本發(fā)明涉及碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)，特別涉及一種基于ansys軟件的碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

在本發(fā)明作出之前，通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)形成了多種技術(shù)方式。如混合通風(fēng)送風(fēng)速度較大，既可以供冷也可以供熱，但混合通風(fēng)空氣品質(zhì)比置換通風(fēng)差，具有較低的通風(fēng)效率和能效比。在70年代的能源危機(jī)中，使得混合通風(fēng)方式面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。置換通風(fēng)于上世紀(jì)80年代起源于北歐，它是將低動(dòng)量的空氣從房間底部送入，在地面附近形成一層較薄的“空氣湖”，擴(kuò)散的空氣遇到室內(nèi)熱源產(chǎn)生向上的對(duì)流氣流并將污染的空氣從房間上部排出的過程。但是它很大的缺點(diǎn)是只能用于供冷系統(tǒng)而不能用于房間的供熱系統(tǒng)。再者，當(dāng)房間的跨度很寬時(shí)，使得這種送風(fēng)方式的使用也受到很大的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于克服上述缺陷，研制一種基于ansys軟件的碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于ansys軟件的碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方法，其主要技術(shù)特征在于，步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)收集，即收集關(guān)于碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)三維模型的房間尺寸、人員數(shù)量、設(shè)備功率、送風(fēng)口形狀及尺寸、送風(fēng)口距地高度，送風(fēng)風(fēng)速和送風(fēng)溫度參數(shù)；

(2)數(shù)據(jù)處理，即對(duì)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行不同三維模型的參數(shù)進(jìn)行整理，確定模型的房間尺寸、人員數(shù)量和設(shè)備功率，以及送風(fēng)口形狀及尺寸、送風(fēng)口距地高度，送風(fēng)風(fēng)速和送風(fēng)溫度參數(shù)的變化范圍；

(3)幾何模型，即對(duì)使用碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)的房間進(jìn)行三維建模；

(4)網(wǎng)格劃分，即對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自檢優(yōu)化，轉(zhuǎn)化為永久性網(wǎng)格；

(5)數(shù)值計(jì)算，即設(shè)定物性、邊界條件、操作條件、壓力-速度耦合方法和離散方法、求解控制參數(shù)、求解監(jiān)視器和初始化計(jì)算域，開始求解，確認(rèn)收斂性；

(6)結(jié)果分析，即導(dǎo)入后處理軟件得到不同參數(shù)下的室內(nèi)流速場和溫度場。

所述步驟(3)采用icem軟件來對(duì)使用碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)的房間進(jìn)行三維建模；步驟如下：

(3-1)按照房間的外形尺寸，確定長方體六個(gè)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)；按照送風(fēng)管的外形尺寸，確定各個(gè)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)；將坐姿的人員簡化為長方體，確定代表所有人員的幾個(gè)長方體的頂點(diǎn)坐標(biāo)；將電腦簡化為長方體，確定代表電腦的幾個(gè)長方體的頂點(diǎn)坐標(biāo)；確定回風(fēng)口的位置和尺寸，由此得到四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)；

(3-2)在icem軟件中創(chuàng)建一個(gè)幾何體的所有點(diǎn)后，用直線把它們連接起來。以此類推，直到把所有的幾何體都用點(diǎn)和線表示出來后，把已經(jīng)存在的線生成平面。

所述步驟(4)確定哪些部分需要使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，哪些部分使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于ansys軟件的碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(4)中，劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格部分的步驟為：塊劃分、創(chuàng)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、劃分o-grid塊和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整的相關(guān)操作；劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格部分的步驟為：自動(dòng)網(wǎng)格算法、網(wǎng)格類型、全局網(wǎng)格參數(shù)、局部網(wǎng)格控制、用密度盒進(jìn)行局部加密、運(yùn)行octree算法、查看網(wǎng)格切面圖、網(wǎng)格質(zhì)量檢查、網(wǎng)格光順化和其他網(wǎng)格控制選項(xiàng)；設(shè)定網(wǎng)格輸出求解器，指定邊界的名稱，指定各名稱邊界的邊界條件，方便后續(xù)仿真求解過程中的邊界輸入。

所述步驟(5)數(shù)值計(jì)算中，在fluent軟件中讀取icem輸出的網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格，設(shè)置計(jì)算域尺寸，設(shè)定一般求解參數(shù)和湍流模型。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于根據(jù)后處理軟件得到的室內(nèi)流速場和溫度場，確定所研究的參數(shù)的可能工作范圍，以確保良好的熱舒適性?？偟膩碚f，這種方法為在辦公室環(huán)境中的碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了系統(tǒng)優(yōu)化的參考數(shù)據(jù)，有利于推動(dòng)碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。

本發(fā)明的更進(jìn)一步具體說明的優(yōu)點(diǎn)和效果將在下面繼續(xù)。

附圖說明

圖1——本發(fā)明流程示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的技術(shù)思路是：

針對(duì)碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜特點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)收集——數(shù)據(jù)處理——幾何模型——網(wǎng)格劃分——數(shù)值計(jì)算——結(jié)果分析六大流程，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，在icem軟件中建立使用碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)辦公室的三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、定義邊界條件，導(dǎo)入fluent軟件計(jì)算，使用后處理軟件得到直觀清晰的、便于交流的數(shù)據(jù)和圖表。從而為碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化提供了新的思路。

如圖1所示，以某個(gè)碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化為例。

第一步：數(shù)據(jù)收集。

在本發(fā)明中，數(shù)據(jù)收集主要是文獻(xiàn)資料的查取。對(duì)于碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)，在知網(wǎng)和webofscience等平臺(tái)上查找相關(guān)中英文文獻(xiàn)。收集關(guān)于碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)三維模型的房間尺寸、人員數(shù)量、設(shè)備功率、送風(fēng)口形狀及尺寸、送風(fēng)口距地高度，送風(fēng)風(fēng)速和送風(fēng)溫度等參數(shù)。

第二步：數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)收集工作完成之后，就要對(duì)相關(guān)資數(shù)據(jù)資料進(jìn)行系統(tǒng)化梳理。根據(jù)后續(xù)三維建模工作的需要，將先期搜集的不同三維模型的參數(shù)進(jìn)行整理。分析比較后確定模型的房間的幾何尺寸為4.2m×3.6m×2.5m，房間內(nèi)設(shè)置一個(gè)人，一臺(tái)電腦，天花板燈和送風(fēng)裝置。處理好的空氣通過風(fēng)管供應(yīng)并且在地板上方以特定高度h送出，并且室內(nèi)空氣從位于同一側(cè)壁上的天花板下方的排氣口排出。送風(fēng)口形狀分為面積為0.01667的矩形、方形、半橢圓形，矩形為0.169m×0.098m，方形為0.129m×0.129m，半橢圓形為a＝0.2044m，b＝0.1035m。送風(fēng)口距地高度為0.4m、0.8m和1.2m。送風(fēng)量為0.02、0.025和0.03。送風(fēng)溫度為14℃、16℃和18℃。

第三步：幾何模型

本發(fā)明采用icem軟件來對(duì)使用碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)的房間進(jìn)行三維建模。按照由上而下、由外而內(nèi)、由簡到繁的原則進(jìn)行三維建模。第一步，按照房間的外形尺寸，確定長方體六個(gè)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)；按照送風(fēng)管的外形尺寸，確定各個(gè)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)；將坐姿的人員簡化為幾個(gè)長方體拼接而成，確定代表人員的幾個(gè)長方體的頂點(diǎn)坐標(biāo)；將電腦簡化為長方體，確定代表電腦的幾個(gè)長方體的頂點(diǎn)坐標(biāo)；確定回風(fēng)口的位置和尺寸，由此得到四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)。第二部，在icem軟件中創(chuàng)建一個(gè)幾何體的所有點(diǎn)后，用直線把它們連接起來。以此類推，直到把所有的幾何體都用點(diǎn)和線表示出來后，把已經(jīng)存在的線生成平面。至此，幾何模型基本創(chuàng)建完成。

第四步：網(wǎng)格劃分

對(duì)于步驟三完成的初步模型，需進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行自檢優(yōu)化。對(duì)送風(fēng)口和加熱對(duì)象采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以減少網(wǎng)格數(shù)量。某些區(qū)域的網(wǎng)格分布，例如靠近墻壁處和被加熱物體的表面，應(yīng)該具有陡峭的速度和溫度梯度，基于在驗(yàn)證研究中以最佳布置標(biāo)識(shí)的網(wǎng)格而構(gòu)建。計(jì)算域主要是六面體元素，半橢圓形送風(fēng)口周圍有一些混合形狀元素存在。對(duì)于所有情況產(chǎn)生的總網(wǎng)格尺寸從410至430萬不等，包括在送風(fēng)口處的903-957個(gè)單元。

第五步：數(shù)值計(jì)算

在fluent軟件中讀取icem輸出的網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格，確認(rèn)無負(fù)體積。在fluent中設(shè)置計(jì)算域尺寸，考慮是否要對(duì)計(jì)算域進(jìn)行縮放處理。房間中的氣流和溫度由質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律描述，其中流動(dòng)被假定為三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮湍流。動(dòng)量方程包括了浮力效應(yīng)，由不可壓縮的理想氣體定律確定密度，密度只隨溫度變化而變化。由離散坐標(biāo)(do)模型考慮了輻射熱。湍流是用湍流模型建模的。為了求解方程組，規(guī)定了以下邊界條件：在送風(fēng)口處，提供均勻的速度和溫度場，并且使用10％的湍流強(qiáng)度來確定湍流動(dòng)能k、湍流耗散率ε和速度方差。在排風(fēng)口處，出口壓力被假定為零表壓力。房間的所有內(nèi)表面都設(shè)置為防滑墻。所有表面假定為發(fā)射率為0.9的灰色?？刂品匠逃梅蛛x方案和simple算法耦合壓力與速度求解。關(guān)于離散化，使用二階迎風(fēng)格式計(jì)算非線性項(xiàng)和使用二階中心差分格式來計(jì)算粘性項(xiàng)，并且使用presto(壓力分段選項(xiàng))方案計(jì)算壓力項(xiàng)。數(shù)值收斂的標(biāo)準(zhǔn)是變量p，u，v，w，k，ε，和f的兩次連續(xù)迭代之間的最大相對(duì)差異小于。關(guān)于能量的收斂標(biāo)準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)殘差小于。此外，計(jì)算了總質(zhì)量流量和熱通量平衡的誤差，它們分別小于0.03％和0.3％。

第六步：結(jié)果分析

導(dǎo)入后處理軟件得到不同參數(shù)下的室內(nèi)流速場和溫度場。