基于fluent的三维室内传热传质模拟开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

计算流体力学（cfd）是目前用于分析流体流动状况的十分有效、方便快捷且节约成本的实验方法，自1974年开始应用于模拟室内流动，至今已有46年历史，并伴随流体力学理论、数学建模方法、数值计算理论和计算机软硬件开发技术不断发展。由于目前人们80%-90%的时间待在室内环境内[1]，室内空气质量、室内环境的热舒适度对人们生活质量的提高变得尤为重要。而目前空调系统占建筑能源总消耗的50%[2,3]，因此提高空调系统的能源利用效率具有重要意义。利用cfd分析室内空气流动，关注室内空气质量、室内人群的热舒适度的同时降低能源消耗是室内通风研究的重要方向。

董军启等是国内较早地对整个空间进行简单三维速度场和温度场模拟的论者[4]，其论文以空调房作为模拟空间，考虑到流动是以强迫对流和自然对流同时存在的非等温混合湍流流动，采用chen q等人提出的零方程模型替代k-ε湍流模型进行模拟，获得三维空调房温度场和速度场的直观数据和图形，并进一步对空调通风系统的气流组织问题进行合理设计和优化分析。张艳宇等利用phoenics软件对建筑室内在过渡季的自然通风方式进行了数值模拟研究[5]，对同一功能的建筑物（幼儿园教学楼建筑）在两种不同建筑结构下，给定室外风环境的数值条件，应用软件模拟出建筑物表面迎风面与背风面的风压分布图和内风环境的室内平均风速与室内平均空气龄，通过对比以上数据给出建筑物在过渡季自然通风条件下更优化的建筑结构。刘鸣等用基于phoenics模拟仿真技术的方法对医院门诊楼进行自然通风的数值模拟[6]，并对门诊楼玻璃幕墙进行改造。论者通过仿真模拟技术得到了改造前后的各层室内温度分布云图、风速分布云图和空气龄云图，并统计出平均风速、平均空气龄、换气次数、平均风速和平均温度，对该医院提出合理化的建筑改造方案。王亮等利用airpak试验平台对室内自然通风模型进行数值计算[7],利用simple算法对含有四个人（以长方体模型代替，内热源）、气体西进东出的室内“穿堂风”的房间模型进行迭代计算，得到该房间的某一截面上的pmv分布示意图和某一截面上的ppd分布示意图。根据iso7730中提出的pmv-ppd推荐值，给出系统在不同温度和进风口风速下的热舒适度评价和空气流速的适用范围。josé carlos teixeira对经过验证的cfd模型进行了测试[8]，模拟了标准建筑物内的空气流动，以便获得合适的工具来预测通风性能，从而优化建筑物通风设计。在数值模拟中，研究了边界条件和域的维数以获得更高的准确性，并测试了自由流速度分布和风向对等温条件下自然通风系统效率的影响。

为了了解室内空气流动情况及室内空气组分（如co₂、水蒸气）对室内空气质量、室内人群热舒适度的影响，本研究建立一个室内通风仿真模型，分析室内热分布和空气组分的分布情况，从而对室内通风环境进行直观地了解。同时，目前对于人体热舒适度的研究，主要关注温度、空气流动速率等，对湿度的关注较少。本研究加入室内湿度的模拟与分析，具有一定的发展意义。

2. 研究的基本内容与方案

本研究主要基于CFD方法研究一个房间内的通风情况，其中以室内人群为内热源、碳源（CO₂）和散湿源，研究在室内人群的干预下房间内的温度场、速度场和气体组分变化情况，从而对房间通风模型的模拟分析有一个初步整体的认识。

本文应用 FLUENT 软件群，通过建立数学和物理模型、划分网格、设置边界条件、设置求解参数、数值计算和数据可视化处理等一系列工作，模拟三维空调教室通风传热传质过程中环境温度、空气流速、二氧化碳浓度和水蒸气浓度（湿度）的相关数据。同时考虑更加复杂的空调教室几何模型，综合考虑人体是空间内主要热源、碳源和散湿源的因素，在充分发挥硬件能力和计算精度的前提下，使几何模型的建立更加精细、更加合理。在温度场和速度场研究的基础上，加入二氧化碳浓度和水蒸气浓度（湿度）的研究，对空间内重要平面的模拟云图和重要点的检测图做出分析和评价。

3. 研究计划与安排

1.10-3.15：搜集国内外计算流体力学理论研究和 fluent 软件应用实例，确定论文主要研究内容、研究方向、研究工具和研究方法，完成论文翻译和撰写开题报告。

3.15-4.15：采集和搜索实验的相关数据，如材料物理化学性质、模型尺寸和边界条件等，搭建空调教室数学和物理模型。使用 fluent 软件对通风传热传质过程进行初步模拟，对实验数据进行初步分析。

4.15-结束：反复调整模型搭建方法、修改模拟参数，撰写研究论文并检测和修改，准备答辩相关工作。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] r. ruparathna, k. hewage, r. sadiq,improving the energy efficiency of the existing building stock: a criticalreview of commercial and institutional buildings[j], renew. sustain. energyrev. 53 (2016) 1032–1045.

[2] w. wu, h.m. skye, p.a. domanski,selecting hvac systems to achieve comfortable and cost-effective residentialnet-zero energy buildings[j], appl. energy 212 (2018) 577–591.

[3] m. nem, j. kasperski, a. nem, a. ba, validation of a new concept of a solar air heating system with along-term granite storage bed for a single-family house[j], appl. energy 215(2018) 384–395.