通風(fēng)空調(diào)精確仿真系統(tǒng)和用CFD方法研究高大空間動態(tài)響應(yīng)特性_論文

1、 通風(fēng)空調(diào)精確仿真系統(tǒng)和用CFD方法研究高大空間動態(tài)響應(yīng)特性 摘要 提出了通風(fēng)空調(diào)精確仿真系統(tǒng)的概念，即將以分布參數(shù)模型為基礎(chǔ)的CFD模擬和以集中參數(shù)模型為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)仿真相結(jié)合的新的仿真系統(tǒng)，與常規(guī)的集中參數(shù)模型仿真系統(tǒng)相比，精確仿真系統(tǒng)能更好地反映實(shí)際系統(tǒng)的性能，特別適用于高大空間氣流控制系統(tǒng)的仿真。通過瞬態(tài)CFD模擬的方法得到了高大空間恒溫室的動態(tài)響應(yīng)特性，如時間延遲、時間常數(shù)和比例系數(shù)等，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。 關(guān)鍵詞 精確仿真系統(tǒng) 高大空間 CFD模擬 仿真時間比 最優(yōu)采樣周期 控制系統(tǒng) 動態(tài)響應(yīng)特性 實(shí)驗(yàn)研究 1 引言 近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的具有高精度濕濕度要求和舒適性

2、要求的高大空間出現(xiàn)了，研究高大空間的氣流控制系統(tǒng)成為一項(xiàng)重要的研究課題。很多學(xué)者對高大空間的氣流組織進(jìn)行了深入地研究，這些研究大多采用穩(wěn)態(tài)的模型，本文的研究重點(diǎn)是氣流控制系統(tǒng)，即對高大空間氣流動態(tài)變化及其控制系統(tǒng)的研究，采用動態(tài)的CFD模擬和動態(tài)控制系統(tǒng)仿真模型。 本文的研究對象（見圖1）是一個存在不均勻分布熱源的高大空間精度恒溫空調(diào)系統(tǒng)。針對擾動和控制對象的特點(diǎn)，通過方案比較，本文采用非貼附型下送風(fēng)方形散流器上送下回氣流組織方式，風(fēng)口的具體布置見圖1，并在穩(wěn)態(tài)CFD模擬的基礎(chǔ)上，確定了最優(yōu)的送回風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)，即最優(yōu)的送風(fēng)溫差（3）、送風(fēng)速度（/s）、空調(diào)分區(qū)大?。?m 5m，共36個）和風(fēng)口尺

3、寸（800mm800mm）。本文將在此基礎(chǔ)上對高大空間氣流控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真進(jìn)行研究。 圖 1 高大空間結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置 對于高大空間氣流控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真，本文提出2套解決方案，并分別進(jìn)行了研究： （1）常規(guī)的集中參數(shù)模型控制系統(tǒng)仿真，其中高大空間動態(tài)響應(yīng)特性預(yù)選采用CFD方法進(jìn)行模擬； （2）精確仿真系統(tǒng)，即將以集中參數(shù)模型為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)仿真和以分布參數(shù)模型為基礎(chǔ)的CFD模擬無縫結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對高大空間的精確仿真。 2 集中參數(shù)仿真系統(tǒng)及高大空間動態(tài)響應(yīng)特性CFD模擬 21 集中參數(shù)仿真系統(tǒng) 常規(guī)的集中參數(shù)模型仿真系統(tǒng)示意圖見圖2，它具有以下的特點(diǎn)： （1）對傳感器、變送器和執(zhí)行器等，由于它們

4、傳遞信號的部位體積都很小，而且它們相應(yīng)的信號參數(shù)分布基本上是均勻的，因此可以將它們處理成集中參數(shù)模型。 （2）對于高大空間，空間內(nèi)各點(diǎn)的參數(shù)是不一樣的，即各點(diǎn)的參數(shù)不僅與時間有關(guān)系，而且與空間位置有關(guān)系，不僅與外擾的強(qiáng)度有關(guān)系，而且與外擾的位置有關(guān)系，因此它是一個典型的分布參數(shù)系統(tǒng)。對它的計(jì)算應(yīng)該用分布參數(shù)模型進(jìn)行處理，以質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒為基礎(chǔ)的室內(nèi)氣流流動和傳熱理論就是它的數(shù)學(xué)模型，其基本方程組為雷諾方程組1。但是，由于雷諾方程組的求解非常復(fù)雜費(fèi)時，因此，在常規(guī)的集中參數(shù)模型仿真系統(tǒng)中，將它簡化處理成集中參數(shù)系統(tǒng)，即認(rèn)為高大空間是一個控制點(diǎn)參數(shù)為代表的集中參數(shù)環(huán)節(jié)，此時，可以通過

5、CFD模擬或?qū)嶒?yàn)或理論分析（對簡單情況）求出它的延遲時間、時間常數(shù)和放大系數(shù)1。傳統(tǒng)的求取高大空間動態(tài)響應(yīng)特性的方法是實(shí)驗(yàn)或者對簡單情況的理論分析，但是這種方法不具有通用性，而且也不經(jīng)濟(jì)（實(shí)驗(yàn)需要大量的費(fèi)用和時間），因此本文嘗試采用CFD的方法研究高大空間的動態(tài)響應(yīng)特性，對應(yīng)的高大空間通風(fēng)空調(diào)氣流控制方程組見第節(jié)。 （3）只要確定了高大空間的特性參數(shù)，高大空間氣流控制就變成了一個常規(guī)的控制系統(tǒng)，其仿真也就變得容易和快速，但是，由于對高大空間本身的特性進(jìn)行了簡化，致使它不能精確地反映控制點(diǎn)參數(shù)的變化，因此其仿真精度是受到限制的，有時甚至很低，與實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)。 圖2 常規(guī)的集中參數(shù)模型仿真系統(tǒng)

6、示意圖 22 高大空間動態(tài)響應(yīng)特性CFD模擬 221 計(jì)算條件 考慮高大空間為帶純滯后的一階慣性系統(tǒng)，應(yīng)計(jì)算系統(tǒng)的時間延遲 、時間常數(shù)T、放大系數(shù)K和特征比 。 為了考察控制點(diǎn)的位置對高大空間動態(tài)特性的影響，考慮將室內(nèi)控制點(diǎn)設(shè)在各分區(qū)中心線上標(biāo)高8m處（稱為控制點(diǎn)A）和回風(fēng)口中心（稱為控制點(diǎn)B）兩種情況，控制點(diǎn)A位置的確定主要是因?yàn)楦鞣謪^(qū)氣流交界面的中心點(diǎn)處于標(biāo)高8m左右，穩(wěn)態(tài)條件下，該位置的空氣溫度約為20，正好為系統(tǒng)平衡溫度；控制點(diǎn)B為常規(guī)控制點(diǎn)。這兩個控制點(diǎn)的一個共同特點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)條件時，系統(tǒng)正好不需要控制動作，這正是恒溫空調(diào)控制系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)，這樣系統(tǒng)才能處于最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。 數(shù)

7、值計(jì)算時，在送回風(fēng)口、熱源、墻壁附近風(fēng)格劃分較密，網(wǎng)格間距為，其他區(qū)域網(wǎng)格劃分較粗，網(wǎng)格間距為;數(shù)值計(jì)算邊界條件如下： （1）送風(fēng)口，輸入實(shí)際的送風(fēng)速度和溫度。 （2）回風(fēng)口，規(guī)定出口壓力為0。 （3）熱源和墻壁，均為固體壁面，要用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理3，其中熱源為恒溫55。 （4）對稱或近似對稱邊界條件，規(guī)定邊界面上的各物理量的法向?qū)?shù)為0。 瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算除了要選用合理的欠松弛因子外，還必須選取合理的時間步長，開始計(jì)算時選定時間步長為，隨著計(jì)算結(jié)果趨向收斂，可以逐步地將時間步長加大到和，從而加速收斂，減少計(jì)算時間。 222 計(jì)算結(jié)果及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 圖3 高大空間恒溫室溫度響應(yīng)曲線 （a）送風(fēng)溫度變

8、化曲線；（b）控制點(diǎn)溫度響應(yīng)曲線 CFD模擬方案：保持熱源不變，將送風(fēng)溫度由17上升到21，待計(jì)算到穩(wěn)定狀態(tài)后再將送風(fēng)溫度由21下降到17，并計(jì)算到新的穩(wěn)定狀態(tài)。計(jì)算得到的溫度飛升曲線見圖3，由圖3得到高大空間恒溫室動態(tài)響應(yīng)特性見表1。 高大空間恒溫動態(tài)響應(yīng)特性表1 特性參數(shù)時間延遲 （s）時間常數(shù)T（s）放大系數(shù)K（/）特征比 控制點(diǎn)A50250控制點(diǎn)B80280 為了比較CFD模擬結(jié)果的正確性，對控制點(diǎn)A的動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)研究1，實(shí)驗(yàn)所得控制點(diǎn)A的動態(tài)響應(yīng)特性參數(shù)，加上CFD模擬和文獻(xiàn)6所獲得的結(jié)果見表2。從表2看出，對高大空間最重要的特性-時間常數(shù)來說，CFD模擬和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比

9、較接近，兩者相差91s，相對偏差為%；而文獻(xiàn)6所得時間常數(shù)則太大，顯然文獻(xiàn)6的時間常數(shù)計(jì)算公式不適用于本文所研究的高大空間。另一方面，CFD模擬和文獻(xiàn)6所得時間延遲基本相同，顯然，實(shí)驗(yàn)所測時間延遲是有較大誤差的。綜合考慮，認(rèn)為CFD模擬的結(jié)果更可靠，從而選取它為該高大空間恒溫溫室的動態(tài)特性參數(shù)。 不同方法得到的高大空間恒溫室動態(tài)響應(yīng)特性比較（控制點(diǎn)A） 表2 特性參數(shù)時間延遲 （s）時間常數(shù)T（s）放大系數(shù)K（/）特征比 CFD模擬50250實(shí)驗(yàn)23341文獻(xiàn)655545 3 精確仿真系統(tǒng) 31系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 鑒于常規(guī)的集中參數(shù)模型仿真系統(tǒng)的仿真精度不高，本文提出一種新的精度高的仿真系統(tǒng)，并稱之為精

10、確仿真系統(tǒng)，其定義為以分布參數(shù)模型為基礎(chǔ)的CFD模擬和以集中參數(shù)模型為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)仿真相結(jié)合的仿真系統(tǒng)。精確仿真系統(tǒng)的示意圖見圖4，與常規(guī)的集中參數(shù)模型仿真系統(tǒng)相比，它具有以下特點(diǎn)： （1）對傳感器、變送器和執(zhí)行器等環(huán)節(jié)，按常規(guī)的集中參數(shù)模型控制系統(tǒng)的仿真處理。 （2）對于高大空間，用以分布參數(shù)模型為基礎(chǔ)的CFD方法直接計(jì)算控制點(diǎn)的參數(shù)，實(shí)際上就是有瞬態(tài)CFD模擬方法直接得到控制點(diǎn)的溫度、濕度等參數(shù)。用CFD方法直接得到控制點(diǎn)的參數(shù)，具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： a) 用CFD方法可以精確計(jì)算送風(fēng)和空間上任意位置的外擾對控制點(diǎn)參數(shù)的影響。由于本文的CFD模擬及其結(jié)果已經(jīng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是正確的，因此其計(jì)算

11、結(jié)果是可靠的。 b)用CFD方法的計(jì)算結(jié)果直接表示了實(shí)際系統(tǒng)的性能，它既可以表示線性系統(tǒng)又可以表示非線性系統(tǒng)；既可以表示一階慣性系統(tǒng)又可以表示二階和高階慣性系統(tǒng)，顯然比單純用一階慣性系統(tǒng)表示的模型精度高；同時，它還能表示實(shí)際系統(tǒng)在參數(shù)和結(jié)構(gòu)上的不定常性。正因?yàn)槿绱?，直接用CFD方法計(jì)算控制點(diǎn)參數(shù)時，沒必要再詳細(xì)研究實(shí)際系統(tǒng)的時間延遲、時間常數(shù)和放大系數(shù)等特性參數(shù)，這些性能已經(jīng)自然地融合在它的計(jì)算結(jié)果中。 c)用CFD方法直接計(jì)算控制點(diǎn)的參數(shù)還可以使仿真模型通用化和簡單化。在常規(guī)的仿真系統(tǒng)中，需要詳細(xì)計(jì)算高大空間。內(nèi)送風(fēng)和各種外擾對控制點(diǎn)的影響，因此必須分別研究它們的特性參數(shù)，所以不同的高大空間

12、就有不同傳遞函數(shù)個數(shù)和參數(shù)；而CFD模擬是一種通用的分析工具，適用于所有的高大空間，高大空間的各種傳遞函數(shù)及其參數(shù)已經(jīng)體現(xiàn)在其計(jì)算結(jié)果中，沒必要另行研究和計(jì)算。顯然，作為一種研究方法，它更先進(jìn)。 （3）精確仿真系統(tǒng)中，每一個環(huán)節(jié)都精確地表示了實(shí)際系統(tǒng)的特征，因此其仿真精度很高。與常規(guī)的集中參數(shù)模型仿真系統(tǒng)相比，它更能反映實(shí)際系統(tǒng)的性能，它將成為通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)仿真發(fā)展的必然趨勢。 32 CFD模擬的控制方程組 精確仿真系統(tǒng)中的CFD模擬為瞬態(tài)模擬，可以采用k-模型或者LES模型7。采用k-模型的高大空間通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)三維瞬態(tài)湍流無因次方程組標(biāo)準(zhǔn)形式見表3。在此基礎(chǔ)上，采用控制容積法建立離散方程組，就

13、可以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算了。 標(biāo)準(zhǔn)形式的高大空間通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)氣流控制方程組 表3 標(biāo)準(zhǔn)形式連續(xù)性方程100動量方程Ui能量方程T0K方程K方程 其中：-無因次物理量，可以是1、速度分量ui、溫度T、湍流動能K和湍流動能耗散率等； u-速度矢量，m/s； -的擴(kuò)散系數(shù)； -的廣義源項(xiàng)。 33 仿真時間比 計(jì)算機(jī)控制仿真系統(tǒng)都要選定一個采樣周期，采樣周期根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)參數(shù)和采樣定理確定，在類似本文所研究的帶有純滯后的大慣性恒溫空調(diào)系統(tǒng)中，溫度控制的采樣周期應(yīng)為高大空間時間延遲的1/31/44，5，通常取值為1520s6。在實(shí)時精確仿真系統(tǒng)中，要求在采樣周期內(nèi)，完成瞬態(tài)CFD模擬以得到室內(nèi)控制點(diǎn)在一個采樣

14、周期內(nèi)的溫度變化。經(jīng)過分析可知，在精確仿真系統(tǒng)中，涉及到四個時間概念： 1采樣周期Ts：根據(jù)采樣定理確定的采樣時間間隔； 2計(jì)算步距Tc：仿真時所用的計(jì)算時間步長，TcTs； 3仿真時間Tf：需要仿真的時間段的長度； 4仿真所用時間Tu：完成仿真時間Tf內(nèi)的仿真所花費(fèi)的計(jì)算機(jī)運(yùn)算時間。 為了研究精確仿真系統(tǒng)，需要考慮仿真所用的時間Tu與仿真時間Tf的比值，本文提出仿真時間比的概念，并定義仿真時間比為： (1) 在多數(shù)情況下，需要研究一個采樣周期Ts內(nèi)的仿真所用的時間Tu，這時仿真時間比定義為： (2) 顯然，在實(shí)時仿真系統(tǒng)中，要求u主要是CFD模擬所用的時間，CFD模擬所用的時間與以下因素有關(guān)

15、： 1所用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，用cpu表示，這是硬件條件，它與計(jì)算機(jī)的CPU速度、內(nèi)存速度等因素有關(guān)，CFD模擬所用的時間與計(jì)算機(jī)的總體運(yùn)算速度成反比； 2所模擬空間的網(wǎng)格數(shù)NxNyNz，網(wǎng)格越多，所花的時間就越長； 3CFD模擬所用的迭代方法method，迭代方法越先進(jìn)，所用的時間就越短； 4CFD模擬的計(jì)算步距H、單步迭代次數(shù)m，計(jì)算步距和單步迭代次數(shù)的最優(yōu)組合能使計(jì)算所用的時間最短； 5CFD模擬的收斂精度eps，收斂精度低時所用的時間短。 綜上所述，可得到如下關(guān)系式： (3) 34 計(jì)算實(shí)例 本文在DELL PC Pentium II 450 計(jì)算機(jī)（稱為計(jì)算機(jī)A）上對所研究的高大空間的

16、一個分區(qū)進(jìn)行瞬態(tài)CFD模擬，考慮到分區(qū)的對稱性，只研究它的1/4，網(wǎng)格數(shù)為131353，所用迭代方法為逐線松弛法，仿真時間Tf為，計(jì)算步距為，單步迭代次數(shù)為20次，收斂精度為，訐所用時間Tu為，仿真時間比為： (4) 將上述問題在兼容的PC Pentium 90 計(jì)算機(jī)（稱為計(jì)算機(jī)B）上進(jìn)行計(jì)算所用的時間Tu為，仿真時間比2為，計(jì)算機(jī)A和B的運(yùn)算速度這比為:1。如果對同一問題采用PC486/33計(jì)算機(jī)（稱為計(jì)算機(jī)C）進(jìn)行計(jì)算，由于計(jì)算機(jī)C和B的速度之比約為1：10，因此相應(yīng)的仿真所用時間Tu為7320s，仿真時間比3為366。 如果總的仿真時間為1000s，則采用計(jì)算機(jī)A、B和C進(jìn)行仿真所用的

17、時間分別為4450 s（）、36600s()和366000s()，顯然，彩計(jì)算機(jī)C所用的時間太長，這就是以前的仿真中，一直不能采用精確仿真系統(tǒng)的主要原因；如果采用計(jì)算機(jī)A或B，對于非實(shí)時仿真系統(tǒng)來說，所用的時間基本上是可以接受的，但是，當(dāng)仿真時間太長時，計(jì)算機(jī)B也將被使用者淘汰；而對實(shí)時仿真系統(tǒng)來說，即使采用計(jì)算機(jī)A，在上述計(jì)算機(jī)條件下，顯然也是不可接受的，因?yàn)榉抡嫠玫臅r間超過了仿真時間，這時的仿真實(shí)際是無意義的。 為了能夠利用計(jì)算機(jī)A完成高大空間控制的實(shí)時精確仿真，本文對瞬態(tài)CFD模擬采取了如下的措施： 1將CFD模擬的網(wǎng)格數(shù)減少為 9920，模擬的結(jié)果表明，此時的氣流運(yùn)動規(guī)律沒有因網(wǎng)格的

18、減少而失真； 2在仿真時間內(nèi)改變單步迭代次數(shù)，使仿真收斂時所用時間較短，但由于本文沒有改變計(jì)算步距，單步迭代次數(shù)的改變也只進(jìn)行了210次，因此，所得到的較短的Tu是一個較優(yōu)值，不一定是最優(yōu)值。 經(jīng)過上述調(diào)整后，得到仿真時間和仿真時間比的關(guān)系曲線見圖5。 圖5 仿真時間和仿真時間比關(guān)系曲線 從圖5可以看出，在固定計(jì)算步距時，在不同的仿真時間內(nèi)，需要采用不同的單步迭代次數(shù)才能使仿真所時間較短，經(jīng)過單步迭代次數(shù)優(yōu)化后，開始時，隨著仿真時間的加長，仿真所用時間反而減少，但由于單步迭代次數(shù)不能太少（否則仿真容易失真），因此當(dāng)單步迭代次數(shù)減少到10次以后，仿真所用的時間隨仿真時間的增加而增加。同時發(fā)現(xiàn)，仿

19、真時間比基本上隨仿真時間的增加而減少，當(dāng)單步迭代交數(shù)減少到10次以后，仿真時間比基本上不再變化；當(dāng)仿真時間達(dá)到時，仿真時間比=4 結(jié)論 本文采用瞬態(tài)CFD模擬的方法得到了高大空間的動態(tài)響應(yīng)特性，并通過實(shí)驗(yàn)證明結(jié)果是可靠的，可以用于高大空間氣流控制系統(tǒng)的仿真。同時，本文論述了精確仿真系統(tǒng)的理論和可行性，認(rèn)為在目前的條件下實(shí)時精確仿真系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的。 作者建議：對于高大空間通風(fēng)空調(diào)氣流控制系統(tǒng)，在通常情況下可以采用集中參數(shù)模型進(jìn)行仿真，其中的高大空間動態(tài)特性采用CFD方法得到，如果時間和經(jīng)濟(jì)上許可，建議采用精確仿真系統(tǒng)。為了使實(shí)時精確仿真系統(tǒng)更加可行、精確和完善，可以從以下幾個方面對它進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化： （1）研究出智能的CFD模擬方法，它能夠自動地選擇最好的迭代方法，并通過優(yōu)化組合計(jì)算步距和單步迭代次數(shù)使仿真所用的時間最短。其中，先進(jìn)的迭代方法也是有待進(jìn)一步研究的內(nèi)容。 （2）根據(jù)仿真時間比、采樣定理和高大空間動態(tài)特性對采樣周期進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算實(shí)時精確仿真系統(tǒng)的最優(yōu)采樣周期。 （3）使用高速的超級計(jì)算機(jī)。目前的個人計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)展到CPU為Pentium IV 2 GHz，如果采用這種計(jì)算機(jī)，采樣周期可以更短，從而可以實(shí)