第10章 -通风工程数值模拟 《通风工程(第2版)》教学课件

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2、连续性方程：
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3、热量守恒：
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源自文库
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10.1.2 偏微分方程组的离散方法
数值模拟的基本思路： 将计算的连续区域利用网格划分成一个个“小格子”，通过
10.1.3 常用仿真软件
1.前处理器
作用：数据的输入、几何造型、网格划分 主要任务： （1）定义模型的几何参数； （2）在几何区域划分网格进行离散； （3）对要解决的问题选择数学模型和相应的控制方程； （4）定义流体的属性参数； （5）为计算与边界处的单元指定边界条件，瞬态计算还需给定 初始条件。
第10章 通风工程气流流动的数值模拟方法
§10.1 CFD数值模拟的基本原理 §10.2 自然通风的数值模拟 §10.3 三维非定常室内自然对流 §10.4 机械通风的数值模拟 §10.5 旋风除尘器内部气流场数值模拟
意义
在通风工程中，借助CFD可以模拟通风空调空间内的气流分布 详细情况，同时能够考虑室内各种可能的内扰、边界条件和初始 条件，因而能全面反映复杂的、或无法用现有理论方法来准确分 析计算的室内外及通风空调设备内流体流动和分布情况，从而便 于发现最优的气流组织方案和设备流动域内内形轮廓 ，进而指导 工程设计使其达到良好的通风效果。
目的：求解节点值(求解前提：假定节点之间分布形式作为基础方程）
优势：在微分方程离散过程中可以利用简单条件下推导出来的某种变量在 一个坐标方向上的流通量，简化了离散方程的推导，大大减少了工作量， 且每个控制体积均满足物理守恒原理，从而也使得整个计算区域满足守恒 原理，不容易出现物理上的不合理解。利用简易条件下一维对流扩散方程 的解来化简偏微分方程组，因而使方程的离散化过程具有明确的物理意义， 可以使求解偏微分方程组的过程准确客观且易于把握。
常用的前处理软件：GAMBIT、ICEMCFD、GRIDGEN
三种前处理软件的对比：
GAMBIT：能处理 CAD数据类型的几何文件，生成四面体、六面体、按锥
和圆柱形的结构化与非结构化网格，能生成近壁面层渐细网格。对于复杂几 何体，GAMBIT能将几何体进行分区， 以在每个区内生成高质量的结构化网 格，本身也可以做一些简单的几何建模，但对计算机性能有较高的要求。
ICEMCFD：主要进行网格划分，支持CAD数据类型，能进行几何结构的
修补和简化，可输出多达100种求解器所支持的网格文件。在非结构化四面 体网格处理方面，能自动生成四面体网格， 并自动生成三棱柱边界层网格； 在结构化网格方面，通过自顶而下或自下而上的方式创建与几何体形状近似 的拓扑结构来创建高质量的六面体结构化网格，提高了网格的质量，改善收 敛性能和加速计算过程。
数值方法
有限差分法：常用方法 有限元法：多用于土木工程中的固体受力分析 有限体积法：将有限差分法和有限元法结合起来的一种方法
有限体积法
原理：将计算区域根据计算的精度要求，划分为一系列不重复的控制体积， 并使每个网格节点周围有一个控制体积，将所求的微分方程在每一个控制 体积内积分，便得出了一组离散的代数方程。
计算每个“小格子”上的节点值将偏微分格式的控制方程转化为 各个节点上的代数方程组，在给定初始条件和边界条件的情况下 利用计算机迭代求解，从而得到节点上的数值解，计算域上其它 位置的值则根据节点位置上的值进行插值处理，最后用这些分散 分布的离散解近似的代替了精确连续解。
注意：对于瞬态问题除了对流项、扩散项和源项的离散外，还 要考虑对时间项的离散。
10.1.1 数学模型 层流的数学模型
在暖通空调中的室内气流大多属于低速流动的范围，有些情 况下可以简化为层流进行研究，当把流体简化为层流时，其流动 过程可由Navier-Stokes方程、连续性方程及能量方程来描述。
1、Navier-Stokes方程，对于具有黏性、可压缩性、各向同性的牛顿质 流体，方程的张量形式为：
CFX：模拟工程实际传热与流动问题的商用程序，采用全隐式算法，因其
算法上的独特性、丰富的物理模型和前、后处理的完善性，使得CFX在结果 准确性、计算稳定性、计算速度和灵活性上都有着较好的表现。除了一般的 工业流体流动问题之外，还可以模拟诸如燃烧、多相流、化学反应等复杂流 场。ANSYS CFX还可以和 ANSYS structure及ANSYS Emag等软件配合， 实现流体分析、结构分析，以及电磁分析等的耦合。ANSYS CFX也可被集 成在ANSYS Workbench环境下，方便用户在单一操作界面上实现对整个 工程问題的模拟。
GRIDGEN:自1984年以来， GRIDGEN的用途已从起初的航空领域发展
到航空、自动化、动力生成、化学流程和其他行业。由于各用户要求继续开 发此产品，GRIDGEN的编程人员在1994年成立了 Pointwise公司，推出 了商用化后继产品 GRIDGEN，迄今已有15版。该软件计算操作界面相对 比较简单，操作也比较方便,可以配合ICEM一起使用，发挥各自的优势。
卡门涡街
计算流体力学的流程：
离
物
数
理
学
模
模
型
型
网
散
格
方
生
法
成
选
择
时、空离散
结
流
果
场
分
显
析
示
解
验
代 边界条件离散
证
数
与
方
确
程
认
组
§10.1 CFD数值模拟的基本原理
CFD主要研究和解决的问题：
（1）通风空调设计方案预测和优化。 （2）流体机械的传热传质分析，如各种换热装置、冷却塔、 喷淋塔的CFD 数值模拟。 （3）射流技术的CFD分析，如空调送风的末端装置、新型 送风装置等。 （4）流体机械及流体元件，如泵、风机等的流动分析和结 构优化。 （5）空气品质及建筑热湿环境的评价、预测。 （6）城市区域风与有害物分布，小区建筑布局优化与预测。
2.求解器
FLUENT：模拟复杂外形的流体流动以及传热的软件，提供了完全的网格灵
活性，用户可以使用结构化网格和非结构网格。允许用户根据解的具体情況对 网格进行修改和调整，如对变化较大的区域对网格进行加密。FLUENT是用c 语言编写的，因此具有很大的灵活性，可使用UDF进行自定义程序编写，广泛 用于研究暖通空调中复杂流场不可压缩和可压缩流体的流动和传热。