基于SolidWorks Flow Simulation的建筑物內(nèi)部相對(duì)濕度研究

文|.南京熊貓電子裝備有限公司 .南京科德銳工業(yè)技術(shù)有限公司 何杏興 張一心

一、前言

每到秋冬季節(jié)，氣候會(huì)變得干燥，尤其是在冬季供暖的房間，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)相對(duì)濕度過低的情況。研究表明，建筑物室內(nèi)的相對(duì)濕度，通過加濕器或帶新風(fēng)的空調(diào)等設(shè)備可以控制在最適合人體的范圍內(nèi)。

二、CFD 技術(shù)及SolidWorks Simulation

CFD 是 計(jì) 算 流 體 力 學(xué)（Computational Fluid Dynamics）的簡稱，是流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相互融合的一門新興交叉學(xué)科，它從計(jì)算方法出發(fā)，利用計(jì)算機(jī)快速的計(jì)算能力得到流體控制方程的近似解。CFD 興起于20世紀(jì)60 年代，隨著20 世紀(jì)90 年代后計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，CFD 得到了飛速發(fā)展，逐漸與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)一起成為產(chǎn)品開發(fā)中的重要手段。

CFD 軟件通常指商業(yè)化的CFD 程序，具有良好的人機(jī)交互界面，能夠使使用者無需精通CFD 相關(guān)理論就能夠解決實(shí)際問題。SolidWorks Flow Simulation 軟件是一款功能強(qiáng)大的工具，使設(shè)計(jì)師和工程師能夠通過簡單的軟件操作去運(yùn)用復(fù)雜的計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 解決問題，幫助設(shè)計(jì)人員輕松快捷地仿真，獲取流體流動(dòng)、傳熱和流體作用力數(shù)據(jù)。利用SolidWorks Flow Simulation，設(shè)計(jì)人員可以快速高效地仿真建筑物室內(nèi)的相對(duì)濕度，方便設(shè)計(jì)人員調(diào)整建筑物內(nèi)部的空調(diào)或風(fēng)扇參數(shù)，從而提高室內(nèi)人群的人體舒適性。

三、利用SolidWorks Flow Simulation 進(jìn)行相對(duì)濕度計(jì)算

如圖1 所示的房間，天花板左側(cè)的風(fēng)管與外部設(shè)備相聯(lián)，提供的凈化空氣溫度為20℃，相對(duì)濕度為35%；天花板右側(cè)的風(fēng)管內(nèi)安裝有一個(gè)恒定風(fēng)速的風(fēng)扇向外排風(fēng)，風(fēng)速為1m3/min；房間內(nèi)的設(shè)備（鍋爐）提供0.1m3/min 的濕熱氣體，溫度為100℃，相對(duì)濕度為100%；另外有設(shè)定換熱量為1000W 的灶臺(tái)。人體的呼吸對(duì)相對(duì)濕度的影響很小，可以忽略不計(jì)。相對(duì)濕度計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 相對(duì)濕度計(jì)算模型

1、通過設(shè)置向?qū)碓O(shè)定初始條件

在SolidWorks Flow Simulation 中利用向?qū)Чδ芸梢苑浅７奖愕卦O(shè)定仿真的基礎(chǔ)條件，如項(xiàng)目名稱、單位、分析類型（內(nèi)流場、外流場等）、流體介質(zhì)、初始條件和網(wǎng)格等參數(shù)，如圖2 所示。

圖2 SolidWorks Flow Simulation 設(shè)置向?qū)?/p>

在該設(shè)置向?qū)е性O(shè)定分析類型為內(nèi)流場（Internal），指定Y方向重力加速度-9.81m/s2，流動(dòng)介質(zhì)為空氣，初始的相對(duì)濕度為60%，溫度為20.05oC。

2、設(shè)定出口和入口的邊界條件及熱源

分別指定模型中出口和入口的邊界和熱源，如圖3～6所示。

圖3 指定外部空氣入口條件

圖5 指定鍋爐輸出的濕熱空氣

圖6 定義體積熱源

3、設(shè)定仿真目標(biāo)

設(shè)計(jì)人員可以使用SolidWorks Flow Simulation 中定義的目標(biāo)（Goals）來定義計(jì)算收斂的標(biāo)準(zhǔn)，這些目標(biāo)可以使設(shè)計(jì)人員關(guān)注區(qū)域中的物理參數(shù)，從工程的角度來看，目標(biāo)的收斂意味著仿真的過程中這些目標(biāo)獲得了一個(gè)穩(wěn)態(tài)的結(jié)果。在SolidWorks Flow Simulation 中，目標(biāo)可以是全局的，如模型中的流體靜壓、溫度等，也可以是指定區(qū)域的點(diǎn)、面或體積的溫度和壓力值等，也可以是方程式目標(biāo)，如兩個(gè)面之間的壓降等。

本次仿真算例中，設(shè)計(jì)人員求解風(fēng)扇的出口處空氣目標(biāo)、及入口處的風(fēng)量和全局的空氣密度，如圖7 所示。

圖7 仿真目標(biāo)

4、仿真結(jié)果

仿真完成后，設(shè)計(jì)人員可以用模型中的某一個(gè)截面生成相對(duì)濕度的圖解，如圖8 所示，人體模型周圍的最大相對(duì)濕度約為50%。

圖8 相對(duì)濕度分布圖

仿真完畢后，設(shè)計(jì)人員可以查看模型中氣體的流動(dòng)軌跡。如圖9 所示，選擇之前的空氣流入的風(fēng)管截面，設(shè)定流動(dòng)軌跡。設(shè)計(jì)人員可以清楚地觀察到，該軌跡顯示外界的新鮮空氣流入房間，在房間內(nèi)與濕熱的空氣進(jìn)行混合，然后從從排氣口排放。

圖9 氣體流動(dòng)軌跡

四、結(jié)論

SolidWorks Flow Simulation 是集成在SolidWorks 三維軟件中的CFD 仿真軟件。利用SolidWorks Flow Simulation可以非常方便地計(jì)算建筑物內(nèi)部的溫度分布、空氣流動(dòng)軌跡和相對(duì)濕度等物理參數(shù)，從而給工程設(shè)計(jì)人員后續(xù)的設(shè)計(jì)工作提供參考和依據(jù)。