风口区空气流动的有限元模拟与实验研究
室内空气流动数值模拟的N点风口动量模型
室内空气流动数值模拟的N点风口动量模型
赵彬;李先庭;彦启森
【期刊名称】《计算力学学报》
【年(卷),期】2003(020)001
【摘要】为适应工程应用中快速、准确模拟室内空气流动的需要,提出N点风口动量模型,以简化描述利用计算流体动力学CFD方法模拟室内空气流动时百叶、多孔板类送风口的入流边界条件.百叶和多孔板风口的等温自由射流算例以及HESCO 孔板类散流器在室内送风的算例和实验数据对比表明,N点风口动量模型可以较好地解决数值模拟室内空气流动的风口入流边界条件描述问题.
【总页数】7页(P64-70)
【作者】赵彬;李先庭;彦启森
【作者单位】清华大学,建筑学院技术科学系建筑环境与设备研究所,北京,100084;清华大学,建筑学院技术科学系建筑环境与设备研究所,北京,100084;清华大学,建筑学院技术科学系建筑环境与设备研究所,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TU834
【相关文献】
1.V2F模型在室内空气流动数值模拟中与其他湍流模型的比较研究 [J], 李孔清;龚光彩;汤广发
2.室内空气流动数值模拟的风口模型综述 [J], 赵彬;李先庭;彦启森
3.湍流模型和壁面函数对室内空气流动数值模拟的影响 [J], 谢海英;张双;关欣
4.不同湍流模型数值模拟神光Ⅲ靶场室内空气流动的比较 [J], 张中礼;王易君;李明海
5.高炉风口多股流喷吹粉煤与空气流动数值模拟 [J], 张全;鄂加强;谢铠;赵黎明;尹坚
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空调风口设计中的流体力学数值模拟研究
空调风口设计中的流体力学数值模拟研究空调是现代生活中不可或缺的一部分，尤其是在炎热的夏季。
然而，很少有人会关注到空调中风口设计的复杂性，以及其中涉及的流体力学数值模拟研究。
风口设计的好坏会直接影响空气流通的效果，进而影响室内温度、湿度、舒适度等方面，值得我们深入研究。
空调内部的风口设计，是考虑室内空气的流体力学行为而进行的。
因此，在设计过程中进行数值模拟以分析空气流动规律和优化方案，有助于提高设计的效果。
数值模拟分为两个层面，一是稳态流动，一是瞬态流动。
在深入研究之前，先简单介绍一下二者的不同。
稳态流动是指所研究的物质状态和运动特征在一定时间内不发生变化，通俗来讲就是物体的状态和运动趋势相对稳定。
在空调中，稳态流动的数值模拟主要是为了评价气流的速度、流量、压力等，从而确定风口和送风口的形状、大小、位置，以达到合理的空气流通效果。
瞬态流动的数值模拟则是研究物理场随时间的演化过程，通俗来讲就是物体的状态和运动趋势发生了变化。
在空调中，瞬态流动的数值模拟主要是为了研究气流如何影响、反馈/调控室内温度、湿度、舒适度等。
在进行空调风口设计的数值模拟时，首先需要进行流场分析，以确定送风口位置和送风口大小，并决定出风口设计方案。
分析这里涉及到的领域包括：流速场、压力场、温度场、湿度场等，需要综合考虑，打破不同场之间的障碍，做好多重耦合模拟。
这样可以更加精确地模拟室内气流场，实现较好的均流效果，避免出现过大或过小的气流速度局部梯度差，造成局部死角。
为了对这些模拟数据进行验证，需要对比实际数据。
在实际的测试过程中，需要通过各种方法来衡量室内的气流流场特征参数，这样就可以更加准确更全面地评估室内气流流场的均匀性。
常用的测试手段包括：风速计、热像仪、颗粒追踪仪等，都可以使我们对室内气流流场有一个较好的感性认识，。
通过以上步骤，空调风口设计中的流体力学数值模拟得到持续改进和发展。
从单一静态的均匀气流送风，到动态的打破屏障、优化送风方式，数值模拟在空调风口设计中扮演着越来越重要的角色。
大气工程风洞试验技术研究与应用
大气工程风洞试验技术研究与应用近年来，随着工程科技的不断发展，大气工程风洞试验技术在工程设计和风能开发等领域的应用日益广泛。
本文将介绍大气工程风洞试验技术的研究现状和应用前景，并探讨其在不同领域的实际案例。
一、大气工程风洞试验技术的研究现状大气工程风洞试验技术是一项涉及空气流动的实验技术，通过模拟大气环境中的流动场，以验证、改进和优化工程设计。
目前，大气工程风洞试验技术主要分为物理模型试验和数值模拟试验两大类。
物理模型试验通过制作具有相似特性的缩比模型来模拟真实环境中的流动情况，从而验证工程设计的可行性。
数值模拟试验则通过计算机模拟流体力学和相关数值算法，对空气流动进行仿真，以分析流动状态和获得工程设计所需的参数。
目前，大气工程风洞试验技术在多个领域得到了广泛应用。
例如，建筑结构设计中的风洞试验可以验证建筑物的稳定性和抗风能力，特别是高层建筑和跨海大桥等高风压环境下的工程。
同时，风洞试验也对风能开发具有重要意义。
通过对风力发电机组和风能转换装置的模拟试验，可以提高其风能捕捉效率，并优化工程设计。
除了上述常见应用领域外，大气工程风洞试验技术在交通运输、航空航天以及环境保护等领域也有应用案例。
例如，在高速列车研发中，风洞试验可以模拟列车运行时的空气动力学特性，以优化列车结构和减小空气阻力，提高列车运行效率。
在航空航天领域，风洞试验可以模拟飞机在不同速度、高度和气候条件下的飞行情况，以评估飞机性能和改善飞行安全。
在环境保护领域，风洞试验可以模拟排放源的气流扩散和污染物传输，深入研究大气污染扩散规律，为应对大气污染问题提供科学依据。
二、大气工程风洞试验技术的应用前景随着科技的日新月异，大气工程风洞试验技术正不断发展和创新。
一方面，传统的物理模型试验正在向数字化和智能化方向发展，利用先进的传感器和数据采集技术，对实验过程进行实时监测和自动控制，提高试验的准确性和效率。
同时，数值模拟试验也在模型建立、算法改进以及计算效率等方面进行持续优化，以满足更多实际工程设计的需求。
建筑物空气流动场数值模拟及优化研究
建筑物空气流动场数值模拟及优化研究作为建筑工程师，如何保证建筑物的空气质量和室内环境是一个重要的问题。
空气流动场数值模拟及优化研究便成为了解决这个问题的重要方法。
建筑物内部的空气流动场会受到很多因素的影响，如建筑的形式、通风系统的设计、室内设备的位置等。
这些因素结合在一起会影响室内的空气质量和舒适度。
数值模拟能够帮助建筑工程师更好地了解建筑物内部的流动场，从而进行优化设计。
数值模拟采用计算流体力学（CFD）技术，可以模拟建筑物内部的气流运动，包括空气的流速、压力、温度等等，从而帮助工程师找到潜在的问题。
数值模拟需要建立合适的模型，考虑到建筑物的形式、通风系统的设计、室内设备的位置等因素。
一旦模型建立完毕，就可以使用计算机进行模拟，得出建筑物内部的气流运动以及各种参数分布情况。
通过分析数据，可以发现可能存在的问题，并且进行优化研究。
数值模拟优化研究的目的就是通过优化设计来改善建筑物内部的空气质量和舒适度。
优化的方法包括改变建筑物的形式、优化通风系统的设计，以及调整室内设备的位置等等。
这样做可以让建筑物内部的气流运动更加合理，从而改善室内环境。
另外，数值模拟还可以用于预测新建建筑的气流运动，提前发现潜在的问题。
当建筑物尚处于设计阶段时，进行数值模拟可以帮助建筑工程师更好地评估建筑的形式和通风系统的设计。
这使得工程师可以在建筑开始建造之前就进行必要的调整。
总的来说，数值模拟是一种非常有效的建筑物内部空气流动场研究方法。
通过数值模拟和优化研究，可以更好地了解建筑物内部的气流运动，从而优化建筑设计方案，达到改善室内环境的目的。
洁净室中空气流通的CFD模拟与实验研究
洁净室中空气流通的CFD模拟与实验研究随着技术的不断进步，人们对于洁净室的要求也越来越高。
洁净室是一个非常关键的工作环境，需要保持室内的空气质量和温度湿度等参数在一定的范围内稳定，以确保工作环境的纯净性和稳定性。
为了保证洁净室的空气质量，需要进行CFD模拟和实验研究，以了解并优化空气流通情况。
1. 洁净室中空气流通的意义洁净室是一个特殊的工作环境，需要确保室内空气中微生物和微尘粒子的含量极少甚至为零。
工作环境需要达到一定的洁净度和准确度来确保工业生产和科学实验的稳定性和安全性。
因此洁净室的设计和使用是一项极其重要的工作。
洁净室的空气流通对于室内洁净度具有重要的影响。
室内的空气流通不良会导致空气污染的不均匀分布，使得某些区域的洁净度难以保证。
因此，洁净室需要在设计和使用过程中注重空气流通的研究和优化。
2. CFD模拟与实验研究CFD模拟是指使用计算机模拟的方法对洁净室内的空气流动特性进行分析和优化。
CFD模拟技术是目前最为先进的模拟空气流动的方法之一。
CFD模拟可以通过计算空气流动动力学方程，预测和分析洁净室内的空气流通、温度、湿度等参数，提供优化洁净室空气流通性能的方案。
除了CFD模拟外，实验研究也是了解洁净室空气流通特性的重要方法之一。
实验研究可以通过搭建洁净室、布置测量设备和采集数据等手段，得到一些洁净室内的空气流通性能指标，例如污染物分布、温度、湿度等，从而优化空气流通模型。
CFD模拟和实验研究的综合应用可以大大提高室内空气流通质量，使得室内洁净度达到更高的要求。
3. 空气流通的优化洁净室中的空气流通需要根据不同的需求进行优化和调整。
优化空气流通可以通过调节风口、降温、增加过滤器等方法进行。
3.1 调节风口对于洁净室内部，通风口具有重要的作用。
通过调整通风口的位置和大小，可以使得空气流动更加均匀、稳定。
3.2 降温洁净室中需要保持稳定的温度和湿度，但有些工作环境需要较低的温度。
这时可以通过降温的方法减少污染源的产生，提高空气的清洁度。
风洞实验报告
风洞实验报告引言：风洞实验作为现代科技研究的重要手段之一，广泛应用于航空航天、汽车工程、建筑结构等领域。
本报告将围绕风洞实验的原理、应用以及相关技术展开探讨，旨在加深对风洞实验的理解和应用。
一、风洞实验的原理风洞实验是通过利用风洞设备产生流速、温度和压力等环境条件，对模型进行真实环境仿真试验的一种方法。
其基本原理是利用气体流动力学的规律，使得实验模型暴露在所需风速的气流中，从而通过测量模型上的各种力和参数来分析其气动性能。
二、风洞实验的应用领域1.航空航天领域风洞实验在航空航天领域有着广泛的应用。
通过风洞实验，可以模拟不同飞行状态下的风载荷，评估飞机、火箭等载体的稳定性和安全性，在设计和改进新型飞行器时提供可靠的数据支撑。
2.汽车工程领域风洞实验在汽车工程领域同样具有重要意义。
通过对汽车模型在高速风场中的测试，可以优化车身外形设计，降低气动阻力，提高燃油效率。
此外，风洞实验还可用于汽车内部气流研究，如车内空调流场、风挡玻璃除雾等。
3.建筑工程领域在建筑工程领域，风洞实验可以帮助研究风荷载对建筑物结构产生的影响，以提高建筑物的抗风性能。
通过模拟真实的气流环境，可以评估建筑物在不同风速下的应力、应变分布情况，为工程设计和结构优化提供依据。
三、风洞实验技术1.气流控制技术气流控制技术是风洞实验中必备的关键技术之一。
通过对风洞内流场进行合理设计和调整，可以实现不同速度、湍流强度和均匀度的气流条件，以保证实验的准确性和可重复性。
2.试验模型制作技术试验模型制作技术对于风洞实验的结果具有重要影响。
模型的准确度和还原程度直接关系到实验数据的可靠性。
现如今，各类先进材料和加工技术的应用，使得模型制作更加精准和高效。
3.数据采集和分析技术风洞实验所得数据的采集和分析是判断实验成果的关键环节。
当前，数字化技术的快速发展为数据采集和分析提供了强有力的支持。
传感器、图像处理等先进技术的应用，使得实验数据获取更为精确和全面。
智能建筑中变风量空调系统室内气流组织的数值模拟和实验研究的开题报告
智能建筑中变风量空调系统室内气流组织的数值模拟和实验研究的开题报告一、研究背景近年来，随着建筑业的迅速发展和人们对舒适度的要求越来越高，智能建筑系统得到了广泛应用。
其中，变风量空调系统是智能建筑中的一种重要设备，能够根据不同室内环境条件自动控制风量，实现室内空气温度的稳定、舒适和节能。
然而，变风量空调系统在使用过程中仍存在一些问题，其中室内气流组织是一个重要的研究方向。
室内气流组织直接影响到室内环境的舒适度和空气质量，因此，对室内气流组织进行数值模拟和实验研究，对优化空调系统的设计和运行具有重要意义。
二、研究目的和内容本研究的目的是通过数值模拟和实验研究，探究变风量空调系统中室内气流组织的特点和影响因素，为优化空调系统的设计和运行提供理论与实践依据。
具体研究内容包括：1. 变风量空调系统的工作原理和控制方法。
2. 基于CFD软件对室内气流组织进行数值模拟，并分析不同风速、温度和湿度等因素对室内气流组织的影响。
3. 建立实验模型，采用烟雾实验等方法对室内气流组织进行实验研究，验证数值模拟结果的准确性和可靠性。
4. 分析室内气流组织对室内环境舒适度和空气质量的影响，探讨优化空调系统的方法和方案。
三、研究意义1. 对变风量空调系统室内气流组织的研究，有助于提高空调系统的运行效率和能源利用率。
2. 通过优化空调系统的设计和运行，可以提高室内环境的舒适度和空气质量，对人们的健康和生活质量具有积极的影响。
3. 该研究为空调系统的改进和创新提供理论和实践基础，对智能建筑系统的优化具有重要意义。
四、研究方法和步骤本研究采用定量和定性相结合的方法，具体步骤如下：1. 文献综述：对变风量空调系统和室内气流组织的相关文献进行综述和研究，了解已有研究的方法、成果和不足。
2. CFD模拟：在建立数值模型的基础上，采用CFD软件对室内气流组织进行数值模拟，并分析不同影响因素对室内气流组织的影响。
3. 实验设计：根据数值模拟结果，设计室内气流组织的实验模型，采用烟雾实验等方法进行实验研究，验证数值模拟结果的准确性和可靠性。
制冷空气流动场的数值模拟研究
制冷空气流动场的数值模拟研究随着人们对生活品质的不断追求和环境保护意识的不断加强，空调等制冷设备的应用越来越广泛。
而对于这些设备，它们的运作需要有一个合理的流动场，在流动场的基础上，它们才能实现制冷、制热的目标。
本文将从数值模拟的角度，来对制冷空气流动场进行研究，分析其数值模拟方法和应用。
一、数值模拟方法的选择数值模拟技术已经成为制冷空气流动场研究领域的重要方法，其应用范围涵盖了各个领域。
而对于制冷空气流动场的数值模拟方法，我们可以选择计算流体力学（CFD）和有限元方法（FEM）。
1.1 计算流体力学（CFD）方法计算流体力学是利用数值方法和计算机模拟流体流动的技术，是解决制冷空气流动场问题的主要方法之一。
它可以通过求解Navier-Stokes方程和温度、压力等相关方程，来获得流场的信息。
数值模拟可以根据不同的实验条件和不同的模型，得到不同的结果。
此外，计算流体力学方法在模拟复杂流场时具有很大的优势，对于三维、非稳定、多相、多物种等流动问题，可以很好地应用。
1.2 有限元方法（FEM）有限元方法是一种数值解求解工程问题的方法。
在制冷空气流动场的模拟中，有限元方法的主要应用是求解流场中的温度场和压力场的分布情况。
有限元法的前提是对问题进行有限元离散化。
无论是在处理线性问题还是非线性问题上，有限元方法在精度和求解效率方面都比较优秀。
但是，FEM和CFD方法在涉及到失稳流动、相变、非牛顿流体等问题时效果并不理想，需要在实际问题中根据需要进行选择。
二、数值模拟应用在制冷空气流动场的研究中，数值模拟方法被广泛应用于热交换器、压缩机等设备部件的设计和研究。
而通过数值模拟可以得到气体在设备中的运动特征，继续得到气体的温度、压力、流速分布等参数，最终可以为设备的优化设计和工程实施提供参考。
2.1 热交换器制冷设备中的热交换器主要用于实现传热和传质。
在热交换器的设计中，数值模拟技术可以通过求解流场中的物理量，如温度场、压力场和速度场等信息，以及各种受力信息，来预测其行为。
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收稿日期:2007209207;修改稿收到日期:20082042271基金项目:北京市重点实验室基金(KF200610)资助项目1作者简介:樊洪明3(19642),男,博士(E 2mail :fanhm @ );朱蒙生(19632),男,博士;何钟怡(19372),男,教授.第26卷第6期2009年12月 计算力学学报 Chinese Journal of Computational MechanicsVol.26,No.6December 2009文章编号:100724708(2009)0620829205风口区空气流动的有限元模拟与实验研究樊洪明31, 朱蒙生2, 何钟怡2(1.北京工业大学,北京100022;2.哈尔滨工业大学,哈尔滨150090)摘 要:通风和空调出风口的射流特性主要取决于出风口截面之前的一段管道内的流动状况,研究送风口的射流偏转特性有重要实用价值。
应用湍流大涡模拟技术结合Taylor 2G alerkin 有限单元法对工程中常见工况下的风口区管道内的三维流场进行了数值模拟和实验研究,数值计算结果与实验结果符合较好。
表明湍流大涡模拟方法适合于边界形状复杂,存在各向异性的大尺度涡的内流情况,能可靠地预报风口区空气流动的射流偏转特性。
关键词:湍流;大涡模拟;有限元;数值模拟;模型实验中图分类号:TU83 文献标识码:A1 引言通风和空调出风口的射流特性主要取决于出风口截面之前的一段管道内的流动状况。
实际工程中在出风口截面之前一般设有弯管等管件,因流动边界的限制,空气在弯道部分的流动状况与均匀长直管道有很大的区别。
由于气流流向发生偏转,致使送风口的射流性能与制作厂家所提供的参数有较大差别,造成室内气流分布与原设计相背离,因此,研究送风口的射流偏转特性有重要实用价值。
随着数值模拟技术在暖通空调领域的广泛应用,对应用于数值模拟的风口模型的研究也有不少的成果,而且这也是目前有关风口出流特性的研究中涉及较多、进展较大的方面[124]。
即便是对这方面的研究,仍然少有研究实际连接情况的。
针对目前国内外对实际连接下风口送风的室内气流分布的研究比较匮乏但该问题又广泛存在于工程实际中且意义重大的事实,有必要对常见风口在典型实际连接形式的室内空气分布进行研究,而且有必要进一步对可能导致令人不满意的室内空气分布的实际连接形式或者风口连接管道进行改进。
为此,本文对实际连接形式下的弯头和三通管件的流动进行了实验研究,并应用湍流大涡模拟[5,6]技术(L ES ),结合计算流体力学(CFD )的有限单元法(FEM )对工程中常见的两种工况下风口区管道内的三维湍流流场进行了数值模拟并进行了模型实验。
计算中使用了隐含流线迎风耗散作用的具有三阶部分展开的T G (Taylor 2Galerkin )离散格式,应用涡粘性亚格子模式的湍流大涡模拟方法进行数值模拟[7]。
本研究的主要目的不但在于详细了解典型实际连接形式下的室内空气分布特性,更在于依据本文的实验结果来检验基于有限元的湍流大涡模拟计算程序,此外,通过本研究阐明L ES 用于局部障碍流仿真的基本特点。
2 大涡模拟基本方程大涡模拟的基本思想是运用空间滤波的方法将流动变量划分为大尺度量与小尺度量两部分,大尺度量可通过数值求解运动方程直接计算出来,小尺度运动对大尺度运动的影响将在运动方程中表现为类似于雷诺应力的应力项,称之为亚格子应力,通过建立亚格子应力模型来对其进行模化。
大涡模拟中常用滤波器主要有富式截断滤波器、盒式滤波器和高斯滤波器三种,其中高斯滤波器在物理空间和谱空间都有很好的性能,因此本文采用高斯滤波器进行空间滤波。
将任一瞬时的物理量f 划分为两部分:f =f -+f ′(1)式中 f-是大尺度涡流动量,f′是小尺度流动量,称为f的亚格子分量;大尺度分量可以用如下加权积分形式表示为f-=∫ΩG(x-x′,Δ)f(x′)dΩ(2)式中Ω为计算域,G(x-x′,Δ)为空间滤波因子,取决于x-x′和网格尺寸Δ。
高斯滤波器的滤波因子表示为G(x-x′,Δ)=∏i γπΔ212exp-γxi-x′i2Δ2(3)式中γ为常数,计算中通常取γ=6。
对N2S方程组进行空间滤波,得到了大涡模拟的基本方程:5u-i5x i=0(4)5u-i 5t+5(u-i u-j)5x j=-5 p5x i+1Re52u-i5x j5x j+5τij5x j(5)式中,上标“-”表示经过空间滤波的变量,u i为速度,p为压强,Re为雷诺数,τij=u-i u-j-u-i u-j为亚格子应力,式中各量均进行了无因次化。
本文采用Smagoririskv涡粘模型来模化亚格子应力。
在Smagoririskv涡粘模型中,亚格子应力张量中的偏量部分为τij=-2νt S-ij(6)式中νt为涡粘系数,S-ij为经过滤波后的速度变形张量:S-ij=125u-i5x j+5u-j5x i(7)涡粘系数νt的定义为νt=(CΔ)2|S-|(8)式中C为Smagorinskv常数,取决于滤波尺度Δ,通常取值为0.1～0.23,Δ为滤波尺度,通常与网格间距有关,|S-|=2S-ij S-ij。
3 数值方法与边界条件本文采用有限元法进行计算,应用笔者等所发展的二阶全展开ET G有限元方法[8,9]对方程进行离散,通过对N2S方程中的时变项进行Taylor展开,将时间导数用空间导数来代替,其作用相当于引入了人工粘性。
采用二阶完全展开Taylor2Galerkin有限元方法处理方程后,整理得(1-12Δt1Re52x i x i)u n+1i-u n+1iΔt=(1-12Δtu nj55x j)(-u n j5u n i5x j-5p n5x i+1Re52u n i5x i5x i)+ 12Δt[(-u nk5u n j5x k+5p n5x j-1Re52u n j5x k5x k)5u n i5x j-(5p n5x i-5p n-15x i)1Δt]+o(Δt2)(9)采用标准Galerkiri方法,给出式(9)的有限元积分表达式,令u=N J u J(t)代入式(9),整理得A IJ u n+1J=(B IJ+C IJ)u n J+P IJ+F IΔt+A IJ u n J(10)式中 A IJ=∫Ωe N I N J dΩ+∫Ωe121ReΔt5N I5x i5N J5x i dΩ B IJ=∫Ωe(-N I u j5N J5x j-1Re5N I5x l5N J5x l)dΩ C IJ=∫Ωe12ΔtN I[(u k5u j5x k+5p5x j-1Re52u j5x k5x k)5N J5x j]dΩ P IJ=∫Ωe-125p n5x i-5p n-15x i N I dΩ F I=∫Ωe(N I+12Δtu j5N I5x j)-5p5x i dΩ以上完成了单元的分析,把计算域所有单元的有限元方程迭加在一起,构成总体有限元方程:A u n+1=(B u n+Cu n+P+F)Δt+A u n(11)本文采用压力校正法求解N2S方程组,对离散方程组采用迭代法求解,在求解粘性非定常流动离散方程组过程中,每一时间步的迭代均必须求解一次压力Poisson方程。
设t时刻的速度和压力分别为u n i和p n,t+Δt时刻的速度和压力分别为u n+1i和p n+1;压力改进值p n+1与原来压力p n之差记为δp n。
根据动量方程和连续方程可得压力校正Poisson方程:52δp n+15x i5x i=1Δt5u3i5x i(12)速度修正量和压力修正量必须满足下式:δu n+1i=-Δt5δp n+15x i(13)如果速度场的当前值u3i使式(12)的右端项为零,说明速度满足连续方程,压力修正量为零,此038计算力学学报 第26卷 刻已经得到速度场和压力场的收敛解;否则应根据式(13)对速度和压力进行修正。
对式(13)采用Galerkin 有限元法求解。
取δp n+1=N J δp n+1J (t ),其中N J 为单元插值函数,δp n+1J (t )为t 时刻结点J 的压力修正值,可得单元有限元方程为T IJ δpn+1J=G I +∫Γ5δpn 5nN I d s(14) T IJ =∫Ωe5N I 5N J x i x id Ω,G I=∫Ωe1Δt 5u3ix iN I d Ω式中Ω为单元的面积或体积,Г为已知压力增量法向导数的边界,n 为计算域边界外法线方向。
为了比较精确和快速地求解压力Poisson 方程,本文采用直接解法Choleski 2Banachiewicz 因式分解法,这种方法不仅精度较高,而且可以利用系数矩阵的稀疏性使其存储量大大压缩。
边界条件和初始条件如下:进口速度按管进口速度通常统计规律直接给出。
本文的进口条件,是先采用大涡模拟方法计算同样截面的长直管,利用该计算结果,给出入口边界条件;对于出口边界,取零梯度条件,固壁采用无滑移条件。
在t =0时刻,计算域内各变量均赋零值。
压力修正Poisson 方程边界条件,是在给定速度的边界上,不需要给出压力边界条件;对于Derichlet 边界条件,要求给出边界上的压力值。
4 实验与结果分析本实验在满足较好的模拟实际连接条件的前提下进行。
实际装置中包括用于产生空气流动的风机、用于调节干管空气流量的阀门和足以模拟实际连接形式的若干风道。
三通或弯头前的干管长度为图1 实际连接方式下实验风道系统图Fig.1Experimental duct s system wit h actual connectingpattern图2 测点布置图Fig.2 Settlement of measurement point s3.6m ,干管截面尺寸为400mm ×400mm ,三通支管截面尺寸为180mm ×180mm ,采用散流器送风口,尺寸为300mm ×300mm ,如图1所示。
由于主要研究弯头和三通附近风道内的空气流动,因此选择弯头和三通附近的若干风道截面进行测量,每一截面选取若干测点,以使测量结果能较全面的反映弯头和三通附近风道内的空气流动状况,测点布置如图2所示。
图2(a )所示的弯头中,弯头部分的回转中心为O ′,共设8排测孔(O ′2A ,…,O ′2H ),在弯道入口截面(O ′2A )θ=0,出口截面(O ′2H )θ=7α,α=π/14。
本实验通过变换系统风量和风口的有无,进行了多工况的测量。
针对本文实验,进行对比性计算,计算域和网格划分如图3所示。
取弯头和三通弯道前的干管长为L =5D 。
对于弯头流动,令弯道部分的r ,θ和φ三个方向的速度分别为U ,V 和W 。