CFD в зданиях - CFD in buildings

CFD означает вычислительная гидродинамика (и теплопередача). Согласно этой методике, основные дифференциальные уравнения проточной или тепловой системы известны в виде Уравнения Навье – Стокса, уравнение тепловой энергии и уравнение частиц с соответствующим уравнением состояния.^[1] В последние несколько лет CFD играет все более важную роль в строительный дизайн, после его непрерывного развития на протяжении более четверти века. Информация, предоставленная CFD, может быть использована для анализа воздействия выхлопных газов зданий на окружающую среду, для прогнозирования задымления и риска пожара в зданиях, для количественной оценки качества внутренней среды и для проектирования систем естественной вентиляции.

Приложения

В последнее время CFD находит очень широкое применение в различных областях науки и техники; некоторые примеры:^[2]

• Аэродинамика самолетов и транспортных средств: подъем и перетаскивание
• Гидродинамика кораблей
• Силовая установка: сгорание в двигателях внутреннего сгорания и газовые турбины
• Турбо-машины: Течение внутри вращающихся каналов, диффузоров и т. Д.
• Электротехника и электроника: охлаждение оборудования, в том числе микросхем.
• Химическая технология: смешивание, разделение и формование полимеров.
• Морская техника: нагрузки на морское сооружение.
• Инженерия окружающей среды: распределение загрязняющих веществ и стоков.
• Гидрология и океанография: течет в реках, эстуариях и океанах.
• Метеорология: прогноз погоды.
• Биомедицинская инженерия: кровь течет по артериям и венам.
• Внешняя и внутренняя среда зданий: ветровая нагрузка, вентиляция анализ и расчет тепловой / охлаждающей нагрузки.

Раньше большинство строительство -связанные вопросы, такие как анализ вентиляции, ветровая нагрузка, ветровая среда и т. д., были исследованы с использованием аэродинамическая труба тесты, но сегодня все эти тесты можно эффективно проводить с помощью CFD. CFD может решить все вышеупомянутые проблемы за относительно короткий период времени, и он более экономичен, а также является более сильным подходом, чем старый (экспериментальный).^[3] В настоящее время вычислительная гидродинамика используется как сложный метод моделирования воздушного потока и может использоваться для прогнозирования воздушного потока, теплопередачи и переноса загрязняющих веществ внутри и вокруг зданий. CFD играет важную роль в проектировании зданий, проектировании термически приемлемых, здоровых и энергоэффективных зданий. CFD может исследовать эффективность и действенность различных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), легко изменяя тип и расположение различных компонентов, условия приточного воздуха и графики управления системой. Кроме того, CFD помогает в разработке стратегий пассивного отопления / охлаждения / вентиляции (например, естественной вентиляции) путем моделирования и оптимизации планов строительных площадок и планировок помещений.^[4] В глобальном масштабе строительный сектор является источником примерно 40% общего потребления энергии.^[5]

В настоящее время существует огромный пробел в потребление энергии и производство энергии. Поскольку строительный сектор составляет огромную долю от общего потребления, важно исследовать оптимальную конфигурацию зданий, чтобы снизить потребление энергии зданиями. Для достижения этого важную роль может сыграть CFD. Моделирование производительности здания (BPS) и программы CFD важны строительный дизайн инструменты, которые используются для оценки характеристик здания, включая тепловой комфорт, эффективность механической системы качества воздуха в помещении и потребление энергии.^[6]

CFD на здания в основном используется для одной или нескольких следующих целей:

1. Термический анализ: сквозь стены, крышу и пол зданий
2. Вентиляция анализ.
3. Ориентация, расположение и выбор месторасположения зданий с учетом местных географических и экологических условий.

Термический анализ

В зданиях, теплопередача происходит во всех режимах, т.е. проводимость, конвекция и радиация. Чтобы снизить тепловые потери из зданий, можно провести анализ CFD для оптимальной конфигурации композитные стены, крыша и пол. Дифференциальная форма общего уравнения переноса имеет следующий вид:^[7]

${\displaystyle {\frac {\partial {(\rho \phi )}}{\partial t}}+{div\,(\rho u\phi )}={div\,(k\,grad\,\phi )}+{S_{\phi }}}$

(1)

Численное решение вышеуказанного уравнения может быть получено следующим образом: метод конечных разностей (FDM), метод конечных объемов (FVM) и метод конечных элементов (FEM). В зданиях для анализа теплопередачи скалярная функция ф в уравнении (1) заменяется температурой (T), коэффициент диффузии Γ заменяется теплопроводностью k, а исходный член ${\displaystyle S_{\phi }}$ заменяется термином "тепловыделение" e или любым источником теплового излучения ${\displaystyle Q_{i}}$ или обоими (в зависимости от характера доступного источника), и существуют разные формы уравнений для разных случаев. Для простоты и легкости понимания обсуждались только одномерные случаи.

В зданиях анализ теплопередачи может быть выполнен для всех частей здания (стен, крыши и пола) двумя способами.

1. Устойчивый термический анализ
2. Переходный термический анализ

Стационарный термический анализ

Термический анализ в установившемся режиме состоит из следующих типов основных дифференциальных уравнений.

Случай 1: Общее установившееся уравнение теплопроводности.

В этом случае управляющее дифференциальное уравнение (ОДУ) (1) принимает следующий вид:

${\displaystyle {div\,(\rho uT)}={div\,(k\,grad\,T)}+{S_{T}}\,}$

Кейс-2: Уравнение стационарной теплопроводности (без тепловыделения)

В этом случае управляющее дифференциальное уравнение (ОДУ) (1) принимает следующий вид:

${\displaystyle {div\,(\rho uT)}={div\,(k\,grad\,T)}\,}$

Кейс-3: Уравнение стационарной теплопроводности (без тепловыделения и без конвекции)

В этом случае управляющее дифференциальное уравнение (ОДУ) (1) принимает следующий вид:

${\displaystyle {div\,(k\,grad\,T)}=0\,}$

Переходный термический анализ

Переходный термический анализ состоит из следующих типов основных дифференциальных уравнений.

Случай 1: Переходная теплопроводность

В этом случае управляющее дифференциальное уравнение (ОДУ) (1) принимает следующий вид:

${\displaystyle {\frac {\partial {(\rho T)}}{\partial t}}+{div\,(\rho uT)}={div\,(k\,grad\,T)}+{S_{T}}\,}$

Кейс-2: Переходная теплопроводность (без тепловыделения)

В этом случае управляющее дифференциальное уравнение (ОДУ) (1) принимает следующий вид:

${\displaystyle {\frac {\partial {(\rho T)}}{\partial t}}+{div\,(\rho uT)}={div\,(k\,grad\,T)}}$

Кейс-3: Переходная теплопроводность (без тепловыделения и без конвекции)

В этом случае управляющее дифференциальное уравнение (ОДУ) (1) принимает следующий вид:

${\displaystyle {\frac {\partial {(\rho T)}}{\partial t}}={div\,(k\,grad\,T)}\,}$

Мы можем решить эти вышеупомянутые уравнения основного дифференциального уравнения (GDE), используя метод CFD.

Анализ вентиляции

Исследование вентиляции в зданиях проводится для определения термически комфортной среды с приемлемым качеством воздуха в помещении путем регулирования параметров воздуха в помещении (температура воздуха, относительная влажность, скорость воздуха и концентрации химических веществ в воздухе). CFD играет важную роль в регулировании параметров воздуха в помещении для прогнозирования эффективности вентиляции в зданиях. Прогноз производительности вентиляции предоставляет информацию о параметрах воздуха в помещении в помещении или здании еще до строительства зданий.^[8]

Эти параметры воздуха имеют решающее значение для создания комфортного помещения, а также для хорошей интеграции здания в окружающую среду. Это связано с тем, что для проектирования соответствующих систем вентиляции и разработки стратегий управления требуется подробная информация о следующих параметрах:

• Поток воздуха
• Рассеивание загрязняющих веществ
• Распределение температуры

Вышеупомянутая информация также может быть полезна архитектору при проектировании конфигурации здания. За последние три десятилетия технология CFD широко используется в зданиях со значительным успехом.^[9]

В последнее время вентиляция и связанные с ней области стали важной частью ветроэнергетики. Исследование вентиляции может быть выполнено с использованием исследования в аэродинамической трубе (экспериментально) или с помощью моделирования CFD (теоретически). Система естественной вентиляции может быть предпочтительнее системы принудительной вентиляции в некоторых приложениях, поскольку она устраняет или сокращает количество механической системы вентиляции, что может обеспечить как энергию вентилятора, так и экономию первых затрат. В настоящее время, благодаря развитию большого количества программного обеспечения CFD и другого программного обеспечения для моделирования характеристик здания, стало легче оценить возможность естественной / принудительной вентиляции в здании. Анализ CFD более полезен, чем экспериментальный подход, потому что здесь можно найти другие связанные отношения между переменными в постобработке. Данные, полученные экспериментально или численно, полезны двумя способами:^[10]

1. Лучший комфорт пользователя
2. Он предоставляет данные, которые используются в качестве входных данных для расчета теплового баланса зданий.

Ориентация, выбор места и места

Рисунок-1 (а): Обтекание здания (сбор воздуха на высоте и подача его на уровне земли)

Рисунок-1 (b): Обтекание здания (центр лицевой стороны)

Раньше при выборе места проживания учитывалась потребность в воде, поэтому большая часть застройки началась в долине. В настоящее время, благодаря развитию науки и технологий, становится легко выбрать правильную ориентацию, место и расположение зданий в зависимости от местных географических и экологических условий. При выборе строительной площадки и местоположения важную роль играет ветровая нагрузка. В случае двух зданий на локации существуют бок о бок с некоторым зазором, когда объем ветер удары по концам здания через зазор представляют собой, в первый момент, сумму обтекания каждого здания в отдельности, затем его скорость должна возрасти выше, чем вокруг конца одного здания за счет потери давления.

Таким образом, будет создаваемое давление, входящее в зазор, что приведет к более высоким ветровым нагрузкам на боковые стороны зданий. Когда ветер дует над фасадом высотного здания, нисходящий поток на лицевой стороне создает вихрь (как показано на рисунке 1). Скорость ветра в обратном направлении около уровня земли может составлять 140 процентов от эталонной скорости ветра. Так что, если в таком районе есть какое-либо здание, то оно может быть повреждено (особенно сильно повреждена крыша здания). Такое повреждение зданий можно успешно запретить, если учесть влияние ветровой нагрузки на ранней стадии строительства здания. В раннем возрасте строительства все эти эффекты ветровой нагрузки определялись тестом в аэродинамической трубе, но сегодня все эти испытания могут быть успешно выполнены с помощью анализа CFD. Важность создания приятных условий для зданий возрастает. Архитекторов и ветроэнергетиков часто просят изучить проект (ориентацию, место, расположение и промежутки между окружающими зданиями) на этапе формирования зданий и на этапе планирования строительства.^[10] Таким образом, с помощью анализа CFD можно найти подходящую информацию (местная скорость ветра, коэффициенты конвекции и интенсивность солнечного излучения) для ориентации, выбора места и местоположения зданий.

Подход CFD для анализа теплопередачи в зданиях

Метод CFD можно использовать для анализа теплопередачи в каждой части здания. Техника CFD находит решение следующими способами:

1. Дискретизация основного дифференциального уравнения численными методами (обсуждался метод конечных разностей).
2. Решите дискретизированную версию уравнения с помощью высокопроизводительных компьютеров.

Дискретизация основных дифференциальных уравнений для стационарного анализа теплопередачи

Рассмотрим здание с плоской стеной толщиной L, тепловыделением e и постоянной теплопроводностью k. Стена разделена на M равных участков толщиной ${\displaystyle \Delta x}$ = X / T в направлении x, и деления между регионами выбираются как узлы, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2: узловые точки и элементы объема для конечно-разностной формулировки одномерной проводимости в плоской стенке.

Вся область стены в x-направлении делится на элементы, как показано на рисунке, и размер всех внутренних элементов одинаков, а для внешних - половина.

Теперь, чтобы получить решение FDM для внутренних узлов, рассмотрим элемент, представленный узлом m, который окружен соседними узлами m-1 и m + 1. Метод FDM предполагает, что температура изменяется линейно в стенах (показано на рисунке 3).

Решение FDM (для всех внутренних узлов, кроме 0 и последнего узла):

${\displaystyle {\frac {(T_{m-1}^{i}-2T_{m}^{n}+T_{m}^{i})}{\Delta {x}^{2}}}+{\frac {e}{k}}=0}$

Рисунок 3: Линейное изменение температуры в конечно-разностной формулировке

Граничные условия

Вышеприведенное уравнение справедливо только для внутренних узлов. Чтобы получить решение для внешних узлов, мы должны применить граничные условия (если применимо), которые заключаются в следующем.^[11]

1.Указанное граничное условие теплового потока

${\displaystyle q_{0}A+kA{\frac {(T_{1}-T_{0})}{\Delta {x}}}+{\frac {e_{0}}{2}}A\Delta {x}=0}$

Когда граница изолирована (q = 0)

${\displaystyle kA{\frac {(T_{1}-T_{0})}{\Delta {x}}}+{\frac {e_{0}}{2}}A\Delta {x}=0}$

2. Конвективное граничное условие.

${\displaystyle hA{(T_{\infty }-T_{0})}+kA{\frac {(T_{1}-T_{0})}{\Delta {x}}}+{\frac {e_{0}}{2}}A\Delta {x}=0}$

3. Радиационное граничное условие.

${\displaystyle \epsilon \sigma A{(T_{sur}^{4}-T_{0}^{4})}+kA{\frac {(T_{1}-T_{0})}{\Delta {x}}}+{\frac {e_{0}}{2}}A\Delta {x}=0}$

4. Комбинированное конвективное и радиационное граничное условие. (показано на рисунке 4).

${\displaystyle hA{(T_{\infty }-T_{0})}+\epsilon \sigma A{(T_{sur}^{4}-T_{0}^{4})}+kA{\frac {(T_{1}-T_{0})}{\Delta {x}}}+{\frac {e_{0}}{2}}A\Delta {x}=0}$

или когда объединяются коэффициенты теплоотдачи излучения и конвекции, уравнение принимает следующий вид:

${\displaystyle hA_{combined}{(T_{\infty }-T_{0})}+kA{\frac {(T_{1}-T_{0})}{\Delta {x}}}+{\frac {e_{0}}{2}}A\Delta {x}=0\,}$

Рисунок 4: Схема для FDM-формулировки комбинированной конвекции и излучения на левой границе плоской стены.

5. Совместное граничное условие конвекции, излучения и теплового потока.

${\displaystyle q_{0}A+hA{(T_{\infty }-T_{0})}+\epsilon \sigma A{(T_{sur}^{4}-T_{0}^{4})}+kA{\frac {(T_{1}-T_{0})}{\Delta {x}}}+{\frac {e_{0}}{2}}A\Delta {x}=0}$

6. Граничное условие интерфейса: когда есть интерфейс (в композитных стенках) разных стенок, имеющих разные теплофизические свойства, предполагается, что две разные твердые среды A и B находятся в идеальном контакте и, следовательно, имеют одинаковую температуру на границе раздела в узле m (как показано на рисунке 5).

${\displaystyle k_{A}A{\frac {(T_{m-1}-T_{m})}{\Delta {x}}}+k_{B}A{\frac {(T_{m+1}-T_{m})}{\Delta {x}}}+{\frac {e_{A,m}}{2}}A\Delta {x}+{\frac {e_{B,m}}{2}}A\Delta {x}=0}$

Рисунок 5: Схема FDM граничного условия границы раздела для двух сред A и B, имеющих идеальный тепловой контакт

В приведенных выше уравнениях q_0 = означает, что указанный тепловой поток находится в ${\displaystyle (W/m^{2})}$, h = конвективный коэффициент, ${\displaystyle h_{combined}}$ = комбинированный коэффициент конвективной и радиационной теплоотдачи,${\displaystyle T_{s}ur}$ = Температура окружающей поверхности,${\displaystyle T_{(}\infty )}$ = Температура окружающей среды, ${\displaystyle T_{0}}$ = Температура в начальном узле. Примечание: для внутренней стороны стены мы можем применить подходящее граничное условие сверху (если применимо), в этом случае ${\displaystyle T_{(}\infty )}$ будет заменен на ${\displaystyle T_{r}}$ (Комнатная температура), ${\displaystyle T_{0}}$= будет заменен на ${\displaystyle T_{l}}$ (Температура последнего узла).

Дискретизация основных дифференциальных уравнений для анализа нестационарного теплообмена

Переходный термический анализ более важен, чем устойчивый термический анализ, так как этот анализ включает изменяющиеся условия окружающей среды во времени. При неустановившейся теплопроводности температура изменяется со временем, а также с положением. Решение с конечной разностью переходной теплопроводности требует дискретизации во времени в дополнение к пространству, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6: FDM-формулировка задачи, зависящей от времени, включает дискретные точки во времени, а также в пространстве

Узловые точки и элементы объема для переходной FDM-формулировки одномерной проводимости в плоской стене существуют, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7: Узловые точки и элементы объема для нестационарной формулировки FDM для одномерной проводимости в плоской стене.

Для этого случая явное решение FDM для уравнения (1) будет следующим:

${\displaystyle kA{\frac {(T_{m-1}^{i}-T_{m}^{i})}{\Delta {x}}}+kA{\frac {(T_{m+1}^{i}-T_{m}^{i})}{\Delta {x}}}+{e_{m}}A\Delta {x}=(\rho c_{p}\Delta xA){\frac {(T_{m}^{i+1}-T_{m}^{i})}{\Delta x}}}$

Приведенное выше уравнение может быть решено в явном виде для температуры ${\displaystyle (T_{m}^{i+1})}$ давать

${\displaystyle {T_{m}^{i+1}}=\tau {(T_{m+1}^{i}-T_{m}^{i})}+{(1-2\tau )}T_{m}^{i}+\tau {\frac {(e_{m}\Delta {x}^{2})}{k}}}$

куда,

${\displaystyle \tau ={\frac {(\alpha \Delta t)}{\Delta x^{2}}}\,}$

и

${\displaystyle \alpha ={\frac {k}{\rho c_{p}}}\,}$

здесь,${\displaystyle \tau }$ представляет собой ячейку Фурье no,${\displaystyle \alpha }$ представляет собой коэффициент температуропроводности, ${\displaystyle c_{p}}$ представляет собой удельную теплоемкость при постоянном давлении, ${\displaystyle \Delta t}$ представляет временной шаг,${\displaystyle \Delta x}$ представляет собой космический шаг.

Вышеупомянутое уравнение действительно для всех внутренних узлов, и чтобы найти связь для первого и последнего узла, примените граничные условия (если применимо), как описано в установившейся теплопередаче. Для границы конвекции и излучения, если данные о солнечном излучении ${\displaystyle q_{solar}}$, в (${\displaystyle (W/m^{2})}$) и известна константа коэффициента поглощения-пропускания K, соотношение для температуры получается следующим образом;

${\displaystyle hA{(T_{\infty }^{i}-T_{0}^{i})}+\kappa Aq_{sol}=(\rho c_{p}\Delta xA){\frac {(T_{1}^{i}-T_{0}^{i})}{\Delta x}}}$

Примечание: термический анализ крыши и пола здания может быть выполнен таким же образом, как описано для стен.

Смотрите также

• Вычислительная гидродинамика
• Естественная вентиляция
• JPMorgan Chase Tower (Хьюстон)
• Динамическая изоляция
• Температурный менеджмент мощных светодиодов
• Вентилируемый кожух безопасности баланса
• Различные типы граничных условий в гидродинамике
• Аэродинамическая труба
• Теплица

Рекомендации

1. Foluso, Ladeinde (1997), "Применение CFD в HVAC & R", Журнал ASHRAE, 39 (1): 44–48
2. Верстег, Х. (2009). Введение в вычислительную гидродинамику. Пирсон Публикации. ISBN  978-81-317-2048-6.
3. Лоусон, Том (2010). Строительная аэродинамика. Imperial College Press. ISBN  978-81-7596-757-1.
4. Чжай, Чжицян (2005), "Применение вычислительной гидродинамики в проектировании зданий: аспекты и тенденции", Внутренняя и искусственная среда, 15 (4): 305–313, Дои:10.1177 / 1420326X06067336, S2CID  8513531
5. Бергер, Леопольдс (2011), «Активизация оценки недвижимости: оценка энергоэффективных зданий», Журнал оценки, 79 (2): 115–125
6. Чжай, Чжицян Джон; Чен, Цинъянь Ян (2005), "Производительность комбинированного моделирования энергии здания и CFD", Энергия и здания, 37 (4): 333, Дои:10.1016 / j.enbuild.2004.07.001
7. Верстег, Х. (2009). Введение в вычислительную гидродинамику. Пирсон Публикации. ISBN  978-81-317-2048-6.
8. Чен, Цинянь (2009). «Прогнозирование эффективности вентиляции для зданий: обзор методов и недавние применения». Строительство и окружающая среда. 44 (4): 848–858. Дои:10.1016 / j.buildenv.2008.05.025.
9. Chen, Q .; Сребрич, Дж. (2000), "Применение инструментов CFD для проектирования внутренней и внешней среды", Международный журнал архитектурных наук, 1 (1): 14–29
10. Лоусон, Том (2010). Строительная аэродинамика. Imperial College Press. ISBN  978-81-7596-757-1.
11. А. Ценгель, Юнус (2008). Тепломассообмен. Тата МакГроу-Хиллз. ISBN  978-0-07-063453-4.

внешняя ссылка

• Основы CFD
• Сборник приложений CFD в архитектуре и строительстве
• Эффективность отвода влажности для кухонной вытяжной системы
• Оптимизация вентиляции чистых помещений
• Интеграция BIM с CFD для проектирования окружающей среды и объектов
• Моделирование эффекта стека на YouTube
• Моделирование пожара на парковке и аварийной вентиляции на YouTube
• CFD-анализ для лабораторий биобезопасности на YouTube
• Имитация аварийной эвакуации при пожаре в офисе на YouTube
• Моделирование воздухообрабатывающей установки CFD на YouTube
• Моделирование эффекта поршня в подземном туннеле метро на YouTube
• CFD-дизайн системы HVAC для здания атомной электростанции
• Анализ производительности здания с использованием вычислительной гидродинамики
• Изображения для анализа cfd в зданиях
• DesignBuilder CFD
• CFD-АНАЛИЗ ПОТОКОВ И КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПОЛЕЙ ВОКРУГ ЗДАНИЯ С КРЫШЕЙ
• CFD КАК ИНЖЕНЕРНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ УСЛУГ
• Производительность совместного моделирования энергии здания и CFD моделирования
• ПРИМЕНЕНИЕ CFD В МОДЕЛИРОВАНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЯ ДЛЯ НАРУЖНОЙ СРЕДЫ
• Интеграция CFD и моделирования строительства
• Строительный дизайн и анализ
• Возможности вычислительной гидродинамики (CFD) для строительных услуг
• CFD в HVAC и зеленом строительстве
• CFD-прогнозирование воздушного потока в зданиях для естественной вентиляции
• Преимущества CFD и практическое применение
• Численное связывание Modelica и CFD для систем энергоснабжения зданий
• Применение услуг термического CFD
• CFD-анализ утечки природного газа на электростанции