范围减小，但是人体周围以及房间平均温度仍然有18°C左右，这样的温度对于夏季室内房间仍然很低，需要对入风口温度进行调整。方案二收敛曲线方案二人脚部温度方案二方案二人头部温度方案二人脚部周围速度流方案二总结•在方案二中看出出风口的温度变化对房间整体的温度场的影响还是比较大的，此次调整温度主要是考虑符合国家标准的夏天空调房间温度不得低于26度的环保要求，对速度影响不大,出风口速度仍为0.6m/s。方案三收敛曲线方案三人剖面温度方案三方案三人头部温度方案三人脚部温度方案三人脚部周围速度流方案三人立体剖面周围速度流方案三总结•通过对房间温度的分析，房间温度在25°C-26°C，气流速度在0.3m/s以下，这样的温度非常适合人的办公，人不会感到冷，也不会感到干燥，非常合适人的学习办公。本章提出了三个优化方案，通过对于方案的不断改进，最后方案三达到了夏季空调房间的的温度与速度的要求，房间温度在控制在25°C-26°C，气流速度在0.4m/s以下，给生活在房间的人一个舒适的空间。也满足了环保节能的新时代要求。•最后，方案三为最终夏季空调房间设计方案。结论•在Gambit下建模，把原始的数据代入通过FLUENT得出最初的方案，并对方案进行分析后，发现气流容易形成漩涡，于是改变了入风口的方向使其与X,Y轴形成45度角得出优化方案一•从分析结果看出室内舒适度取决于空气的流通，在空气不流通的地方室内空气温度会比较高，人会感觉到不舒适。通过结果数值模拟,认为0.4m/s的送风速度(风量10782m3/h)可以满足本次课题中对办公室风速的要求，衍生出方案二。•通过对方案二的分析，发现室内温度过低，平均温度达到18°C以下，不符合新国家标准《室内空气质量标准》（GB／T18883－2002）在这种环境下工作影响人的身体健康，需要调整入风口的温度并对入风口速度进行了再次调整,将入风口的温度设为26°C，房间温度将被控制在25°C-27°C，气流速度在0.4m/s以下，在这种环境下生活，给生活在房间的人一个舒适的空间，于是进行了优化得出方案三。课题展望•本课题展望虽然设计过程中仍然有许多需要改进的地方，但室内房间通风环境的模拟还是比较准确的,希望通过本次课题研究可以对未来实际空调的安装和通风系统的设计有很好的指导作用。感谢词谢谢斯琴老师的热心关怀和细心指导下完成。斯琴老师的不厌其烦才有我最终完成毕业设计。谢谢其他老师在毕业设计期间给与我的帮助最后祝老师们工作顺利，身体健康！