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建筑室内热环境仿真软件开发

作　者: 文灵红
导　师: 刘方；李百战
学　校: 重庆大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: CFD软件混合编程紊流核心计算程序
分类号: TU831
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

建筑室内热环境研究是暖通领域的重要内容之一,随着计算流体动力学和计算机技术的发展,建筑室内热环境仿真软件已成为建筑室内热环境研究的重要手段之一。国外,CFD软件已经发展较为成熟,但价格较昂贵,而国内的同类软件较为稀缺。因此,开发一套具有自主知识产权的CFD软件具有很高的价值。作者在VB.NET开发平台下,采用高效的计算语言Visual Fortran与Visual Basic混合编程,开发了一套界面友好,计算速度较快,计算结果可视化的建筑室内热环境仿真软件Indoor Thermal Environment Simulation(ITES)。本文的核心计算程序采用k ?ε双方程模型描述室内紊流流动,数值求解采用内节点法划分网格,离散化方法采用有限体积法,对流项差分格式选用混合格式。采用TDMA法迭代求解离散方程组,压力和速度的耦合采用SIMPLE算法,选用高效的计算语言Visual Fortran编程,实现整个求解过程。开发的室内热环境仿真软件(ITES)包括三大部分:前处理、核心计算程序和后处理。前处理分为四部分:设置求解问题的类型、建立模型、划分网格、设置求解参数,包括求解前的全部工作;核心计算程序求解问题,得到室内速度、压力、温度、湍动能、湍动耗散率、PMV-PPD以及浓度的分布;后处理以不同的形式显示求解结果,实现对室内环境的热舒适评价,以及房间空气质量的评价。ITES对不同室内热环境进行模拟,模拟结果与实验测试结果和同类商用软件Airpak模拟结果对比表明,ITES对室内空气流动模拟和热舒适评价具有可信性。后续工作中,基于本文开发的建筑室内热环境仿真软件ITES,开发能耗仿真程序,实现室内热环境仿真和评价以及能耗模拟和节能性评价,科学地指导室内热环境的设计;嵌入GIS组件,实现小区、整个城市的风环境、热环境模拟和评价以及热岛强度分析,为小区和城市的规划提供一定的科学指导。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
1 绪论  9-15
  1.1 研究背景与意义  9
  1.2 国内外研究现状  9-13
    1.2.1 国外研究现状  9-11
    1.2.2 国内研究现状  11-13
  1.3 本文的研究内容  13-15
2 数学物理模型  15-23
  2.1 数学模型  15-21
    2.1.1 基本方程  15-17
    2.1.2 紊流模型  17-19
    2.1.3 数学模型  19-21
  2.2 边界条件  21-22
    2.2.1 入口处  21
    2.2.2 出口处  21
    2.2.3 固定边界  21-22
  2.3 本章小结  22-23
3 方程离散和求解的理论基础  23-40
  3.1 离散化方法  23-31
    3.1.1 有限体积法  23
    3.1.2 网格的划分  23-26
    3.1.3 离散格式  26-30
    3.1.4 四项基本准则  30-31
  3.2 三维紊流对流与扩散问题  31-34
    3.2.1 网格系统  31-32
    3.2.2 各项的离散  32-33
    3.2.3 通用离散方程  33-34
  3.3 关于离散方程的求解  34-38
    3.3.1 原有网格系统的弊端  34-36
    3.3.2 交错网格  36-38
    3.3.3 SIMPLE 算法  38
  3.4 本章小结  38-40
4 方程的离散和求解  40-57
  4.1 方程的离散  40-54
    4.1.1 四套网格系统  40-41
    4.1.2 动量方程的离散  41-47
    4.1.3 压力修正方程  47-50
    4.1.4 能量方程的离散  50-51
    4.1.5 组分质量方程的离散  51-52
    4.1.6 紊流方程的离散  52-54
  4.2 方程的求解  54-56
    4.2.1 线性代数方程的解法  54-56
    4.2.2 方程的求解  56
  4.3 本章小结  56-57
5 核心计算程序  57-62
  5.1 程序的功能和结构  57-58
  5.2 子模块的功能  58-60
  5.3 影响程序收敛特性的因素  60-61
    5.3.1 线性代数解法  60
    5.3.2 松弛因子  60-61
    5.3.3 网格的划分  61
    5.3.4 迭代初值  61
  5.4 本章小结  61-62
6 软件的开发  62-83
  6.1 VB.NET 软件开发平台简介  62
  6.2 软件的开发  62-66
    6.2.1 ITES 的内在结构  62-63
    6.2.2 前处理  63-66
    6.2.3 核心计算程序  66
    6.2.4 后处理  66
  6.3 ITES 的功能及界面介绍  66-82
    6.3.1 File  67-69
    6.3.2 Model  69-75
    6.3.3 Mesh  75-76
    6.3.4 Solution  76-78
    6.3.5 Post  78-82
  6.4 本章小结  82-83
7 ITES 软件的验证  83-97
  7.1 实验验证  83-86
    7.1.1 实验条件  83-84
    7.1.2 测试温度值  84
    7.1.3 ITES 模拟  84-85
    7.1.4 ITES 的模拟结果与实验结果的对比  85-86
  7.2 成熟室内热环境仿真软件验证  86-96
    7.2.1 模拟方案  86-87
    7.2.2 ITES 模拟  87-92
    7.2.3 Airpak 模拟  92-96
    7.2.4 ITES 与Airpak 结果的对比  96
  7.3 本章小结  96-97
8 研究成果及今后的工作  97-99
  8.1 主要研究成果及结论  97
  8.2 今后的工作  97-99
致谢  99-100
参考文献  100-104
附录  104

建筑室内热环境仿真软件开发

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