基於cfd信息技術的中庭室內熱環境分析方法
2023-05-20 14:10:01
專利名稱：基於cfd信息技術的中庭室內熱環境分析方法
技術領域：
本發明涉及建築室內熱環境模擬計算技術領域，特別涉及一種基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法。
背景技術：
隨著經濟的迅速發展，城市現代化建設也隨之蓬勃發展，出現了許多複雜、多樣和大型的現代建築。人們對生活和工作環境要求的不斷提高，大空間建築室內熱環境及其舒適性逐漸為人們所關注。僅憑實驗和理論分析的方法對室內外熱環境進行精確分析，已很難實現。對於同樣的系統裝置和設備，可因不同的氣流及溫度分布而產生不同的效果，同時對該系統的節能亦具有重要作用。因此，如果能夠在規劃和設計階段即可正確而詳細進行預測和評價室內氣流及溫度分布，可實現現代暖通空調系統的優化設計和運行管理。利用CFD (Computational Fluid Dynamics)技術可以對室內空氣流動形成的速度場、溫度場、溼度場、有害物濃度場等進行模擬和預測，這對於保證良好的暖通空調系統設計方案、提高室內空氣品質IAQ(Indoor Air Quality)以及減少建築物能耗都有重要的指導意義。在國外，CFD數值模擬技術已被廣泛應用在工程領域，成為設計上不可缺少的技術手段；而在國內CFD技術的研究和應用也已逐步受到重視。由於購物中心中庭大空間結構的複雜性、多樣性及室內外各種因素的影響，使得室內氣流分布變得相當複雜，按傳統方法施工不能滿足課題的室內環境控制要求，溫度、溼度及風場均勻性不足以滿足人員和購物中心環境的要求，所以採用現代信息技術CFD數值模擬技術手段，細化各層風口的送風量，按模擬結果指導風系統施工成為最佳選擇，課題的施工方法及成果也可為類似高大空間課題的空調施工提供借鑑意義和指導作用。但是，如果在中心購物商場還沒有建設完成時，需要對空調系統風場分布進行實驗研究，就必須建立風洞模型和建築室內模型，這使得研究過程複雜，成本昂貴，精確度也不高；因此工程師或建築師們希望在規劃設計階段就能預測室內空氣的分布情況，從而制定出最佳的通風空調方案。
發明內容
有鑑於此，本發明所要解決的技術問題是提供一種基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法。本發明的目的是這樣實現的本發明提供的基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法，包括以下步驟SI :根據建築結構設計圖建立室內熱環境模型；S2 :確定室內熱環境氣流組織方式；S3 :設定室內熱環境的邊界條件和初始條件；S4 :根據室內熱環境模型的氣流組織方式、邊界條件和初始條件通過CFD模擬計算出熱舒適值；S5 :判斷熱舒適值是否滿足預設值，如果是，則轉入步驟S7 ；S6 :如果否，則返回步驟SI對熱環境模型進行修改調整；S7 :確定並輸出室內熱環境模型的最終方案。進一步，所述氣流組織方式包括以下三種方式中任一種1)雙層百葉風口上送，單層百葉風口上回；2)雙層百葉風口側送，單層百葉風口上回；3)球形噴口送風，單層百葉風口上回。進一步，所述邊界條件包括圍護結構材料參數、送風量、送風溫度、迴風量、迴風溫度和排風量；所述初始條件包括圍護結構初始溫度、圍護結構初始負荷以及空氣溫溼度。進一步，所述熱舒適值包括溫度場、風速場、空氣齡、PMV值和pro值。進一步，所述預設值為溫度場的取值範圍為25±0.5°C、風速場的速度值範圍為(I. Om/s、空氣齡的取值範圍為彡900s、PMV值為+1和PH)值為彡20%。進一步，所述步驟S6中對熱環境模型進行修改調整是通過調整熱環境模型中的送迴風口的尺寸大小、數量多少、位置以及送風口送風量的方式來實現的。進一步，所述CFD模擬計算採用改進壓力校正法，所述改進壓力校正法的實現具體包括以下步驟S41 :預設熱環境模型中與速度場相關聯的流體壓力場；S42 :根據流體壓力場和當前速度場計算動量離散方程得到速度場；S43 :用所得速度場計算熱環境模型中的連續性方程，得到壓力場的修正值；S44 :調整更新壓力場和速度場，求解湍流方程和其他標量方程；S45:判斷當前時間步驟上的計算是否收斂，若不收斂，返回到步驟S42，迭代計算；S46 :若收斂，返回步驟S41重複計算下一時間步驟的物理量。本發明的優點在於本發明採用現代信息技術計算流體力學(CFD)技術模擬大型購物中心建築的中庭室內熱環境。根據設計方案對全空氣系統即各層頂部布置風口(雙層百葉風口或球形噴口)、氣流場(送風、排風氣流組織情況)、空氣齡的氣流組織方式進行室內CFD模擬，經過模擬計算後，得出室內溫度場、溼度場、PMV值及pro值，再分別進行分析、比較和評價，選出最優方式，因此，研究過程簡單、成本低、精確度高；可進一步改善設計，指導現場空調系統施工調試，對設計不當的地方提出修改意見，滿足購物中心建築物對人員的舒適性、健康性、安全性等的要求。本發明的其它優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其它優點可以通過下面的說明書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中圖I為本發明實施例提供的基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法流程
圖2為本發明實施例提供的二維流場改進壓力修正法流程圖。
具體實施例方式以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護範圍。實施例I
圖I為本發明實施例提供的基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法流程圖，如圖所示本發明提供的基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法，其特徵在於包括以下步驟SI :根據建築結構設計圖建立室內熱環境模型；S2 :確定室內熱環境氣流組織方式；所述氣流組織方式包括以下三種方式中任一種1)雙層百葉風口上送，單層百葉風口上回；2)雙層百葉風口側送，單層百葉風口上回；
3)球形噴口送風，單層百葉風口上回。S3 :設定室內熱環境的邊界條件和初始條件；所述邊界條件包括圍護結構材料參數、送風量、送風溫度、迴風量、迴風溫度和排風量；所述初始條件包括圍護結構初始溫度、圍護結構初始負荷以及空氣溫溼度。S4 :根據室內熱環境模型的氣流組織方式、邊界條件和初始條件通過CFD模擬計算出熱舒適值；所述熱舒適值包括溫度場、風速場、空氣齡、PMV值和pro值。所述CFD模擬計算採用改進壓力校正法，所述改進壓力校正法的實現具體包括以下步驟S41 :預設熱環境模型中與速度場相關聯的流體壓力場；S42 :根據流體壓力場和當前速度場計算動量離散方程得到速度場；S43 :用所得速度場計算熱環境模型中的連續性方程，得到壓力場的修正值；S44 :調整更新壓力場和速度場，求解湍流方程和其他標量方程；S45:判斷當前時間步驟上的計算是否收斂，若不收斂，返回到步驟S42，迭代計算；S46 :若收斂，返回步驟S41重複計算下一時間步驟的物理量。S5 :判斷熱舒適值是否滿足預設值，如果是，則轉入步驟S7 ;所述預設值為溫度場的取值範圍為25±0. 5°C、風速場的速度值範圍為彡I. Om/s、空氣齡的取值範圍為彡900s、PMV值為-Γ+1和PPD值為彡20%οS6 :如果否，則返回步驟SI對熱環境模型進行修改調整；所述步驟S6中對熱環境模型進行修改調整是通過調整熱環境模型中的送迴風口的尺寸大小、數量多少、位置以及送風口送風量的方式來實現的。S7 :確定並輸出室內熱環境模型的最終方案。實施例2本實施例2與實施例I的區別僅在於以下內容下面詳細說明熱舒適值的具體計算，所述熱舒適值包括溫度場、風速場、空氣齡、PMV值和pro值，計算過程如下其中，U、V、w分別表示X, y, z方向的速度分量,是三維直接坐標系求解的情況；u、V分別X，y方向的速度分量，是二維直接坐標系求解的情況。根據CFD數值模擬分析法，建立質量守恆方程、動量守恆方程和能量守恆方程；這些方程中包含速度、溫度、壓力、幾何量等多種基本參數，要求解空間上這些參數分布，將質量守恆方程、動量守恆方程、能量守恆方程、(實際/理想)氣體狀態方程以及湍流流動方程(湍動能方程和擴散率方程)進行聯立數值求解。( I)計算溫度場和風速場根據連續微分方程、動量守恆微分方程(X、y、z三個方向)、能量守恆微分方程、湍流動能微分方程和湍流耗散微分方程聯立求解速度、壓力、溫度、湍流動能、湍流耗散率等參數，得到各參數三維分布場。所有求解方程通用形式div( pl/φ) = div( T.gmd·、+ S4式中，φ為通用變量，在各控制方程中代表求解量l、u、v、w、T、C、k、ε ; Γ 為變
量Φ對應的擴散係數A41為變量Φ對應的源項。左邊一項為對流項，右邊第一項為擴散項，第二項為廣義源項。表I三維直角坐標下通用方程的擴散係數和源項
權利要求
1.基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法，其特徵在於包括以下步驟 51:根據建築結構設計圖建立室內熱環境模型； 52:確定室內熱環境氣流組織方式； 53:設定室內熱環境的邊界條件和初始條件； 54:根據室內熱環境模型的氣流組織方式、邊界條件和初始條件通過CFD模擬計算出熱舒適值； 55:判斷熱舒適值是否滿足預設值，如果是，則轉入步驟S7 ； 56:如果否，則返回步驟SI對熱環境模型進行修改調整； 57:確定並輸出室內熱環境模型的最終方案。
2.根據權利要求I所述的基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法，其特徵在於所述氣流組織方式包括以下三種方式中任一種1)雙層百葉風口上送，單層百葉風口上回；2)雙層百葉風口側送，單層百葉風口上回；3)球形噴口送風，單層百葉風口上回。
3.根據權利要求I所述的基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法，其特徵在於所述邊界條件包括圍護結構材料參數、送風量、送風溫度、迴風量、迴風溫度和排風量；所述初始條件包括圍護結構初始溫度、圍護結構初始負荷以及空氣溫溼度。
4.根據權利要求I所述的基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法，其特徵在於所述熱舒適值包括溫度場、風速場、空氣齡、PMV值和PH)值。
5.根據權利要求I所述的基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法，其特徵在於所述預設值為溫度場的取值範圍為25±0. 5°C、風速場的速度值範圍為彡I. Om/s、空氣齡的取值範圍為彡900s、PMV值為-I +1和PB)值為彡20%。
6.根據權利要求I所述的基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法，其特徵在於所述步驟S6中對熱環境模型進行修改調整是通過調整熱環境模型中的送迴風口的尺寸大小、數量多少、位置以及送風口送風量的方式來實現的。
7.根據權利要求I所述的基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法，其特徵在於所述CFD模擬計算採用改進壓力校正法，所述改進壓力校正法的實現具體包括以下步驟 541:預設熱環境模型中與速度場相關聯的流體壓力場； 542:根據流體壓力場和當前速度場計算動量離散方程得到速度場； 543:用所得速度場計算熱環境模型中的連續性方程，得到壓力場的修正值； 544:調整更新壓力場和速度場，求解湍流方程和其他標量方程； 545:判斷當前時間步驟上的計算是否收斂，若不收斂，返回到步驟S42，迭代計算； 546:若收斂，返回步驟S41重複計算下一時間步驟的物理量。
全文摘要
本發明公開了一種基於CFD信息技術的中庭室內熱環境分析方法，首先根據建築結構設計圖建立室內熱環境模型，確定室內熱環境氣流組織方式，設定室內熱環境的邊界條件和初始條件，然後通過CFD模擬計算出溫度場、風速場、空氣齡、PMV值及PPD值；判斷熱舒適是否滿足預設值，如果否，則對熱環境模型進行修改調整；最後確定並輸出室內熱環境模型的最終方案。本發明採用現代信息技術計算流體力學CFD技術模擬大型購物中心建築的中庭室內熱環境，分別進行分析、比較和評價，選出最優方式，可改善設計，指導現場空調系統施工調試，對設計不當的地方提出修改意見，滿足購物中心建築物對人員的舒適性、健康性、安全性等的要求。
文檔編號G06F19/00GK102930145SQ20121039726
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月18日 優先權日2012年10月18日
發明者任慧軍, 朱保才, 張春良, 羅錦良 申請人:中建三局第二建設工程有限責任公司