Fluent软件特点及在室内温度计算中的应用

摘  要： Fluent是目前应用广泛的流体力学计算软件，Fluent主要用来模拟温度场、气流场的分布状况。应用Fluent软件对住宅室内温度进行了数值模拟，给出了散热器不同位置时的温度和风速可视化图像。
关键词： Fluent软件；散热器；数值模拟；计算流体力学
       随着人们生活水平的提高，消费者在装修时越来越重视室内美观。新型的钢制散热器外形美观、产品多样化和系列化，是不少装修家庭的首选。由于建筑装饰单位和购买散热器的用户并非专业人员，不具备计算散热器数量的专业知识，因此对散热器的数量及安装位置没有明确的概念。在传统的设计观念中，由于害怕房间供热不足而盲目增加散热器片数，使散热器安装面积过大，导致冬天室温过高，既造成了能源浪费，又难于调节温度，同时还会出现热力失调的问题。CFD商用软件能形象直观地模拟出流体状况，对于研究室内温度舒适度有很高的价值。
     国外对散热器的研究起步比较早，早在上世纪初，英、美、苏等发达国家就有一批学者积极从事这一领域的研究并取得了一些成果。前苏联在散热器片数取整方面的研究较早并作出了相应的规范[1-2]。国内从上世纪90年代开始对采暖工程设计计算进行研究，开发出了一批散热器数量计算软件，如王华章利用Excel表格进行采暖系统房间热负荷和采暖管道的水力计算，并编制了一种散热器数量计算程序，降低了计算工作的繁杂性[3]。但以往研究仅仅给出了散热器的片数研究，在相同入口温度的情况下，散热器安装位置和安装方式对房间温度的影响分析比较少，尚缺乏具体的计算，未给出具体的参考建议。本文利用Fluent数值模拟软件对室内温度和风速进行模拟计算，主要讨论了散热器在不同安装位置下的温度场和速度场分布，对传统的研究方法进行了改进和提升。
1 Fluent软件
1.1 Fluent软件特点
     （1）Fluent软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；
     （2）Fluent软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型；
     （3）Fluent软件功能强，适用面广。包括各种优化物理模型，如计算流体流动和热传导模型（包括自然对流、定常和非定常流、层流、湍流、紊流、不可压缩和可压缩流等）、辐射模型、相变模型、离散相变模型、多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，可以在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。
1.2 Fluent求解问题步骤
     （1）确定几何形状，生成计算网格（用Gambit，也可读入其他程序生成的网格）；
     （2）选择求解器：2D或3D；
     （3）选择求解的方程：层流或湍流；
     （4）确定边界类型及其边界条件；
     （5）求解方法的设置及其控制；
     （6）流场初始化并计算；
     （7）保存结果，进行后处理等。
2 Fluent软件在室内温度计算中的应用
2.1 典型房间物理模型
     对于普通的住宅建筑，户型可能不尽相同，房间的结构、朝向、布局等也不尽相同，因此不可能有两个完全相同的房间。如果将各种因素都考虑进去，问题会变得十分复杂。本文在考虑房间模型时建立了“典型房间”的概念，主要研究对象为具有公共走廊的普通建筑，该类建筑中标准层中间房间所占比例最大，因此把标准层中间房间作为典型房间建立模型，其他房间虽然外围护结构有所差别，但是可以参照典型房间进行边界条件的修正，完善房间模型。
     标准层中间房间的结构为规则的六面体，因此建立典型房间的模型如下：房间共六面，其中一面为外墙，其余五面为内墙，在房间内有一个散热器。房间大小为4.2 m×4.2 m×2.8 m，散热器大小为1 m×0.6 m。本文考虑在散热器状况相同条件下，三种工况的室内平均温度以及舒适度，进而对用户选择散热器的安装数量和位置给出建议。三种工况分别为：（1）散热器安装在窗户下方，（2）安装在临室内墙，（3）安装在窗户对墙。
2.2 GAMBIT网格模型
     依照以下步骤完成模型的构造工作：
     （1）利用Fluent软件模拟之前，先使用GAMBIT绘制三维图。在GAMBIT中按房间实际尺寸绘图的步骤：先绘制房间、窗户和散热器，最后生成网格。计算中，严格按照1：1比例进行建模，采用的网格大小为1 mm。
     （2）确定求解器。选择用于CFD计算的求解器为Fluent5/6。
     （3）由于室内换热受多种因素干扰，因此对典型房间物理模型做如下简化假设：均为无人、无家具的空房间；室内房门视与内墙相同，不单独计算；房门始终关闭，不考虑冷风侵入；不考虑房间墙壁的热交换，将房间墙壁设为恒温；不考虑窗户换热的影响，换热都是通过与恒温墙进行；整个供暖系统可以看作房间里的一个热源，利用热传导原理求出房间温度分布；只考虑稳态问题。
     （4）定义边界类型。在本文的模拟计算中，给出第一类边界条件，即壁面温度，如表1所示。
   
       （5）输出网格文件。选择File/Export/Mesh，输入文件的路径和名称。
2.3 求解模型
     （1）建立求解模型
     启动Fluent，指定版本（Version）为三维单精度（3d），读入GAMBIT生成的网格文件。
     （2）设置参数
     采用整体（integral）连续网格结构，采用k-ε湍流模型，计算时采用一阶非稳态分离计算，考虑重力影响，方程组求解用SIMPLE算法，设置表1所示边界条件。
     （3）设置监视器及迭代计算
     取不同的参数，开始迭代计算，计算收敛时分析其温度及速度分布。
2.4 室内温度分布
     图1给出了三种工况下的室内温度分布。在工况(1)条件下，室内距地面1.1 m处空气温度比较均匀，靠窗部分由于窗户的渗透，温度较低。距地面1.1 m（坐姿头部）处平均温度与距地面0.1 m（踝部）处温度之差约为1.5 ℃，符合ISO7730热舒适标准中规定的t1.1-t0.1≤3.0 ℃的热舒适要求。