基于Ansys软件的自然通风与墙体蓄热耦合模拟方法与流程

本发明涉及建筑节能、流固耦合模拟方法领域，具体是一种基于ansys软件的自然通风与墙体蓄热耦合模拟方法。

背景技术：

近些年，能源问题越来越引起人们的关注，我国每年有160亿平方米的新建房屋面积为能源利用率仅33%的高耗能建筑，建筑总能耗占全国能耗总量的三分之一，发展绿色建筑刻不容缓。利用被动式技术可以大幅度提高能源利用率。

自然通风是依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压，促使空气流动，使得建筑室内外空气交换。由于影响自然通风的因素较多，且多为不确定性因素，现有的对于自然通风影响因素的研究均处于理论初级阶段，通过自然通风与墙体蓄热耦合的模拟，设置不同变量条件，分析多种状况下通风与蓄热耦合的效果。

为了解决实验困难、数据不够的问题，通过计算机数值模拟的方法与实际操作相结合，建立不同气候区、不同建筑墙体材料、不同通风时间段组合方式等因素与宏观性能的关系模型，从理论上预测通风时间段、不同气候区、不同建筑墙体材料对建筑蓄热的影响。从而可以降低实验成本，优化设计，为降低建筑能耗提供理论支持，也为相关的数值模拟研究提供依据。

技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术建筑设计节能环保的不足，基于我国不同气候区典型特征，结合不同建筑类型，对不同建筑有无自然通风进行节能潜力研究，提供一种基于ansys软件的自然通风与墙体蓄热耦合模拟方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于ansys软件的自然通风与墙体蓄热耦合模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、采用ansysworkbench软件中的designermodel模块建立房间建筑和出入口的三维仿真模型，同时在房间建筑内建立换气器的三维仿真模型，并设定所有三维仿真模型的相关参数；

（2）、将步骤（1）建立的房间建筑与换气器的三维仿真模型传递到ansysworkbench软件的mechanical模块中，在mechanical模块中采用multizone方式对三维仿真模型进行网格划分；

（3）、将步骤（2）网格划分好的三维仿真模型导入ansysworkbench软件的ansysfluent模块，并对ansysfluent模块进行设置；

（4）、在ansysworkbench软件中的results模块里设置检测点和检测面，并进行仿真运算得到仿真结果，以此作为自然通风与墙体蓄热耦合指标；

（5）、在相同设置条件下，通过将三维仿真模型设置不同参数并重复步骤（1）-（4），以进行多次模拟计算，由室内检测点的温度变化曲线、检测面的温度云图、检测面的气流组织云图作为评价通风与墙体蓄热耦合效果以及气流组织分布的指标，以此确定最优化的墙体蓄热能力与气流组织设计。

所述的基于ansys软件的自然通风与墙体蓄热耦合模拟方法，其特征在于：步骤（1）中设定的相关参数至少包括：房间形状、房间尺寸、墙体壁厚、回风方式、进风口尺寸、排风口尺寸。

所述的基于ansys软件的自然通风与墙体蓄热耦合模拟方法，其特征在于：步骤（3）中，对ansysfluent模块进行设置的过程如下：

（3.1）、在userdefined选项导入根据气候区编制的自定义温度参数；

（3.2）、在general选项中，将y方向gravitationalacceleration根据要求设定为预设值，time选项设置为transient瞬态传热；

（3.3）、将models选项中的energy勾选energyequation，viscousmodels选项中选取k-epsilonstandard模型；

（3.4）在materialsfluid选项部分选择空气，solid选项设置为选定的建筑墙体材料；

（3.5）、在cellzoneconditions选项中将fluid部分设为空气，solid部分设置为选定的建筑墙体材料；

（3.6）、在boundaryconditions选项中设置入口边界条件为velocity-inlet，并将velocitymagnitude根据实际要求设置为预设值，thermal选项设置为udftm-inlet，设置出口边界条件为pressure-outlet，将一侧墙壁设置为对流换热面，udf定义每小时内壁面空气综合温度值，对流换热系数根据实际要求设置为预设值，其他壁面设置为绝热壁面；

（3.6）、选择checkcase后进行计算。

所述的基于ansys软件的自然通风与墙体蓄热耦合模拟方法，其特征在于：步骤（4）中，选择房间建筑三维仿真模型的中心点作为检测点，检测面为过中心点的x方向平面。

所述的基于ansys软件的自然通风与墙体蓄热耦合模拟方法，其特征在于：步骤（4）中所述仿真结果包括：检测点的温度变化曲线，检测面的速度云图，检测面的温度云图。

与现有技术相比，本发明优点为：

（1）关于自然通风与墙体蓄热耦合的问题，以往的方法通常都是单一的进行墙体测试。本发明创造性地利用监测点的温度变化曲线以及检测面的温度云图、速度云图来判定墙体的蓄热能力，可以更好的衡量蓄热能力。

（2）通过数值模拟与实际操作相结合的方法，建立墙体模型、材料参数、不同通风时段等因素与宏观性能的关系模型，从理论上预测通风时段、不同蓄热墙体材料、不同通风速度对室内热环境的影响，从而可以降低实验成本。

（3）本发明法能够得到不同时间段自然通风与墙体蓄热耦合、自然通风与不同材料蓄热墙体耦合的温度、速度分布规律，从而为自然通风时间段、建筑施工中对材料的选取提供参考。

附图说明

图1是本发明模拟方法中建立的三维模型示意图。

图2是本发明监测点、检测面的选取示意图。

图3是本发明不同通风时间检测面的温度云图示意图。

图4是本发明不同通风时间段的监测面速度云图示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于ansysfluent的ansysfluent的自然通风与墙体蓄热耦合模拟方法。

步骤一：在ansysworkbench软件中的designermodel模块建立房间和出入口的模型。（如图1所示）其中，房间为矩形，并设置长宽高尺寸、墙体壁厚等，内部有换气器，采用侧面送风下部回风的方式。在不影响实验准确性的前提下，按照实际模型进行缩放，可以极大地还原实际情况，降低实验难度。

步骤二：将房间建筑与换气器的三维仿真模型传递到ansysworkbench软件的mechanical模块中；

对模型进行网格划分，选取cfdmultizone方式对模型进行网格划分，使得结果更加精确。

步骤三：将网格划分好的模型导入ansysfluent模块，对fluent模块进行设置；

1、在userdefined导入根据气候区编制的自定义温度参数；

2、设置general中y方向gravitationalacceleration，time设置为transient瞬态传热；

3、设置models中设置能量状态方程，并且选择湍流模型为k-epsilonstandard模型；

4、设置materialsfluid部分选择空气，solid设置为选定的建筑墙体材料；

5、设置cellzoneconditions将fluid部分设为空气，solid部分设置为选定的建筑墙体材料；

6、设置boundaryconditions设置入口边界条件为velocity-inlet设置velocitymagnitude（可根据实验具体情况设定），thermal设置为udftm-inlet，设置出口边界条件为pressure-outlet，将东墙设置为对流换热面，udf定义每小时内壁面空气综合温度值；

7、checkcase后进行计算。

步骤四；进行仿真运算得到仿真结果，以此作为自然通风与墙体蓄热耦合指标；在results里设置监测点和检测面（如图2所示），所述仿真结果包括：监测点的温度变化曲线，检测面的速度云图，检测面的温度云图。

步骤五：分别设置不同通风时间段、墙体不同材料与不同风速，在相同的设置条件下进行多次模拟计算，由室内检测点的温度变化曲线、检测面的温度云图、检测面的气流组织云图作为评价通风与墙体蓄热耦合效果以及气流组织分布的指标，以此确定最优化的墙体蓄热能力与气流组织设计。

通过udf定义通风时间段，在materials里选择墙体材料，入口边界velocity-inlet中改风速大小可以得出不同变量下自然通风与墙体蓄热耦合下的变化规律。对比三种材料，温度变化曲线趋势相同，但不同材料建筑蓄热能力不同。综上，加气体材料对温度变化具有延时作用，看出加气体材料具有良好的保温效果。与砖砌体、粉煤灰材料相比，其蓄热性能更优越；从不同通风时间检测面的温度云图示意图（如图3所示）显示出房间内温度明显分布不均匀。地区温差较大；从不同通风时间段检测面的速度云图示意图（如图4所示）显示通风与未通风时都存在着室内中心点和房间四角空气流动速度较低且几乎为零的情况，说明该房间的气流组织存在不合理的地方。为验证ansys的仿真结果，应多次模拟，比较分析实验结果，得出自然通风与墙体蓄热耦合的最佳方案。

本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。