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- 概览
- 1、研究方法及研究对象
- 2、网格划分
- 3、数值求解
- 4、模型推广
- 5、研究结论
相信大家都遇到这种场景,清风从窗外溜进又从门中溜出,好一个微风徐徐,而你正在美滋滋的做科研,或者痛苦的打游戏。突然,门外嘈杂的声音响起,不知何人练习起了尤克里里,想要快乐永存或痛苦常在,不得不关上门以保耳边清净。
随后微风停歇,气温升高,想要开启空调,却又觉得太冷或者电费太贵。门外的事情我们无法控制,但屋内的情况,我们还是可以改变的。所以怎样才能凉快一些呢?
本次我们讨论的话题是:
房门关闭时,
空气的流动由质量、动量、能量三大守恒方程描述,其中动量守恒方程为千禧年七大数学难题——纳维斯托克斯方程,看着就很难头秃,但是不怕,我们有CFD三大宝剑。
图1 控制方程
首先我们使用ICEM进行网格划分,将空间离散用于之后的模拟计算,然后使用Fluent使用有限体积法对方程进行离散求解,最后运用Tecplot进行相关可视化工作,通过这种方式,虽然我们没有解决方程,但我们却可以解决实际问题。
图2 CFD三大宝剑
经过信息搜集与实地测量,我们了解到卧室的面积一般为15平方米左右,常见的构型为长宽为4乘3.5米,墙壁的厚度在9到24厘米之间,这里我们取20厘米。经过实际测量,一般窗户边框的厚度约为3到5cm左右,为了更加凉快,一般将窗子合二为一,所以我们模拟时窗子的总厚度取10cm。最后的模拟对象示意图如图3所示。
图3 几何结构
我们划分了窗户左侧缝隙的距离为0,0.1,0.2,0.3,……,一直到1.0 m的11套网格。X为0、0.3、0.5、1 m时的网格划分结果展示如下:
图4 网格划分结果
图5 风速表
经过信息检索,我们了解到,二级风轻风的空气流速约为2 m/s,此时树叶会哗哗的响,4级风和风的空气流速约为5 m/s,此时能够吹起纸张,我们以这两种情况下的风速为研究对象,对11种开窗情况进行了模拟计算,从速度分布云图图6中可以看到,不同的流速下,速度场的分布情况除数值为相应增加外,趋势分布基本一致,也就是说,窗外的风速对我们的最佳开窗距离x没有影响。
图6 两种不同风速的计算结果
我们用室内空气流动的平均流速代表不同开窗距离下的凉快程度,具体比较结果见图7,可以看到,当x为0.3 m时平均流速最大,此时人体感觉最凉快,而非将窗户全部推往一边或者放到中间。这个结果我还是比较惊讶的,我刚开始以为是推到最左边呢。比较不同情况下的流场分布还可以看出,室外的空气流入会使室内的空气形成一个顺时针的涡流,靠近墙壁出涡流最大,中心处流速最小,这意味着,门不能打开,只有窗户打开时,坐在墙壁附近更凉快哦。以后我们在教室挑选座位的时候,就可以选择靠墙的座位。
图7 不同开窗距离下的空气流速
本研究还计算了,屋内初始温度: 300 K,窗户左侧距离:0.3 m,窗外温度:290 K,风速:2 m/s时的温度分布瞬态结果,计算结果展示在图8 (视频4:20s处有动画结果)。可以看到,由于涡流的作用,相同时刻靠近墙壁处温度更低一些。
本研究所计算的工况肯定无法表征所有真实场景,真实场景还会有一些柜子、桌子等物品,这里我们计算了包含柜子时的计算结果,如图9所示(视频4:34s处有动画结果) 。大家也可以根据自己房间的布置及窗户大小等,分析比较自己的真实房间最合适的开窗情形。
图9 有柜子时的温度计算结果
1、在3.5×4的房间内,窗户靠近左侧墙壁0.3 m时,室内空气流速最大,人体会感觉最凉快;
2、空气的流入会引起涡流,靠近墙壁处速度较大;
3、由于涡流的作用,靠近墙壁处温度降低更快。
Ok,今天的科研之旅就结束啦,希望大家有所收获,如果对具体的过程感兴趣或者想算一下自己的房间怎么开窗更合适,可以观看本文的配套教学视频进行方法学习,然后进行一下简单的更改就可以计算得到适合于你房间的结论了。
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