CN107273600A - 一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,它首先根据空调机组室外机安装设计方案建立室外机三维模型,然后对室外机三维模型进行求解,最后根据计算结果确定空调机组室外机的最佳安装位置。本发明采用CFD模拟软件是以图形、动画以及具体数字相结合的形式来表达实际结果,更具说服力;因其建模周期短,建模过程简单方便,节省大量时间,软件模拟接近实际情况下的温度气流分布,具有很高的可靠性;通过软件模拟,最大限度辅助配合数据中心空调设计,预测应用效果,并提供合理和科学的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,属于制冷与空调技术领域。
背景技术
随着电子信息行业的飞速发展,数据中心的发展也进入到一个新的阶段。据统计,数据中心空调用电约占整个数据中心耗能的40%。空调的用量愈大,消耗电力也愈多,直接造成夏季限电危机及大量能源消耗的问题。在数据中心建设中,空调负荷在几百kW以上的建筑一般采用冷凝器集中布置的集中空调系统。空调系统的室外机(多为空冷肋片式换热器)在有限空间内布置密度过大会影响其工作时的散热效果,导致空调系统的COP值降低。所以研究空调系统室外机与周围环境空气的换热过程,并优化其布置方案具有很好的实用价值。CFD模拟设备简单、投资低、计算速度快,计算空间不受限制,完整的资料获取、可模拟多种工况,随着经济的发展和科技进步,CFD仿真技术越来越多应用到各种行业。
为了解决以上技术问题,迫切需要一种新的空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法。
发明内容
针对上述技术的不足,本发明提供了一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,其不仅能够节省机箱内现有的链路拓扑排布空间,而且能够节省成本。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是:一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,其特征是,首先根据空调机组室外机安装设计方案建立室外机三维模型,然后对室外机三维模型进行求解,最后根据计算结果确定空调机组室外机的最佳安装位置。
进一步地,所述的方法包括以下具体步骤:
步骤S1,利用三维软件建立室外机三维模型;
步骤S2,确定计算模型的控制方程;
步骤S3,设定室外机模拟区域的边界条件;
步骤S4,计算区域网格划分;
步骤S5,计算区域初始化并求解;
步骤S6,结果满意度分析,所述结果满意度分析的过程为:判定计算结果是否满足设计要求,如果是则室外机安装位置方案满足要求,否则需要对室外机位置重新设计和调整,并重复步骤1至步骤6直至计算结果满足设计要求为止。
进一步地,在步骤S1中,所述室外机三维模型包括多个室外机组,每个室外机组包括出风区域、风扇区域、壳体、进风区域和肋片盘管,室外机组工作时,冷空气在机组顶部风扇区域的风机作用下通过进风区域的肋片盘管进入机组,过程中吸收冷凝器放出的热量,最后由出风区域排出,在室外机组顶部建立风扇旋转区域模型,冷凝器部分建立为实体。
进一步地,所述出风区域为出风罩部分,对气流进行导流;所述风扇区域为风扇旋转区域,风扇为轴流风扇,为空气流提供机械动力;壳体为空调外壳,进风区域为空气进口部分,空气经此区域进入肋片盘管,与肋片盘管内制冷剂进行换热,变成热风后经风扇由出风区域1排出。
进一步地,在步骤S2中,选用FLUENT软件进行模拟计算,进行自然对流换热计算时,用Boussinesq假设处理由温差而产生的浮升力项;选取RNG K-ε两方程模型来处理湍流中的雷诺应力假设;
稳态Navier-Stokes方程和能量守恒方程如下:
式(1),(2)中,ρ为密度,kg/m3;u为速度矢量,m/s;i为x,y或z方向;μ为动力黏度,N.s/㎡;p为压力,Pa;Si为动量方程的源项;T为温度,K;K为传热系数,W/(㎡.K);c为比热容,J/(kg.K);ST为能量方程的源项;
将肋片盘管简化为各向同性的多孔介质;对于流体通过多孔介质的流动,动量方程的源项则表示为:
式(3),(4)中,k为渗透率,㎡;C2为惯性阻力系数;db为等效颗粒直径,m;Φ为孔隙率,式(3)等号右边第一项和第二项分别代表黏性阻力和惯性阻力。
进一步地,在步骤3中,进风区域的边界条件为压力入口,出风区域的边界条件为压力出口,风扇区域的边界条件为旋转区域和转速,肋片盘管的边界条件孔隙率和等效直径;
室外机组呈直线布置且间距d为0.5m;设定外机顶部为压力出口,出口压力为0pa,风扇设置为风机旋转区域并设定转速;将肋片盘管结构设定为多孔介质和热源区域,壳体设置为wall,进风区域设置为压力入口,入口压力为0,出风区域设置为压力出口,多孔介质参数计算如下:
1)计算等效直径:换热量Q为20kW,肋片盘管部分的换热表面积F为12㎡,测得肋片盘管表面的平均温度tcoil为29℃,环境空气温度ta=14℃,计算表面传热系数h=Q/(F△t)=Q/[F/(tcoil-ta)]=116W/(㎡.K);流体与多孔介质的表面传热系数hsf为:
式中,λf为流体的导热系数,λf=2.6×10-2W/(m.K);Pr为普朗特数,Pr=0.7;ρ为流体的密度,ρ=1.2kg/m3;u为流体的速度,u=0.46m/s;μ=18×10-6N.s/㎡,令h=hsf,计算得颗粒等效直径db=0.005m;
2)计算孔隙率:根据肋片盘管的肋片厚度、肋片间距、盘管外径和盘管间距等计算孔隙率k为80%;
3)建立几何模型,设定边界条件后即可进行模拟计算。
进一步地,在步骤4中,对室外机组的风机部分采用非结构网格进行加密网格划分,换热器区域采用结构网格进行网格划分。
进一步地,在步骤5中,对划分完网格后的求解选项通过以下公式进行求解:
质量守恒方程:
动量守恒方程:
能量守恒方程:
其中,ρ为空气的密度,u为x方向的空气的速度,v为y方向的空气的速度,w为z方向的空气的速度,τ为时间,p为空气的压力,μ为空气的粘性系数,X为常数,V为空气的体积,cp为空气的比热容,T为温度,βt为热线性膨胀系数,k为空气的耗散率;
求解后得到区域的压力、温度和流量。
进一步地,在计算区域进行初始化时,设定初始温度为14℃。
进一步地,在步骤6中,数值求解后将模拟结果进行可视化处理,采用图片方式进行静态显示速度、温度、浓度场,或者动态的显示流体流动的流线和迹线;通过模拟分析,根据得到的温度场和流场来判定数据中心气流组织是否满足要求,如果模拟结果显示的结果满足设计要求则证明前期的气流组织设计正确,否则调整室外机组的安装区域和间距并重复步骤1至步骤6直至计算结果满足设计要求为止。
本发明的有益效果是:
本发明首先根据空调机组室外机安装设计方案建立室外机三维模型,然后对室外机三维模型进行求解,最后根据计算结果确定空调机组室外机的最佳安装位置,解决了多个空调外机布置的问题,经济性和实用性较强,增加了产品的市场竞争力和可靠性。
本发明采用CFD模拟软件是以图形、动画以及具体数字相结合的形式来表达实际结果,更具说服力。因其建模周期短,建模过程简单方便,节省大量时间,软件模拟接近实际情况下的温度气流分布,具有很高的可靠性。通过软件模拟,最大限度辅助配合数据中心空调设计,预测应用效果,并提供合理和科学的解决方案。
附图说明
下面结合说明书附图对本发明进行说明。
图1为本发明的的方法流程图。
图2为本发明所述空调机组室外机的布置示意图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点,下面通过具体实施方式,并结合其附图,对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外,本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意,在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
空调系统的室外机布置密度过大会影响其工作时的散热效果,导致空调系统的cop值降低。所以研究空调系统室外机与周围环境空气的换热过程,并优化其布置方案具有很好的实用价值。
一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,它首先根据空调机组室外机安装设计方案建立室外机三维模型,然后对室外机三维模型进行求解,最后根据计算结果确定空调机组室外机的最佳安装位置。
如图1所示,所述的方法包括以下具体步骤:
步骤S1,利用三维软件建立室外机三维模型。
如图2所示,所述室外机三维模型包括多个室外机组,每个室外机组包括出风区域1、风扇区域2、壳体3、进风区域4和肋片盘管5,室外机组工作时,冷空气在机组顶部风扇区域2的风机作用下通过进风区域4的肋片盘管5进入机组,过程中吸收冷凝器放出的热量,最后由出风区域1排出,在室外机组顶部建立风扇旋转区域模型,冷凝器部分建立为实体。
所述出风区域1为出风罩部分,对气流进行导流;所述风扇区域2为风扇旋转区域,风扇为轴流风扇,为空气流提供机械动力;壳体3为空调外壳,进风区域4为空气进口部分,空气经此区域进入肋片盘管5,与肋片盘管内制冷剂进行换热,变成热风后经风扇由出风区域1排出。
步骤S2,确定计算模型的控制方程。
控制方程为流体力学经典方程,因为空气密度随着温度变化,选用Boussinesq假设处理由温差而产生的浮升力项。
室外机与环境空气的换热现象包括风机引起的强迫对流换热和温差产生的自然对流换热,选用FLUENT软件进行模拟计算。进行自然对流换热计算时,用Boussinesq假设处理由温差而产生的浮升力项;鉴于本研究现象有风机引起的旋转流动,所以选取应用广泛RNG K-ε两方程模型来处理湍流中的雷诺应力假设。
稳态Navier-Stokes方程和能量守恒方程如下:
式(1),(2)中,ρ为密度,kg/m3;u为速度矢量,m/s;i为x,y或z方向;μ为动力黏度,N.s/㎡;p为压力,Pa;Si为动量方程的源项;T为温度,K;K为传热系数,W/(㎡.K);c为比热容,J/(kg.K);ST为能量方程的源项;
由于冷凝器肋片厚度、间距和盘管的管径、管间距尺寸与室外机的尺寸相差很大,所以若详细地描述出肋片和盘管的复杂结构将导致计算非常复杂,而且研究中主要关心室外机周围的气流场,所以将肋片盘管简化为各向同性的多孔介质;对于流体通过多孔介质的流动,动量方程的源项则表示为:
式(3),(4)中,k为渗透率,㎡;C2为惯性阻力系数;db为等效颗粒直径,m;Φ为孔隙率,式(3)等号右边第一项和第二项分别代表黏性阻力和惯性阻力。
步骤S3,设定室外机模拟区域的边界条件。
本发明选定进风区域的边界条件为压力入口,出风区域的边界条件为压力出口,风扇区域的边界条件为旋转区域和转速,肋片盘管的边界条件孔隙率和等效直径。
如图2所示,本发明对3台相同室外机同时运行工况进行模拟。
3台室外机组呈直线布置且间距d为0.5m;设定外机顶部为压力出口,出口压力为0pa,风扇设置为风机旋转区域并设定转速;将肋片盘管结构设定为多孔介质和热源区域,壳体设置为wall,进风区域设置为压力入口,入口压力为0,出风区域设置为压力出口,多孔介质参数计算如下:
1)计算等效直径:以其中一台外机为例,换热量Q为20kW,肋片盘管部分的换热表面积F为12㎡,测得肋片盘管表面的平均温度tcoil为29℃,环境空气温度ta=14℃,计算表面传热系数h=Q/(F△t)=Q/[F/(tcoil-ta)]=116W/(㎡.K);流体与多孔介质的表面传热系数hsf为:
式中,λf为流体的导热系数,λf=2.6×10-2W/(m.K);Pr为普朗特数,Pr=0.7;ρ为流体的密度,ρ=1.2kg/m3;u为流体的速度,u=0.46m/s;μ=18×10-6N.s/㎡,令h=hsf,计算得颗粒等效直径db=0.005m;
2)计算孔隙率:根据肋片盘管的肋片厚度、肋片间距、盘管外径和盘管间距等计算孔隙率k为80%;
3)建立几何模型,设定边界条件后即可进行模拟计算。
步骤S4,计算区域网格划分。
计算区域的网格划分可以理解成把一个复杂的实体模型分成若干简单的模型,而这些简单的个体之间又相互联系,相互约束,构成整个结构。求解这些简单的结构,就能得到整体的变化趋势,网格越细致整齐,结果就越精确,网格粗糙,结果就会有较大误差,如果出现奇异网格(比如长宽比很大的矩形,顶角很大的三角形)则会导致求解不收敛、甚至错误。所以网格划分正确与否对结果至关重要;本发明对室外机组的风机部分采用非结构网格进行加密网格划分,换热器区域采用结构网格进行网格划分。
步骤S5,计算区域初始化并求解。
划分完网格,里面有一个求解选项,对划分完网格后的求解选项通过以下公式进行求解:
质量守恒方程:
动量守恒方程:
能量守恒方程:
其中,ρ为空气的密度,u为x方向的空气的速度,v为y方向的空气的速度,w为z方向的空气的速度,τ为时间,p为空气的压力,μ为空气的粘性系数,X为常数,V为空气的体积,cp为空气的比热容,T为温度,βt为热线性膨胀系数,k为空气的耗散率;
求解后得到区域的压力、温度和流量。
对计算区域进行初始化,问题的初始化就是在做计算时,给流场一个初始值,包括压力、速度、温度和湍流系数等。理论上,给的初始场对最终结果不会产生影响,因为随着跌倒步数的增加,计算得到的流场会向真实的流场无限逼近,但是,由于Fluent等计算软件存在像离散格式精度(会产生离散误差)和截断误差等问题的限制,如果初始场给的过于偏离实际物理场,就会出现计算很难收敛,甚至是刚开始计算就发散的问题。因此,在初始化时,初值还是应该给的尽量符合实际物理现象。这就要求我们对要计算的物理场,有一个比较清楚的理解。本发明在计算区域进行初始化时,设定初始温度为14℃。
步骤S6,结果满意度分析,所述结果满意度分析的过程为:判定计算结果是否满足设计要求,如果是则室外机安装位置方案满足要求,否则需要对室外机位置重新设计和调整,并重复步骤1至步骤6直至计算结果满足设计要求为止。
数值求解后将模拟结果进行可视化处理,采用图片方式进行静态显示速度、温度、浓度场,或者动态的显示流体流动的流线和迹线;利用CFD技术进行模拟,便于检测空调设计方案的优劣,提出科学的改进方案,提高了设计效率和质量。通过模拟分析,根据得到的温度场和流场来判定数据中心气流组织是否满足要求,如果模拟结果显示的结果满足设计要求则证明前期的气流组织设计正确,否则调整室外机组的安装区域和间距并重复步骤1至步骤6直至计算结果满足设计要求为止。
以上所述只是本发明的优选实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,其特征是,首先根据空调机组室外机安装设计方案建立室外机三维模型,然后对室外机三维模型进行求解,最后根据计算结果确定空调机组室外机的最佳安装位置。
2.根据权利要求1所述的一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,其特征是,所述的方法包括以下具体步骤:
步骤S1,利用三维软件建立室外机三维模型;
步骤S2,确定计算模型的控制方程;
步骤S3,设定室外机模拟区域的边界条件;
步骤S4,计算区域网格划分;
步骤S5,计算区域初始化并求解;
步骤S6,结果满意度分析,所述结果满意度分析的过程为:判定计算结果是否满足设计要求,如果是则室外机安装位置方案满足要求,否则需要对室外机位置重新设计和调整,并重复步骤1至步骤6直至计算结果满足设计要求为止。
3.根据权利要求2所述的一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,其特征是,在步骤S1中,所述室外机三维模型包括多个室外机组,每个室外机组包括出风区域(1)、风扇区域(2)、壳体(3)、进风区域(4)和肋片盘管(5),室外机组工作时,冷空气在机组顶部风扇区域(2)的风机作用下通过进风区域(4)的肋片盘管(5)进入机组,过程中吸收冷凝器放出的热量,最后由出风区域(1)排出,在室外机组顶部建立风扇旋转区域模型,冷凝器部分建立为实体。
4.根据权利要求3所述的一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,其特征是,所述出风区域(1)为出风罩部分,对气流进行导流;所述风扇区域(2)为风扇旋转区域,风扇为轴流风扇,为空气流提供机械动力;壳体(3)为空调外壳,进风区域(4)为空气进口部分,空气经此区域进入肋片盘管(5),与肋片盘管内制冷剂进行换热,变成热风后经风扇由出风区域(1)排出。
5.根据权利要求2所述的一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,其特征是,在步骤S2中,选用FLUENT软件进行模拟计算,进行自然对流换热计算时,用Boussinesq假设处理由温差而产生的浮升力项;选取RNG K-ε两方程模型来处理湍流中的雷诺应力假设;
稳态Navier-Stokes方程和能量守恒方程如下:
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</mrow>
式(1),(2)中,ρ为密度,kg/m3;u为速度矢量,m/s;i为x,y或z方向;μ为动力黏度,N.s/㎡;p为压力,Pa;Si为动量方程的源项;T为温度,K;K为传热系数,W/(㎡.K);c为比热容,J/(kg.K);ST为能量方程的源项;
将肋片盘管简化为各向同性的多孔介质;对于流体通过多孔介质的流动,动量方程的源项则表示为:
式(3),(4)中,k为渗透率,㎡;C2为惯性阻力系数;db为等效颗粒直径,m;Φ为孔隙率,式(3)等号右边第一项和第二项分别代表黏性阻力和惯性阻力。
6.根据权利要求5所述的一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,其特征是,在步骤3中,进风区域的边界条件为压力入口,出风区域的边界条件为压力出口,风扇区域的边界条件为旋转区域和转速,肋片盘管的边界条件孔隙率和等效直径;
室外机组呈直线布置且间距d为0.5m;设定外机顶部为压力出口,出口压力为0pa,风扇设置为风机旋转区域并设定转速;将肋片盘管结构设定为多孔介质和热源区域,壳体设置为wall,进风区域设置为压力入口,入口压力为0,出风区域设置为压力出口,多孔介质参数计算如下:
1)计算等效直径:换热量Q为20kW,肋片盘管部分的换热表面积F为12㎡,测得肋片盘管表面的平均温度tcoil为29℃,环境空气温度ta=14℃,计算表面传热系数h=Q/(F△t)=Q/[F/(tcoil-ta)]=116W/(㎡.K);流体与多孔介质的表面传热系数hsf为:
式中,λf为流体的导热系数,λf=2.6×10-2W/(m.K);Pr为普朗特数,Pr=0.7;ρ为流体的密度,ρ=1.2kg/m3;u为流体的速度,u=0.46m/s;μ=18×10-6N.s/㎡,令h=hsf,计算得颗粒等效直径db=0.005m;
2)计算孔隙率:根据肋片盘管的肋片厚度、肋片间距、盘管外径和盘管间距等计算孔隙率k为80%;
3)建立几何模型,设定边界条件后即可进行模拟计算。
7.根据权利要求6所述的一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,其特征是,在步骤4中,对室外机组的风机部分采用非结构网格进行加密网格划分,换热器区域采用结构网格进行网格划分。
8.根据权利要求7所述的一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,其特征是,在步骤5中,对划分完网格后的求解选项通过以下公式进行求解:
质量守恒方程:
动量守恒方程:
能量守恒方程:
其中,ρ为空气的密度,u为x方向的空气的速度,v为y方向的空气的速度,w为z方向的空气的速度,τ为时间,p为空气的压力,μ为空气的粘性系数,X为常数,V为空气的体积,cp为空气的比热容,T为温度,βt为热线性膨胀系数,k为空气的耗散率;
求解后得到区域的压力、温度和流量。
9.根据权利要求8所述的一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,其特征是,在计算区域进行初始化时,设定初始温度为14℃。
10.根据权利要求8所述的一种空调机组室外机与环境换热的数值模拟方法,其特征是,在步骤6中,数值求解后将模拟结果进行可视化处理,采用图片方式进行静态显示速度、温度、浓度场,或者动态的显示流体流动的流线和迹线;通过模拟分析,根据得到的温度场和流场来判定数据中心气流组织是否满足要求,如果模拟结果显示的结果满足设计要求则证明前期的气流组织设计正确,否则调整室外机组的安装区域和间距并重复步骤1至步骤6直至计算结果满足设计要求为止。
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吴兆林等: ""高层建筑分层设置多联机室外机吸排风气流模拟及优化"", 《暖通空调HV&AC》 * |
周丹等: ""货堆对下吹风式立体库气流组织影响的CFD模拟"", 《制冷与空调》 * |
张剑: ""VRV空调室外机多台布置时周围热环境模拟分析"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 * |
张剑等: ""多联式空调机组室外机与环境换热的数值模拟研究"", 《暖通空调HV&AC》 * |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN107992662A (zh) * | 2017-11-27 | 2018-05-04 | 郑州云海信息技术有限公司 | 重力热管空调系统优化设计及变工况参数的反向计算方法 |
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CN112906311A (zh) * | 2019-11-19 | 2021-06-04 | 矢崎能源系统公司 | 热负荷计算装置 |
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CN111444594A (zh) * | 2020-03-04 | 2020-07-24 | 湖南科技大学 | 一种用于优化气体降温服结构的模拟方法 |
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