建筑室内环境的数值模拟研究

论文摘要

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。

论文目录

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