Fluent軟件特點(diǎn)及在室內(nèi)溫度計(jì)算中的應(yīng)用

劉增輝，趙軼文

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100029；2.北京工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100124）

隨著人們生活水平的提高，消費(fèi)者在裝修時(shí)越來越重視室內(nèi)美觀。新型的鋼制散熱器外形美觀、產(chǎn)品多樣化和系列化，是不少裝修家庭的首選。由于建筑裝飾單位和購買散熱器的用戶并非專業(yè)人員，不具備計(jì)算散熱器數(shù)量的專業(yè)知識(shí)，因此對(duì)散熱器的數(shù)量及安裝位置沒有明確的概念。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念中，由于害怕房間供熱不足而盲目增加散熱器片數(shù)，使散熱器安裝面積過大，導(dǎo)致冬天室溫過高，既造成了能源浪費(fèi)，又難于調(diào)節(jié)溫度，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)熱力失調(diào)的問題。CFD商用軟件能形象直觀地模擬出流體狀況，對(duì)于研究室內(nèi)溫度舒適度有很高的價(jià)值。

國外對(duì)散熱器的研究起步比較早，早在上世紀(jì)初，英、美、蘇等發(fā)達(dá)國家就有一批學(xué)者積極從事這一領(lǐng)域的研究并取得了一些成果。前蘇聯(lián)在散熱器片數(shù)取整方面的研究較早并作出了相應(yīng)的規(guī)范[1-2]。國內(nèi)從上世紀(jì)90年代開始對(duì)采暖工程設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行研究，開發(fā)出了一批散熱器數(shù)量計(jì)算軟件，如王華章利用Excel表格進(jìn)行采暖系統(tǒng)房間熱負(fù)荷和采暖管道的水力計(jì)算，并編制了一種散熱器數(shù)量計(jì)算程序，降低了計(jì)算工作的繁雜性[3]。但以往研究僅僅給出了散熱器的片數(shù)研究，在相同入口溫度的情況下，散熱器安裝位置和安裝方式對(duì)房間溫度的影響分析比較少，尚缺乏具體的計(jì)算，未給出具體的參考建議。本文利用Fluent數(shù)值模擬軟件對(duì)室內(nèi)溫度和風(fēng)速進(jìn)行模擬計(jì)算，主要討論了散熱器在不同安裝位置下的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布，對(duì)傳統(tǒng)的研究方法進(jìn)行了改進(jìn)和提升。

1 Fluent軟件

1.1 Fluent軟件特點(diǎn)

（1）Fluent軟件采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，而且具有基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格單元的梯度算法；

（2）Fluent軟件包含豐富而先進(jìn)的物理模型，使得用戶能夠精確地模擬無粘流、層流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型組、k-ε模型組、雷諾應(yīng)力模型(RSM)組、大渦模擬模型(LES)組以及最新的分離渦模擬(DES)和V2F模型等。另外用戶還可以定制或添加自己的湍流模型；

（3）Fluent軟件功能強(qiáng)，適用面廣。包括各種優(yōu)化物理模型，如計(jì)算流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)模型（包括自然對(duì)流、定常和非定常流、層流、湍流、紊流、不可壓縮和可壓縮流等）、輻射模型、相變模型、離散相變模型、多相流模型及化學(xué)組分輸運(yùn)和反應(yīng)流模型等。對(duì)每一種物理問題的流動(dòng)特點(diǎn)，有適合它的數(shù)值解法，用戶可對(duì)顯式或隱式差分格式進(jìn)行選擇，可以在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳。

1.2 Fluent求解問題步驟

（1）確定幾何形狀，生成計(jì)算網(wǎng)格（用 Gambit，也可讀入其他程序生成的網(wǎng)格）；

（2）選擇求解器：2D或 3D；

（3）選擇求解的方程：層流或湍流；（4）確定邊界類型及其邊界條件；（5）求解方法的設(shè)置及其控制；（6）流場(chǎng)初始化并計(jì)算；

（7）保存結(jié)果，進(jìn)行后處理等。

2 Fluent軟件在室內(nèi)溫度計(jì)算中的應(yīng)用

2.1 典型房間物理模型

對(duì)于普通的住宅建筑，戶型可能不盡相同，房間的結(jié)構(gòu)、朝向、布局等也不盡相同，因此不可能有兩個(gè)完全相同的房間。如果將各種因素都考慮進(jìn)去，問題會(huì)變得十分復(fù)雜。本文在考慮房間模型時(shí)建立了“典型房間”的概念，主要研究對(duì)象為具有公共走廊的普通建筑，該類建筑中標(biāo)準(zhǔn)層中間房間所占比例最大，因此把標(biāo)準(zhǔn)層中間房間作為典型房間建立模型，其他房間雖然外圍護(hù)結(jié)構(gòu)有所差別，但是可以參照典型房間進(jìn)行邊界條件的修正，完善房間模型。

標(biāo)準(zhǔn)層中間房間的結(jié)構(gòu)為規(guī)則的六面體，因此建立典型房間的模型如下：房間共六面，其中一面為外墻，其余五面為內(nèi)墻，在房間內(nèi)有一個(gè)散熱器。房間大小為4.2 m×4.2 m×2.8 m，散熱器大小為 1 m×0.6 m。 本文考慮在散熱器狀況相同條件下，三種工況的室內(nèi)平均溫度以及舒適度，進(jìn)而對(duì)用戶選擇散熱器的安裝數(shù)量和位置給出建議。三種工況分別為：（1）散熱器安裝在窗戶下方，（2）安裝在臨室內(nèi)墻，（3）安裝在窗戶對(duì)墻。

2.2 GAMBIT網(wǎng)格模型

依照以下步驟完成模型的構(gòu)造工作：

（1）利用Fluent軟件模擬之前，先使用GAMBIT繪制三維圖。在GAMBIT中按房間實(shí)際尺寸繪圖的步驟：先繪制房間、窗戶和散熱器，最后生成網(wǎng)格。計(jì)算中，嚴(yán)格按照1：1比例進(jìn)行建模，采用的網(wǎng)格大小為1 mm。

（2）確定求解器。選擇用于CFD計(jì)算的求解器為Fluent5/6。

（3）由于室內(nèi)換熱受多種因素干擾，因此對(duì)典型房間物理模型做如下簡化假設(shè)：均為無人、無家具的空房間；室內(nèi)房門視與內(nèi)墻相同，不單獨(dú)計(jì)算；房門始終關(guān)閉，不考慮冷風(fēng)侵入；不考慮房間墻壁的熱交換，將房間墻壁設(shè)為恒溫；不考慮窗戶換熱的影響，換熱都是通過與恒溫墻進(jìn)行；整個(gè)供暖系統(tǒng)可以看作房間里的一個(gè)熱源，利用熱傳導(dǎo)原理求出房間溫度分布；只考慮穩(wěn)態(tài)問題。

（4）定義邊界類型。在本文的模擬計(jì)算中，給出第一類邊界條件，即壁面溫度，如表1所示。

表1 壁面溫度

（5）輸出網(wǎng)格文件。選擇 File/Export/Mesh，輸入文件的路徑和名稱。

2.3 求解模型

（1）建立求解模型

啟動(dòng) Fluent，指定版本（Version）為三維單精度（3d），讀入GAMBIT生成的網(wǎng)格文件。

（2）設(shè)置參數(shù)

采用整體（integral）連續(xù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，采用 k-ε湍流模型，計(jì)算時(shí)采用一階非穩(wěn)態(tài)分離計(jì)算，考慮重力影響，方程組求解用SIMPLE算法，設(shè)置表1所示邊界條件。

（3）設(shè)置監(jiān)視器及迭代計(jì)算

取不同的參數(shù)，開始迭代計(jì)算，計(jì)算收斂時(shí)分析其溫度及速度分布。

2.4 室內(nèi)溫度分布

圖1給出了三種工況下的室內(nèi)溫度分布。在工況(1)條件下，室內(nèi)距地面1.1 m處空氣溫度比較均勻，靠窗部分由于窗戶的滲透，溫度較低。距地面1.1 m（坐姿頭部）處平均溫度與距地面0.1 m（踝部）處溫度之差約為1.5℃，符合ISO7730熱舒適標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的t1.1-t0.1≤3.0℃的熱舒適要求。

圖1 三種工況下溫度分布

工況(2)總體溫度分布比較均勻，但存在一些地方與周圍溫度有溫差，熱舒適感不如工況(1)。此外，室內(nèi)平均溫度顯然低于工況(1)。

工況(3)的室內(nèi)溫度并不夠均勻，在房間居中的位置要冷于房間四周，而居中的位置是住戶活動(dòng)較多的范圍，因此這樣的結(jié)果讓住戶感到不夠滿意。

2.5 室內(nèi)風(fēng)速分布

圖2給出了三種工況下的室內(nèi)風(fēng)速分布。可以看出工況(1)條件下空氣流速比較均勻，只有在靠窗位置以及地面附近流速較大，住戶有吹風(fēng)感，其余空間感覺較為舒適。

圖2 三種工況下風(fēng)速分布

工況(2)與工況(1)相比，空氣流速顯然要高于工況(1)，距離地面0.1 m位置存在很大的風(fēng)速，因此舒適感較差。

工況(3)與工況(2)相同，室內(nèi)空氣流動(dòng)方向明顯是由窗戶流向內(nèi)部，并且風(fēng)速較大，對(duì)住戶造成較為嚴(yán)重的不舒適感，讓住戶有吹風(fēng)的感覺。

2.6 模擬實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，無法將散熱器分別按三種工況進(jìn)行安裝，無法得到相應(yīng)的測(cè)量值，對(duì)于初始溫度的變化情況也無法得到實(shí)驗(yàn)值。

應(yīng)用商用軟件FLUENT進(jìn)行數(shù)值室內(nèi)溫度模擬計(jì)算，對(duì)于初始溫度和條件能準(zhǔn)確設(shè)定，使散熱器位置變換容易。另一方面，模型的建立是遵循1：1的比例，不存在尺度效應(yīng)的影響。此外，對(duì)于初始溫度的設(shè)置范圍也不受設(shè)備的影響。

從模擬計(jì)算結(jié)果可見，采用FLUENT軟件進(jìn)行室內(nèi)溫度數(shù)值模擬是可行的，尤其是可以給出各個(gè)截面的溫度和速度分布圖，能夠從更多角度分析各種工況下的舒適度，從而也說明了該方法的實(shí)用性。該方法能夠有效地節(jié)省人力、物力、財(cái)力，能夠準(zhǔn)確給出散熱器選型和安裝的具體建議，有利于節(jié)約能源，且整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中不受物理?xiàng)l件和人為因素影響。

本文分析了主流計(jì)算流體力學(xué)軟件——Fluent軟件的主要特點(diǎn)，并舉例說明了其在室內(nèi)溫度計(jì)算領(lǐng)域中的應(yīng)用。

利用商業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算是工程設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要手段，可以節(jié)省出大量時(shí)間考慮問題的本質(zhì)。從本文結(jié)果可以看出，無論從溫度場(chǎng)分布或者速度場(chǎng)分布，工況(1)的綜合舒適度要優(yōu)于工況(2)以及工況(3)，因此散熱器應(yīng)選擇靠窗戶的墻面進(jìn)行安裝。本文通過CFD技術(shù)的引入，完整地模擬了室內(nèi)溫度和速度分布，為選擇散熱器參數(shù)的計(jì)算提供了一種新的方法和手段。

[1]Jedrzejuk H，Marks W.Optimization of shape and functional structure of buildings as well as heat source utilisation example[J].Building and Environment，2002，(37)：1249-1253.

[2]Sha Kan，Yang Jun，Gan Woonseng.A simple calculation method for the self and mutual-radiation impedance of flexible rectangular patches in a rigid infinite baffle[J].Journal of Sound and Vibration，2005，(282)：179-195.

[3]王華章，豆亞利.利用 Excel表格進(jìn)行供暖系統(tǒng)[J].暖通空調(diào)，2004，34(11)：72-74.

[4]趙彬.室內(nèi)空氣流動(dòng)數(shù)值模擬的風(fēng)口模型研究及應(yīng)用[D].清華大學(xué)，2001.

[5]諸群飛.輔助設(shè)計(jì)用中庭熱環(huán)境全年動(dòng)態(tài)模擬方法的研究[D].清華大學(xué)，2007.

[6]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.