一种利用流体力学模拟室内热环境的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用流体力学模拟室内热环境的方法，包括以下步骤：根据设计方案，对全空气系统即各层顶部布置风口、气流场、空气龄的气流组织方式进行室内CFD模拟；经过模拟计算后，得出室内温度场、湿度场、PMV值及PPD值；分别进行分析、比较和评价，选出最优方式，对设计不当的地方提出修改意见，指导空调工程施工。本发明通过流体力学的计算机仿真，具有模拟真实条件的能力，完善模型以及边界条件保证模拟的准确性，能够较全面的了解不同边界条件下室内环境的情况，流体力学的计算可以为建筑设计提供大量的附加信息。此外，本发明符合日益重视绿色、环保和人群健康，强调以人为本的要求，在建筑设计中可以得到大力的发展。
【专利说明】一种利用流体力学模拟室内热环境的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于建筑室内热环境研究【技术领域】，尤其涉及一种利用流体力学模拟室内热环境的方法。
【背景技术】
[0002]中庭类建筑室内热环境问题一直是国内和国际设计师所关注研究的重点，受到“烟囱效应”和“温室效应”的双重作用，有大面积玻璃幕墙或透明屋顶的中庭室内热环境主要存在两方面的问题:一是夏季中庭上部温度很容易过高，从而影响与中庭相邻房间的热舒适性；二是当中庭发生火灾时，在热压作用下，火灾会迅速猛烈的向上蔓延。中庭的特殊性使得传统的设计方法很难对此类问题提出有根据的解决方案，因此越来越多的中庭实际问题需要借助数值模拟的方法来解决。
[0003]目前对于建筑群风环境的预测以及室内热、湿、风环境、设备性能的预测都是通过实验来完成的，如风洞试验、热工实验等，通过实物模型化导致不真实、实际对象的复杂性导致实验困难、无法对各个参数进行研究，并且费用高、周期长。
【发明内容】
[0004]本发明实施例的目的在于提供一种利用流体力学模拟室内热环境的方法，旨在解决现有对建筑室内热环境的测试通过实物模型化存在的模拟不真实、实际对象的复杂性导致实验困难、无法对各个参数进行研究，实验费用高和周期长的问题。
[0005]本发明实施例是这样实现的，一种利用流体力学模拟室内热环境的方法，所述利用流体力学模拟室内热环境的方法包括以下步骤:
[0006]根据设计方案，对全空气系统即各层顶部布置风口、气流场、空气龄的气流组织方式进行室内CFD模拟；
[0007]经过模拟计算后，得出室内温度场、湿度场、PMV值及pro值；
[0008]分别进行分析、比较和评价，选出最优方式，对设计不当的地方提出修改意见，指
导空调工程施工。
[0009]进一步、所述利用流体力学模拟室内热环境的方法具体步骤为:
[0010]步骤一、根据设计方案，对全空气系统即各层顶部布置风口、气流场、空气龄的气流组织方式进行室内CFD模拟；
[0011]数值模拟:购物中心中庭周边的大多区域送风方式采用上送上回，部分区域吊顶内布置侧送风口和球形喷口向中庭送风，空调方案为全空气系统；
[0012]步骤二、经过模拟计算后，得出室内温度场、湿度场、PMV值及pro值；
[0013]步骤三、分别进行分析、比较和评价，选出最优方式，对设计不当的地方提出修改意见，指导工程施工，针对施工图设计当中造成的室内温度分布不均匀，风量偏大的问题，提出重新分配各层风口风量的修改方案；
[0014]边界条件:中庭夏季热源，根据负荷计算表，把人员负荷赋值在各层地面，灯光负荷赋值在各层吊顶上，计算供冷量；
[0015]模拟结果:模型网格数为100X 100X 100，计算迭代次数为3000次，判定是否收敛。
[0016]进一步、所述步骤一数据模拟还包括:
[0017]数学模型:
[0018]控制方程，为便于编程和计算机识别与运算，PHOENICS将流体流动的控制方程写为通用形式；
[0019]湍流模型:高大空间室内气流的流动状态为湍流，湍流模型方程选用k- ε CHEN湍流模型；
[0020]数学模型的离散方法:使用的PHOENICS软件采用的离散方法为有限体积法；
[0021]离散方程组的求解方法:采用的计算方法为改进的压力校正法；
[0022]物理模型:购物中心地下三层，地上六层，建筑高度37.25米，建筑面积约28.8万平米，地下二三层为汽车库、设备用房及人防区域，地下一层及地上均为大型商业与餐饮、娱乐，购物中心中庭包括地下一层到地上六层公共区域。
[0023]进一步、所述流体流动的控制方程为:
【权利要求】
1.一种利用流体力学模拟室内热环境的方法，其特征在于，所述利用流体力学模拟室内热环境的方法包括以下步骤: 根据设计方案，对全空气系统即各层顶部布置风口、气流场、空气龄的气流组织方式进行室内CFD模拟； 经过模拟计算后，得出室内温度场、湿度场、PMV值及pro值； 分别进行分析、比较和评价，选出最优方式，对设计不当的地方提出修改意见，指导空调工程施工。
2.如权利要求1所述的利用流体力学模拟室内热环境的方法，其特征在于，所述利用流体力学模拟室内热环境的方法具体步骤为: 步骤一、根据设计方案，对全空气系统即各层顶部布置风口、气流场、空气龄的气流组织方式进行室内CFD模拟； 数值模拟:购物中心中庭周边的大多区域送风方式采用上送上回，部分区域吊顶内布置侧送风口和球形喷口向中庭送风，空调方案为全空气系统； 步骤二、经过模拟计算后，得出室内温度场、湿度场、PMV值及pro值； 步骤三、分别进行分析、比较和评价，选出最优方式，对设计不当的地方提出修改意见，指导工程施工，针对施工图设计当中造成的室内温度分布不均匀，风量偏大的问题，提出重新分配各层风口风量的修改方案； 边界条件:中庭夏季热源，根据负荷计算表，把人员负荷赋值在各层地面，灯光负荷赋值在各层吊顶上，计算供冷量； 模拟结果:模型网格数为100X 100X 100，计算迭代次数为3000次，判定是否收敛。
3.如权利要求2所述的利用流体力学模拟室内热环境的方法，其特征在于，所述步骤一数据模拟还包括: 数学模型: 控制方程，为便于编程和计算机识别与运算，PHOENICS将流体流动的控制方程写为通用形式； 湍流模型:高大空间室内气流的流动状态为湍流，湍流模型方程选用k- ε CHEN湍流模型； 数学模型的离散方法:使用的PHOENICS软件采用的离散方法为有限体积法； 离散方程组的求解方法:采用的计算方法为改进的压力校正法； 物理模型:购物中心地下三层，地上六层，建筑高度37.25米，建筑面积约28.8万平米，地下二三层为汽车库、设备用房及人防区域，地下一层及地上均为大型商业与餐饮、娱乐，购物中心中庭包括地下一层到地上六层公共区域。
4.如权利要求3所述的利用流体力学模拟室内热环境的方法，其特征在于，所述流体流动的控制方程为:
5.如权利要求3所述的利用流体力学模拟室内热环境的方法，其特征在于，所述k- ε CHEN湍流模型为: 标准k-ε模型的单时间尺度的缺点而进行修正，通过在ε方程中增加额外的时间尺度项来提高ε方程的动态响应，如下:
6.如权利要求3所述的利用流体力学模拟室内热环境的方法，其特征在于，所述有限体积法为: 将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积，将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程，其中的未知数是网格点上的因变量Φ值的数值，为了求出控制体积的积分，必须假定Φ值在网格点之间的变化规律，即设定Φ值分段的分布剖面。
7.如权利要求3所述的利用流体力学模拟室内热环境的方法，其特征在于，所述压力校正法采用的离散格式，缺省格式是上风与中心相结合的一阶精度杂交型格式，但备有多种一阶、二阶精度格式供选择，一阶上风格式守恒型低耗散格式，原理是将每个四方形单元用对角线拆分为4个三角形单元，称为X单元，再按上风格式计算对流通量。
8.如权利要求2所述的利用流体力学模拟室内热环境的方法，其特征在于，所述步骤三的边界条件的供冷量计算: 根据送风量及送风温差，可计算供冷量为:
Q = Cσ VΔt/3600 式中，C为空气比热[1400J/(kg.°C )], P为空气密度(1.2kg/m3)，V为送风量(m3/h), Δ t为送风温差(V )。
9.如权利要求2所述的利用流体力学模拟室内热环境的方法，其特征在于，所述步骤三的模拟结果通过监测控制方程的迭代残余量以及各表面压力变化来判定是否收敛。
【文档编号】G06F17/50GK103455676SQ201310397891
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】张意 申请人:重庆建工住宅建设有限公司