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建筑室内环境的数值模拟研究

作　者: 聂成刚
导　师: 李百战；李楠
学　校: 重庆大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: CFD 数值模拟 N点风口模型结构化网格混合编程
分类号: TU831
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

如何预测建筑室内环境状况是暖通空调领域一个重要的研究课题,随着计算机技术和计算流体力学的快速发展,CFD方法已经成为室内环境分析的重要手段之一。目前市场上已经出现了将近50余款的商用CFD模拟软件,但这些模拟软件主要被国外的研究单位或者公司所有,价格昂贵、且研究者很难将最新的研究成果加入到这些软件中,因此,开发具有自主知识产权的CFD模拟软件具有及其重要的科研价值。作者利用Visual basic 6.0和Compaq Visual Fortran 6.6混合编程的方法,在对建筑室内环境数值模型研究的基础上,对导师的室内环境模拟程序的源代码进行了大量的改进,从而开发出了一套界面友好,计算速度高效的建筑室内环境数值模拟程序IAMTE 3.0。本文首先对建筑室内环境模拟的一般问题进行了研究,建立了流动换热的通用控制方程组,并通过对通用控制方程组的离散化处理,得到了流动与换热的常规算法和加速收敛措施,为建筑室内环境数值模拟提供了基本的求解方法。其次,本文对建筑室内环境模拟的特殊性问题进行了研究,介绍了适用于室内环境模拟的风口模型、热源模型和污染源模型的实现方法,并将这些简化模型运用于程序计算之中,从而使得计算程序能够更加合理的反映室内环境的气流组织状况、热环境状况以及污染物的分布状况。第三,本文根据室内环境模拟网格划分的需要,提出了基于ZONE空间的结构化网格生成算法,该算法能够人为的控制网格疏密,生成较高质量的网格,同时可以根据模拟的要求生成均匀或非均匀的粗细网格,节约核心程序的运算时间,这一网格生成算法对室内环境数值模拟网格质量的控制非常适用。最后,本文在Visual Basic 6.0软件平台上开发了具有不同功能的程序界面,实现了前处理过程的可视化;在Compaq Visual Fortran 6.6软件平台上对核心计算程序进行了大量的改进,使之能够很好的适应前处理描述的建筑热物理模型参数;并给出了Tecplot可识别的数据结构形式及IAMTE 3.0程序输出模拟计算结果文件的具体实现方法,从而实现了对建筑室内环境数值模拟程序IAMTE 3.0的整个开发过程。本程序通过与成熟的CFD商业软件的对比分析,证实了该模拟程序对室内气流组织模拟、污染物扩散模拟以及自然通风模拟结果的可靠性。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
1 绪论  9-17
  1.1 课题研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-17
    1.2.1 国外建筑室内环境CFD 研究现状  10-12
    1.2.2 国内建筑室内环境CFD 研究现状  12-13
    1.2.3 课题研究内容  13-14
    1.2.4 课题研究技术路线  14-17
2 室内环境数值模拟的方法  17-37
  2.1 控制方程  17-27
    2.1.1 基本方程  17-21
    2.1.2 湍流模型  21-25
    2.1.3 通用形式  25-27
  2.2 方程的离散  27-31
    2.2.1 网格的划分方法  28-29
    2.2.2 离散的格式  29-31
  2.3 离散方程的求解  31-34
    2.3.1 交错网格  32-33
    2.3.2 SIMPLE 算法  33-34
  2.4 加速收敛措施  34-35
  2.5 小结  35-37
3 室内环境数值模拟模型  37-49
  3.1 数值模拟的风口模型  37-44
    3.1.1 传统风口模型的弊端  38-39
    3.1.2 N 点风口模型  39-41
    3.1.3 N 点风口模型处理方法  41-44
  3.2 数值模拟的热源模型  44-47
    3.2.1 热源模型的种类  44-47
    3.2.2 热源模型的简化处理方法  47
  3.3 数值模拟的污染源模型  47-48
    3.3.1 气态污染物空气中分布模型  47-48
    3.3.2 气体污染源模型的处理方法  48
  3.4 小结  48-49
4 结构化网格的生成  49-57
  4.1 引言  49
  4.2 结构化网格的生成算法  49-53
  4.3 网格生成界面  53-54
  4.4 小结  54-57
5 室内环境模拟程序的实现  57-81
  5.1 程序开发平台及说明  57-58
  5.2 程序的前处理  58-69
    5.2.1 求解问题设置面板  59-60
    5.2.2 几何模型建立面板  60-66
    5.2.3 加速收敛措施面板  66-68
    5.2.4 热舒适评价指标面板  68-69
  5.3 程序的核心计算程序  69-75
    5.3.1 IAMTE 3.0 子程序  70-73
    5.3.2 IAMTE 3.0 求解方法  73-75
  5.4 程序的后处理  75-79
    5.4.1 模型参数的输出格式  76-78
    5.4.2 运算结果的输出格式  78-79
  5.5 小结  79-81
6 室内环境模拟程序的验证与运用  81-115
  6.1 CASE 1 夏季空调办公室的气流组织模拟  81-90
    6.1.1 CASE1 IAMTE 3.0 网格  83-85
    6.1.2 CASE1 模拟结果比较  85-90
  6.2 CASE 2 夏季空调车间的污染物扩散  90-102
    6.2.1 CASE2 IAMTE 3.0 网格  93-94
    6.2.2 CASE2 模拟结果对比  94-102
  6.3 CASE3 自然通风环境下的人体热舒适模拟  102-114
    6.3.1 CASE3 IAMTE 3.0 网格  104-105
    6.3.2 CASE3 模拟结果对比  105-114
  6.4 小结  114-115
7 结论与展望  115-117
  7.1 结论  115-116
  7.2 展望与建议  116-117
致谢  117-119
参考文献  119-125
附录  125

建筑室内环境的数值模拟研究

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