CN104598667A - 一种基于cfd技术的室内通风效率检测模拟分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CFD技术的室内通风效率检测模拟分析方法，包括：采用SolidWorks软件实现污染物扩散的三维计算机模拟，分析室内有毒或污染气体在通风系统下的室内空间扩散规律。本发明所述基于CFD技术的室内通风效率检测模拟分析方法，可以克服现有技术中操作过程复杂、人工劳动强度大和检测效率低等缺陷，以实现操作过程简单、人工劳动强度小和检测效率高的优点。

Description

一种基于CFD技术的室内通风效率检测模拟分析方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体地，涉及一种基于CFD技术的室内通风效率检测模拟分析方法。

背景技术

现公开的CFD技术相关的发明专利有：1.基于CFD的工业蒸汽裂解炉炉膛烟气组成分布的预测方法；2.一种基于CFD数值模拟的温室控制方法；3.一种基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置；4.基于CFD技术的工作场所职业暴露模拟分析方法等等。

这几个已有的专利皆涉及使用复杂的全英文FLUENT软件进行求解，前处理需要一种专门划网络的软件，例如GAMBIT和后处理又要使用一种专门软件，如Tecplot，这样一来模拟分析流程非常复杂和繁琐，对工程技术人员的技术背景和英文水平要求极高。而且，这些CFD技术的应用，未涉及到如何用一种直观简单方便快捷的软件来高效率模拟室内空气分布，以便检测室内空气质量及通风效率的方法。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在操作过程复杂、人工劳动强度大和检测效率低等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于CFD技术的室内通风效率检测模拟分析方法，以实现操作过程简单、人工劳动强度小和检测效率高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于CFD技术的室内通风效率检测模拟分析方法，包括：

采用SolidWorks软件实现污染物扩散的三维计算机模拟，分析室内有毒或污染气体在通风系统下的室内空间扩散规律。

进一步地，所述采用SolidWorks软件实现污染物扩散的三维计算机模拟，分析室内有毒或污染气体在通风系统下的室内空间扩散规律的操作，具体包括：

1)CFD前处理；

2)CFD计算求解；

3)CFD后处理，即结果分析。

进一步地，所述步骤1)，进一步包括：

(1)确定模拟场景的简化模型；

根据所需模拟的场景区布局图构建整个模拟区域的三维结构，并根据求解需要进行简化；

(2)初始设置及边界条件设置；

根据所需模拟场景的室内实际通风情况，选择分析类型、定义室内有毒或污染气体的物理性质、设置边界条件和流场初始化。定义求解目标、设置收敛因子；

(3)网格划分；

按室内三维结构具体情况划分网格，将狭小通道、间隙及需要详细观察的位置进行局部网格细化，对整个室内三维结构空间划分结构化网格。

所述步骤2)，具体包括：

进一步地，经过相关参数设置后，可开始迭代运算，系统会根据当定义的求解目标值的稳定性判断收敛情况，一般认识本步计算与上一步计算值相差小于一个预设的微小值时，求解达到收敛。

进一步地，所述步骤3)，具体包括：

利用SolidWorks Flow Simulation自带的后处理功能，得到有毒或污染气体在室内通风系统内的扩散路径、速度分布、浓度场分布，提取污染气体去除效果CRE室内空气质量指数LAQI及与人体的“热舒适感”或“热舒适度”相关的指标来综合预测通风效率。

进一步地，所述与人体的“热舒适感”或“热舒适度”相关的指标包括通风效率参数平均辐射温度MRT、操作温度、拉伸温度、空气分布特性指标ADPI、预测平均评价PMV等。

本发明各实施例的基于CFD技术的室内通风效率检测模拟分析方法，由于包括：采用SolidWorks软件实现污染物扩散的三维计算机模拟，分析室内有毒或污染气体在通风系统下的室内空间扩散规律；从而可以克服现有技术中操作过程复杂、人工劳动强度大和检测效率低的缺陷，以实现操作过程简单、人工劳动强度小和检测效率高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图以医院一间隔离病房(ICU)为例，用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明中模拟场景通风系统的结构示意图；

图2为本发明中分析结果摘要截图；

图3为本发明中ICU室内的空气流体模型，a)实际室内场景三维模型/CAD model，b)流体模型/Air fluid model；

图4为本发明中呼出气体的室内空气质量指数(LAQI)的分布云图，a)高于地面1m平面的LAQI值，b)高于地面2.5m平面的LAQI值；

图5为本发明中预测平均评价(PMV)的等值面分布图，a)0、0.25、0.5、0.75及1的等值面，b)0～0.25的等值面；

图6为本发明中室内气体的流动迹线，a)整体流动轨迹，b)病人呼出气体的流动轨迹。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-照明灯；2-卫生间排风格栅；3-强制新鲜空气入口；4-医疗设备；5-电视机；6-强制排风出口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1-图6所示，提供了一种基于CFD技术的室内通风效率检测模拟分析方法，是基于CFD技术的室内空气质量模拟分析方法(尤其针对较封闭的室内，如高净实验室，及医院ICU病房的室内模拟)。

本发明技术方案的发明目的：

1.本发明涉及一种基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)技术对室内通风效率检测的模拟分析方法，尤其可应用于医院隔离病房(isolation careunit，ICU)室内空气质量检测。需要先对室内具体情景进行三维建模，确定模拟场景，再应用CFD软件(本发明以SolidWorks Flow Simulation软件为例)对模拟场景内的流体构建三维网格，根据室内通用实际情况定义气体物理性质、设置初始条件和边界条件，求解后，应用后处理观察室内空气流动场，以污染气体去除效果(ContaminantRemoval Effectiveness，CRE)室内空气质量指数(Local Air Quality Index,LAQI)及与人体的“热舒适感”或“热舒适度”相关的通风效率参数平均辐射温度(Mean RadiantTemperature，MRT)、操作温度(Operative Temperature)、拉伸温度(Draft Temperature)、空气分布特性指标(Air Diffusion Performance Index，ADPI)、预测平均评价(PredictedMean Vote,PMV)来综合预测通风效率。本发明采用CFD技术模拟室内空气流通情况，评估室内通风系统设计的合理性，利用分析、比较和评价，选出最优方式，可改善设计，指导现场通风系统的设置，对设计不当的地方提出修改意见，满足室内设计对人员舒适性、健康性、安全性等的要求，并且采用这种设计可节约大量制作样板房的耗材及成本，实物测试实验前，先进行模拟计算，实现了低碳环保的经济性。相信随着国民对居住环境要求越来越高，CFD技术在要求严格的室内通风系统设计中会得到了广泛应用。

2.本发明仅需要使用一款软件——SolidWorks，首先使用其CAD模块进行三维建模，再使用其CFD模块进行前处理(结构简化、网格划分)、求解器计算、后处理(速度场、浓度场及舒适性分析)，操作简单快捷！

3.本发明属室内通风系统设计领域，特别是提出了一种基于CFD技术的室内空气质量检测的模拟分析，主要应用于医院通风系统设计、化学生产车间通风系统设计、生物医学类实验室通风系统设计等。

4.本发明采用CFD技术，可预测出室内通风环境下有害物质或污染源在气流中的复杂轨迹运动，通过Flow Simulation软件(SolidWorks是一款主流设计软件自身是三维结构设计软件，只管CAD设计部分，Flow Simulation是原来只做CFD流体分析的单独小软件，后被SolidWorks收购，集成在主软件里)实现污染气体的浓度场分布情况。

本发明技术方案的的基本技术方案：

1.一种基于CFD技术的室内通风效率检测模拟分析方法，包括：采用SolidWorks Flow Simulation软件实现污染物扩散的三维计算机模拟，分析室内有毒或污染气体在原有通风系统设计下的室内空间扩散规律。

2.如权利要求1所述的方法，步骤如下：

1)CFD前处理

(1)确定模拟场景的简化模型(使用SolidWorks软件CAD模块)

根据所需模拟的装置区布局图构建整个模拟区域的三维结构，并根据求解需要进行简化；

(2)使用SolidWorks软件CFD模块Flow Simulation插件初始设置及边界条件设置。

根据所需模拟的室内实际通风情况，选择分析类型、定义室内有毒或污染气体的物理性质、设置边界条件和流场初始化。定义求解目标、设置收敛因子。

(3)网格划分

按室内结构具体情况划分，将狭小通道、间隙及要观察位置的网格细化，在整个室内空间划分结构化网格。

2)CFD求解

经过相关参数设置后，可开始迭代运算，系统会根据当定义的求解目标值的稳定性判断收敛情况，一般认识本步计算与上一步计算值相差小于一个微小值(通常设为10^-5)时，可认为求解达到收敛。

3)CFD后处理

即结果分析，利用Flow Simulation自带的后处理功能，得到有毒或污染气体在室内通风系统内的扩散路径、速度分布、浓度场分布等，提取污染气体去除效果(Contaminant Removal Effectiveness，CRE)室内空气质量指数(Local Air QualityIndex,LAQI)及与人体的“热舒适感”或“热舒适度”相关的通风效率参数平均辐射温度(Mean Radiant Temperature，MRT)、操作温度(Operative Temperature)、拉伸温度(Draft Temperature)、空气分布特性指标(Air Diffusion Performance Index，ADPI)、预测平均评价(Predicted Mean Vote,PMV)等指标来综合预测通风效率。

本发明技术方案的保护要点：

1.一种基于CFD技术的室内空气质量分析方法，包括以下步骤：

S1：根据建筑结构设计图建立室内环境三维模型；

S2：确定室内通风系统的具体设置；

S3：确定有毒或污染气体的组成；

S4：设定室内流体的边界条件和初始条件；

S5：求解；

S6：后处理，根据s1-s5的设置求解收敛后，可通过模拟计算出有毒或污染气体在室内通风系统内的扩散路径、速度分布、浓度场分布等，提取污染气体去除效果(Contaminant Removal Effectiveness，CRE)室内空气质量指数(Local Air QualityIndex,LAQI)及与人体的“热舒适感”或“热舒适度”相关的通风效率参数平均辐射温度(Mean Radiant Temperature，MRT)、操作温度(Operative Temperature)、拉伸温度(Draft Temperature)、空气分布特性指标(Air Diffusion Performance Index，ADPI)、预测平均评价(Predicted Mean Vote,PMV)等指标来综合预测通风效率；

S7：综合判断所有指标是否合理，若是，则可确定通风系统的设计方案；

S8：若否，则根据预测情况对室内三维模型进行修改调整，重新设计室内结构和通风系统，并返回步骤S1进行重新建模。

S9：对比从多个设计方案，选出最佳，确定并输出室内通风系统的最终方案。

与现有的技术相比本发明的方法具有的优点或有益效果：

1.本发明集前处理、求解、后处理于一体，避免了之前用三种软件分开处理的繁琐流程，无需使用三种不同的软件那么复杂繁琐，大大节约时间。

2.本发明的网格处理可直接根据计算域内的流体所存在空间生成，无需进行空间逆向建立流体的三维模型，大大节约时间。

3.本发明的后处理比已公开的方法更直观，后处理的展示，流体可与实物结构模型共同展示，无需逆向思维观察，方便无CFD经验的人理解，通俗易懂。

本发明技术方案的附图情况说明：室内通风系统在工业中的厂房、医院中的楼房及病房、建筑中的实验楼及实验室、生活中的居家室内装修中都有很好地应用，尤其在空间较小的室内，不仅应追求美观和舒适，更重要是追求健康，因此只有保证了整个室内环境的空气清洁，才能做到真正的环保和健康。以医院的隔离病房(IsolationCare Unit,ICU)为例，怎么才能做到良好通风效果，利用空气流通带走气体中的污染气体，又不影响室内整体的舒适度呢，这需要精密的通风设计、规划和检测。通常在制作样板前，可引入计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)进行流体模拟来预测空气质量及按舒适标准计算的整体热敏度。本发明的技术方案以医院的一间ICU病房为例，应用SolidWorks的CAD模块设计出一间典型的ICU病房模型，内设有标准的医院病房设施，如病床、通风设备、照明和医疗设备，及一名传染病人，污染气体主要来自病人呼出的气体，因此，本发明的技术方案CFD分析的目标：应用专业的CFD流体分析软件SolidWorks Flow Simulation，以人的“污染气体去除效果”及“热舒适感”或“热舒适度”来评估通风效率。

1模型简化及相关参数解释

1.1简化模型创建，参见图1。

ICU病房的原始模型非常复杂，简化处理后，其通风系统结构基本组成及坐标系如图1所示：病床、照明灯、医疗设备、电视机、通风设备(安装在天花板上的“强制新鲜空气入口”、天花板上“强制排风出口”及卫生间的“排风格栅”)，一名传染病人及一名医护人员，污染源来自病人呼出的气体，热源来自照明灯、医疗设备、电视机及人体。在图1中，该通风系统包括照明灯1、卫生间排风格栅2、强制新鲜空气入口3、医疗设备4、电视机5和强制排风出口6。

1.2评估相关参数解释

(1)评估与污染气体去除有关的参数有：

污染气体去除效率(Contaminant Removal Effectiveness,CRE)：表征从空间内去除污染气体的效率，CRE＝1时为完美混合体系，CRE大于1表征去污效率高，CRE小于1表征去污效率低。

室内空气质量指数(Local Air Quality Index,LAQI)：表征从室内一特定点去除污染气体的效率。

评估与人体热舒适相关的通风效率的参数有：

平均辐射温度(Mean Rediant Temperature,MRT)：一个假想黑体的平均表面温度，该假想黑体内任一质点，其交换的辐射热等同于在一个真实非均匀空间内的值。

操作温度(Operative Temperature)：一个假想黑体的平均温度，该假想黑体内任一质点，其通过辐射和对流交换的辐射热等同于在一个真实非均匀空间内的值。

拉伸温度(Draft Temperature)：当湿度和辐射为常数时，人体任何一部位因空气流动及空气温度的影响，而感到“凉”或者“暖”的温度差。

空气分布特性指标(Air Diffusion Performance Index,ADPI)：指气体速度小于0.35m/s且通风温度在-1.7℃与1.1℃之间的空间百分率。

预测平均评价(Predicted Mean Vote,PMV)：是基于人体热平衡的一个预测指标，取从调查人群里所得7点式(如表1)热舒适度数值的平均值。热平衡，是指人体内部产生的热等于环境消耗的热。

预测不满意百分度(Predicted Percent Dissatisfied,PPD)：指在特定环境下的受调查人群中，感到热不舒适度或热不满意度的人数占总体人数的百分度。

另外，Flow Simulation还能计算出室内平均时间(Local Mean Age，LMA)和室内气体变化指数(Local Air Change Index,LACI)：其中，LMA指流体从选定的入口随流体速度及扩散流至特定点的平均时间，LACI指V/Q，其中V代表计算域内的流体体积，Q是进入流域的流体的体积流率，平均时间τ指流体从从选定的入口随流体速度及扩散流至特定点的平均时间(LMA和LACI两个参数在默认条件下并未激活，需要在“计算控制选项”中的“高级”内勾选这两个参数)。

2前处理

2.1初始设置及边界条件

基于ICU室内统计的数据，在Flow Simulation中进行初始设置：分析类型为内部流动，排除内部没有流动条件的空腔；重力方向竖直向下Y方向取-9.81m/s^2，流体为“空气(air)”和“呼出气体(Expired air)”(Expired air是特殊定义的一种气体，代表由病人呼出的含污染物的气体)；室内环境温度为19.5℃，初始室内空气浓度为：空气占1(即100％)，呼出空气占0。边界条件设置：第一入口流体的体积流率为0.08m^3/s，此处空气占1，呼出空气占0，从天花板上的“强制新鲜空气入口”进入；第一出口体积流率为0.043m^3/s，从天花板上的“强制排风出口”流出；第二入口流体的体积流率为0.0002m^3/s，此处空气占0，呼出空气占1，从病人口呼出进入室内；第二出口在卫生间的“排风格栅”，设为环境压力，接受默认的101325Pa及19.5℃。因热源来自照明灯、医疗设备、电视机及人体(医护人员及病人)，为简化计算，添加表面热源：医护人员热量为144W，病人热量为81W(医护人员与病人热量不同，由于病人新陈代谢低，且通常盖着被子，统计时病人表面热量低)，照明灯为120W，电视机为50W，医疗设备为50W。收敛条件设置：取室内平均辐射温度、平均操作温度、平均速度、及“呼出气体”的体积百分率。

2.2网格划分条件

整体的“初始网格的级别”设为3级，因病人口的尺寸12mm，可设最小缝隙尺寸为0.012m，则“最小壁厚”也可设为0.012m，并选择“优化薄壁面求解”。局部初始网格设置：因人体表面复杂，选择两个人体，“细小固体特征细化级别”设为4，“细化流体网格”设为2。求解后划分出：12.8万流体网格和15.2万部分网格(即固体与流体边界的网格)。

3结果分析

3.1获取CRE值，参见图2。

污染气体去除效率(CRE)表征从空间内去除污染气体的效率，当CRE大于1表征去污效率高，CRE小于1表征去污效率低。从分析的结果摘要可看到(如图2)，呼出气体(expired air)的CRE为1.11，说明通风系统的去除污染气体的作用是有效的。

3.2获取体积参数，参见图3。

热舒适参数的计算必须基于流体体积，该值可由进入“工具/检查模型”计算出：如图2所示，a)为实际三维模型，b)为逆向计算出在计算域内的实际流体的体积，为41.858m^3。

3.3核实参考参数值

代谢率、外功、服装热阻、相对湿度等数值是用于计算PMV和PPD等舒适性参数的参考参考，从“结果/默认参考参数”里设定：整个环境温度控制在19.5℃，代谢率设为100W/m^2(默认)、外功为0W/m^2(默认)、服装热阻为0.11K*m^2/W、相对湿度为55％。其中，服装热阻设为0.11K*m^2/W，是一个整体效果值，指人体穿着轻便的内衣、棉制的长袖衬衫、工作裤、羊毛袜和鞋子时的热阻，包括被衣物覆盖部分及裸露的手和头时的热阻。相对温度设为55％(室内条件下常用值)。

3.4提取舒适参数

从“体积参数”里选取平均辐射温度、操作温度、PMV、PPD、拉伸温度、LAQI空气、LAQI Expired Air及评估的ADPI值，提取参数值，列表如下：

3.5LAQI云图及PMV等值面，参见图4和图5。

呼出气体的LAQI值越高，表明污染物的浓度越低但越容易去除。从图4和图5取了两个呼出气体的LAQI的分布云图切片，图中颜色代表病人呼出气体的LAQI值(LAQI Expired Air)，从图可知，离“强制新鲜空气入口”越近空气质量越好，而离病人口部越近空气质量越差。基于预测平均评价(PMV)的7点式热舒适度评估值，分别取室内PMV值为0(适中)、0.25、0.5、0.75及1(有点暖)的等值面来观察，如图4所示，发热体(人体、照明灯)周围达到1，在“强制新鲜空气入口”下方及小范围为0～0.25表明这里的热舒适度最佳，这与实际情况符合。

3.6室内气体的流动迹线，参见图6。

室内空气流动轨迹及速度可用“结果/流动迹线”来直观获得，在室内考虑更多的是舒适性，因此显示时，颜色表示病人呼出气体的LAQI值(LAQI Expired Air)，LAQI值越很快由0，箭头表示出流体的运动轨迹，如图5a所示，模拟出了室内流场的整体分布，气体主要从“强制新鲜空气入口”进入ICU病房内，在室内因遇到各种阻碍而向四周分流，然后辗转从“强制排风出口”和“卫生间排风格栅”流出，可观察到“强制排风出口”似乎比不上“卫生间排风格栅”，这与预想的不一致，可能是由于“强制排风出口”的位置不佳，若要提高“强制排风出口”的排风效率，需要进行修改。图5b模拟了从传染病人口中呼出的气体在室内的流动轨迹，可见带污染的气体经通风处理后，污染物的浓度大大降低了，最终主要从“卫生间排风格栅”排出。

4结论

SolidWorks Flow Simulation可以很好模拟室内空气质量分布，并评估室内通风系统的设计的优良，通过后处理可以直观获得室内LAQI云图及PMV等值面，预测通风效果的好坏，为优化室内通风设计提供有力的参考，因此，在欧美等发达国家，要求严格的室内通风系统设计中得到了广泛应用，而在中国，随着国民对居住环境要求越来越高，相信也会逐渐得到普及。若经分析发现原始设计不佳或室内条件发生改变，可以针对条件或问题进行适当调整，或重新设计。至于重新设计的通风效果究竟如何，则需要进行新一轮的CFD分析验证。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于CFD技术的室内通风效率检测模拟分析方法，其特征在于，包括：

采用 SolidWorks软件实现污染物扩散的三维计算机模拟，分析室内有毒或污染气体在通风系统下的室内空间扩散规律。

2.根据权利要求1所述的基于CFD 技术的室内通风效率检测模拟分析方法，其特征在于，所述采用 SolidWorks软件实现污染物扩散的三维计算机模拟，分析室内有毒或污染气体在通风系统下的室内空间扩散规律的操作，具体包括：

1）CFD前处理；

2）CFD计算求解；

3）CFD后处理，即结果分析。

3.根据权利要求2所述的基于CFD 技术的室内通风效率检测模拟分析方法，其特征在于，所述步骤1），进一步包括：

（1）确定模拟场景的简化模型；

根据所需模拟的场景布局图构建整个模拟区域的三维结构，并根据求解需要进行简化；

（2）初始设置及边界条件设置；

根据所需模拟场景的室内实际通风情况，选择分析类型、定义室内有毒或污染气体的物理性质、设置边界条件和流场初始化；

定义求解目标、设置收敛因子；

（3）网格划分；

按室内三维结构具体情况划分网格，将狭小通道、间隙及需要观察的位置进行局部网格细化，同时，对整个室内三维结构空间划分结构化网格；

所述步骤2），具体包括。

4.根据权利要求2所述的基于CFD 技术的室内通风效率检测模拟分析方法，其特征在于，经过相关参数设置后，可开始迭代运算，系统会根据当定义的求解目标值的稳定性判断收敛情况，一般认识本步计算与上一步计算值相差小于一个预设的微小值时，求解达到收敛。

5.根据权利要求2所述的基于CFD 技术的室内通风效率检测模拟分析方法，其特征在于，所述步骤3），具体包括：

利用SolidWorks Flow Simulation自带的后处理功能，得到有毒或污染气体在室内通风系统内的扩散路径、速度分布、浓度场分布，提取污染气体去除效果CRE、室内空气质量指数LAQI及与人体的“热舒适感”或“热舒适度” 相关的指标来综合预测通风效率。

6.根据权利要求5所述的基于CFD 技术的室内通风效率检测模拟分析方法，其特征在于，所述与人体的“热舒适感”或“热舒适度” 相关的指标包括通风效率参数平均辐射温度MRT、操作温度、拉伸温度、空气分布特性指标ADPI、预测平均评价PMV。