CN105808860A - 一种基于计算流体动力学的分析方法 - Google Patents

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王致杰
吕金都
黄麒元
周泽坤
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Abstract

本发明提供一种基于计算流体动力学的分析方法，包括：将一地铁站台进行网格划分；对所述划分后的网格采用湍流模型进行分析；设置边界条件；显示分析结果。本发明基于计算流体动力学对地铁站台进行模拟分析，设定多个边界条件以分析各种因素对地铁站台的影响。

Description

一种基于计算流体动力学的分析方法
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，特别涉及一种基于计算流体动力学的分析方法。
背景技术
计算流体动力学是流体力学的一个分支，简称CFD(ComputationalFluidDynamics)。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。
CFD在最近20年中得到飞速的发展,除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外,还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制,例如由于问题的复杂性,既无法作分析解,也因费用昂贵而无力进行实验确定,而CFD的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD软件可以拓宽实验研究的范围,减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验,历史上也曾有过首先由CFD数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。CFD软件一般都能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点,都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,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。CFD软件之间可以方便地进行数值交换,并采用统一的前、后处理工具,这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于计算流体动力学的分析方法，包括：
将一地铁站台进行网格划分；
对所述划分后的网格采用湍流模型进行分析；
设置边界条件；
显示分析结果。
进一步的，在所述的基于计算流体动力学的分析方法中，采用Gambit软件对所述地铁站台进行网格划分。
进一步的，在所述的基于计算流体动力学的分析方法中，进行网格划分时，划分成结构化网格或非结构化网格。
进一步的，在所述的基于计算流体动力学的分析方法中，所述网格划分后形成混合六面体的网格。
进一步的，在所述的基于计算流体动力学的分析方法中，采用Fluent软件设置边界条件。
进一步的，在所述的基于计算流体动力学的分析方法中，其特征在于，所述边界条件包括：车站人员热负荷、列车发热负荷、温度和速度。
进一步的，在所述的基于计算流体动力学的分析方法中，所述温度包括：空调进风口温度、站台送风温度和围护结构壁面温度。
进一步的，在所述的基于计算流体动力学的分析方法中，所述速度包括进风口风速和回风口风速。
进一步的，在所述的基于计算流体动力学的分析方法中，在所述设置边界条件的步骤前还包括设置物理属性的步骤。
本发明提供的基于计算流体动力学的分析方法，具有以下有益效果：本发明基于计算流体动力学对地铁站台进行模拟分析，设定多个边界条件以分析各种因素对地铁站台的影响。
附图说明
图1是本发明实施例的计算流体动力学的分析方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于计算流体动力学的分析方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明提供一种基于计算流体动力学的分析方法，包括：
步骤一：将一地铁站台进行网格划分；优选的，本发明是采用Gambit软件对所述地铁站台进行网格划分的。
对地铁站台的流动与传热问题进行模拟计算时，其中很重要的一步就是划分网格，即要把地铁站台的物理模型的连续的计算区划分成为许多个子区域，并确定每个区域中的节点。地铁环控系统模拟计算结果最后的精度及计算过程的效率与网格的划分有很重要的关系。计算网格根据其性质的不同，主要分为两种：结构化网格和非结构化网格。结构化网格的最大特点在于网格有规律，构造方便，容易计算，占内存小等优点；缺点是对于复杂几何形状网格划分很难满足要求。非结构化网格舍去了网格节点的结构性限制，可以方便的设置网格单元的大小、形状及节点位置，具有较大的灵活性，能够用于复杂的外形。但因为其无规律的特性，导致在计算中存储空调大，寻址时间长，计算效率低，计算时间长等缺点。
要正确的模拟地铁站台的流场，首先必须有高质量的网格。网格过于稀疏会使计算结果不准确，而过于密集则会加大计算量。为了能够得到较好的网格，对地铁站台模型采用混合六面体的网格，并遵循以下原则：
1.在梯度大的地方，网格必须保证足够细密(温度梯度，速度梯度等)。
2.由一个网格单元到另一个网格单元的尺寸扩大比一般小于等于2。
3.网格形状应尽量规则，正方体或者接近正方体都是可以的，但网格不应有较大的倾斜，尽量减少类似长方体的网格。
4.梯度小的地方的网格可以适当的稀疏一些，而梯度比较大的地方的网格必须足够细密。
5.可对计算对象采用均匀网格和不均匀网格相结合的划分方法，对计算区域内某些物体本身以及其周围的网格进行专门的细化分析(即局部加密)，使局部的网格满足计算要求。
6.固体表面之间的网格数应该大于1。
7.流体表面(送、排风口)的网格数应该大于4个。
8.根据计算对象的实际尺寸大小选取择合适的网格间距，在满足网格足够精细的同时尽量减少网格数量，从而减轻计算工作量，提高收敛的稳定性。
步骤二：对所述划分后的网格采用湍流模型进行分析；优选的，本发明使用目前使用最广泛的湍流模型-标准k-ε模型来对地铁站台环控气流进行研究。
标准k-ε模型需要求解湍流动能及耗散率方程，其湍流动能K和耗散率ε的求解方程表示如下：
K方程：
ε方程
上式中，u为流体的速度，u在xi3个坐标上的分量分别为ui；ρ、η、ε、ηt、σk、k分别为流体的密度、动力粘度、耗散率、湍流动力粘度、脉动动能的普朗特数、湍流动能；P为湍流产生项，其具体形式为K-ε方程中常数为C1＝1.44，C2＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3。
步骤三：设置边界条件；优选的，本发明采用Fluent软件设置边界条件，它是目前广泛使用的CFD软件，CFD是使用计算机对流体流动和热传导等相关物理现象进行分析与模拟。由于地铁站台内空气的流动可看作是三维瞬态湍流流动的不可压缩流体,再加上地铁车站结构的复杂性,如果按瞬态来模拟全尺寸的三维流动,问题将十分复杂,而且数值解可能是发散的,为简化计算气流为稳态流动的情况。具体来说，所述边界条件包括：车站人员热负荷、列车发热负荷、温度和速度。所述温度包括：空调进风口温度、站台送风温度和围护结构壁面温度。所述速度包括进风口风速和回风口风速。
特别要说明的是，在有些模型中还要设置流体的物理属性的参数，由于本发明中是空气，不需要修改模型的设定。
步骤四：显示分析结果。
在本实施例中，对上述边界条件作出了设定，例如：空调风速入口，进风口速度为1.5m/s，进风口温度为298K；空调回风口为压力出口，回风口温度设置与外界大所温度相同；根据FLUENT求解器要求，人体热源设置为面热源，热通量为80w/m2，实际人员负荷由人群长度决定；四周墙壁导热，热通量为10w/m2；上下墙壁绝热。得出以下结论：
由于1.6m左右高度为人体面部皮肤所处高度，是人感受温湿度、风速等舒适度指标的最佳高度，因此选取此剖面进行分析。1.6m剖面处温度分布比较均匀，温度大多数位于298K-300K。风口正对区域温度基本与进风口温度相同，其他位置温度稍高且均匀性较好。1.6m剖面处速度均匀性较差，风口正对区域风速偏高，在1m/s-1.5m/s之间，有明显的吹风感，其他区域特别是站台中间区域风速较低，在0m/s-0.4m/s之间。
进一步的，只考虑温度对地铁站台的流场的影响，其它参数不变，设定进风口速度为2.5m/s，人体热源设置为面热源，人员负荷设定为80W；四周墙壁导热，热通量为10w/m2，具体参数如表1所示。
表1
为了便于分析，同样取1.6m高处的截面进行分析；随着温度的变化，地铁站台内的温度场也发生了显著的变化，大多数地方的温度比进风口温度高出1～2K，分布比较均匀，因此可知，进风口的温度对地铁站台内的温度场的影响是比较大的。虽然进风口温度发生了变化，但是由于进风口风速的恒定，地铁站台的速度场并没有显著的变化，而是维持在一个较稳定的水平，可见进风口温度的变化并不影响站台内风速场的变化。
进一步的，进风口风速的不同势必也会对站台的流场产生影响，为了分析进风口风速大小对站台温度场和速度场的影响，同样取不同的送风速度进行实验，设定进风口温度，人员负荷，以及墙壁热能量为定值。随着进风口风速的增大，地铁站台内的风速也随之增大，而且效果比较明显，而由于进风口温度的恒定，温度场并没有显著的变化，但温度趋于均匀，随着空调送风速度的增大，地铁站台内的气流流动速度增大，从而使得站台内的温度分布更加均匀。因此，空调送风速度对站台的风速场有着直接的影响，对温度场也有一定的影响作用。
进一步的，考虑到一天中不同时刻人流量的不同、一年四季环境温度的不同、一天中的不同时间的环境温度的不同，因此有必要对人员负荷以及由于环境温度改变面改变的壁面温度的改变对站台内的流场的影响进行分析，同样在分析人员负荷时，设定其它因素为定值进行分析，为便于在FLUENT里进行分析，人员负荷取为面负荷，人员负荷的大小依据实际人群长度来决定，取不同的人员负荷得出站台内的温度场和速度场。当人员负荷发生显著变化时，站台内的温度由293.5K变为295K，而站台内的风速并没有发生改变，由于人员负荷为热源，因此并不会对风速场产生影响，但是对温度场会有一定的影响。
下面分析墙壁热通量的影响，分别取D＝10w/m2和30w/m2的热通量进行分析，墙壁热通量的变化对温度场以及速度场的影响很小，这也间接的说明地铁站台内的温度场主要受空调送风温度与人员负荷的影响，而速度场则主要受空调送风速度的影响。但是并不能说明墙壁的辐射热对地铁站台内的流场没有影响，因为地铁站台内的流场是众多因素相互作用的结果，因此，需要定量分析不同因素对站台流场的影响。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于计算流体动力学的分析方法，其特征在于，包括：
将一地铁站台进行网格划分；
对所述划分后的网格采用湍流模型进行分析；
设置边界条件；
显示分析结果。
2.如权利要求1所述的基于计算流体动力学的分析方法，其特征在于，采用Gambit软件对所述地铁站台进行网格划分。
3.如权利要求1所述的基于计算流体动力学的分析方法，其特征在于，进行网格划分时，划分成结构化网格或非结构化网格。
4.如权利要求1所述的基于计算流体动力学的分析方法，其特征在于，所述网格划分后形成混合六面体的网格。
5.如权利要求1所述的基于计算流体动力学的分析方法，其特征在于，采用Fluent软件设置边界条件。
6.如权利要求1或5所述的基于计算流体动力学的分析方法，其特征在于，所述边界条件包括：车站人员热负荷、列车发热负荷、温度和速度。
7.如权利要求6所述的基于计算流体动力学的分析方法，其特征在于，所述温度包括：空调进风口温度、站台送风温度和围护结构壁面温度。
8.如权利要求6所述的基于计算流体动力学的分析方法，其特征在于，所述速度包括进风口风速和回风口风速。
9.如权利要求1所述的基于计算流体动力学的分析方法，其特征在于，在所述设置边界条件的步骤前还包括设置物理属性的步骤。
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