大空间气流组织数值模拟与优化

论文摘要

对于工业厂房类的大空间,常规设计方法很难准确分析评估其气流组织。试验研究和数值计算研究是探索气流组织的两种重要方法。试验研究方法周期长、费用多,而数值计算研究方法则不仅周期短、费用少,而且便于进行多方案的比较,由计算得到的速度场、温度场等可以用于气流组织设计。近几年来,随着计算机大容量化和高速度化以及计算流体力学的发展,应用CFD技术模拟预测高大空间建筑空调系统的气流组织以及优化设计方案成为可能。所以数值计算的研究方法得到了越来越多的应用。本文采用三维定常Navier-Stokes方程组和k ?ε紊流模型,对厂房的气流组织进行了数值模拟。论文通过对比分析厂房实际测定数据与数值模拟结果,验证了CFD方法的可行性与结果的可靠性;为了优化厂房的气流组织,提出了九种不同方案,首先用数值模拟的方法得出气流速度场云图,优选出三种方案,再次通过对这三种方案进行模型试验,测得相应速度场数据,运用气流不均匀系数作评价指标,对结果进行分析与对比,得到最优方案,探索出相应的优化规律。长期以来,我国大空间气流组织的设计都凭经验进行,在设计规范中尚未提出具体量化的要求。本文实现了大空间气流组织的数值模拟,并通过了试验的方法验证了数值计算的结果,这就为以断面不均匀系数作为评价气流主旨的设计标准提供了可能,可供今后的设计参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的意义
• 1.2 蒸发冷却技术简介
• 1.3 CFD 简介及其工程应用
• 1.3.1 CFD 技术优点
• 1.3.2 CFD 在工程领域中的应用
• 1.4 CFD 在学术研究领域中的应用
• 1.4.1 CFD 在国外学术研究领域中的应用
• 1.4.2 CFD 在国内学术研究领域中的应用
• 1.5 论文主要工作
• 第二章 紊流流动及其数学模型
• 2.1 紊流概述
• 2.2 紊流模拟的思想观点
• 2.3 紊流的模拟方法
• 2.3.1 直接模拟 DNS（Direct Numerical Simulation）
• 2.3.2 大涡模拟 LES（Large Eddy Simulation）
• 2.3.3 Reynolds 时均方程（Reynolds-averaging equations）模拟
• 2.4 常用的紊流模型
• 2.4.1 零方程模型
• 2.4.1.1 常系数模型
• 2.4.1.2 二维Prandtl 混合长度模型
• 2.4.2 一方程模型（one-equation model）
• 2.4.3 两方程模型（two-equation model）
• 2.4.4 其它模型
• 第三章 数值计算方法
• 3.1 数值模拟理论
• 3.1.1 控制方程
• 3.1.2 控制方程的离散方法
• 3.2 离散方程组的求解
• 3.2.1 代数方程的求解
• 3.2.2 松弛与欠松弛
• 3.2.3 交错网格
• 3.2.4 基于SIMPLE 算法的速度场和压力场的求解
• 3.2.5 SIMPLE 算法的计算顺序
• 3.2.6 壁面函数法
• 第四章 厂房原型气流组织的数值计算及实测验证
• 4.1 厂房原型气流组织的数值计算
• 4.1.1 数值模拟的物理模型
• 4.1.2 流动的基本方程
• 4.1.3 模型假设
• 4.1.4 边界条件的处理
• 4.1.4.1 进口边界条件
• 4.1.4.2 出口边界条件
• 4.1.4.3 固定壁面边界条件
• 4.1.4.4 计算区域的离散
• 4.1.4.5 控制方程的离散
• 4.1.4.6 离散方程的计算方法
• 4.2 数值计算结果及实测对比分析
• 4.2.1 实际参数测定
• 4.2.2 数值模拟结果
• 4.2.3 结果分析
• 第五章 模型气流组织的数值计算及试验研究
• 5.1 厂房模型气流组织的数值计算及方案初选
• 5.1.1 数值模拟的物理模型
• 5.1.2 进口边界条件
• 5.1.3 计算区域的离散
• 5.1.4 方案初选
• 5.2 厂房模型气流组织的试验研究
• 5.2.1 模型试验的目的与内容
• 5.2.2 模型试验的装置
• 5.2.3 模型试验的方法
• 5.2.4 人员分布及测点位置
• 5.2.5 实测数据
• 5.3 气流组织的评价方法与分析结果
• 5.3.1 气流分布性能的评价方法
• 5.3.2 气流分布的结果分析
• 第六章 总结及展望
• 参考文献
• 附录一
• 附录二
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文