CN110737935A - 一种基于数字孪生的室内热环境建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数字孪生的室内热环境建模方法，包括：步骤S1：映射现实世界的建筑物理模型，将连续的物理空间离散成点和网格，完成网格划分得到多个物理组；步骤S2：针对网格划分得到的物理组，分别设置边界条件；步骤S3：根据网格划分结果和设置的边界条件，分别建模解算流速场与温度场；步骤S4：根据解散结果得到流速分布图和温度分布图完成建模。与现有技术相比，本发明利用MATLAB中的流体力学解算工具QuickerSim CFD Tool与现实物理环境实时交互，可根据传感器获取的边界条件动态映射室内温度分布以及流速分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字孪生和流体力学领域，尤其是涉及一种基于数字孪生的室内热环境建模方法。
背景技术
数字孪生技术是CPS(Cyber-Physical Systems)系统的核心关键技术，成为当下研究的热点。数字孪生是指在数字虚拟空间中构建的虚拟事物，与物理实体空间的真实物体对应在几何、物理、行为和规则等方面都相同的虚实映射关系。
目前学术界的研究热点在智能制造的工业领域，贯穿设计、生产、维护等生命全周期。而利用数字孪生技术对热环境进行探索，能够拓宽人类感知领域。物理世界远比能感受到的复杂，比如人类单纯利用视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉这五感无法体验到的热力场、流速场，能通过数字孪生精准、直观地展现。未来，数字孪生技术也将朝着映射力场、电磁场、热力场、声场、光场等方向发展，势必能在虚拟世界中多维多尺度地还原现实物理世界。借助多维多尺度的虚拟映射实现智慧城市管理，如虚拟远程操控、简化复杂系统的管理流程等。
将数字孪生技术与热环境分析方法相结合，可以结合建筑室内三维模型实时预测当前热环境关键指标，如温度分布梯度、气流流速分布等，判断安装的HVAC系统是否合理，当前的热环境是否符合人体舒适度要求。本发明利用MATLAB中的流体力学解算工具QuickerSim CFD Tool与现实物理环境实时交互，可根据传感器获取的边界条件动态映射室内温度分布以及流速分布。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于数字孪生的室内热环境建模方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于数字孪生的室内热环境建模方法，包括：
步骤S1：映射现实世界的建筑物理模型，将连续的物理空间离散成点和网格，完成网格划分得到多个物理组；
步骤S2：针对网格划分得到的物理组，分别设置边界条件；
步骤S3：根据网格划分结果和设置的边界条件，分别建模解算流速场与温度场；
步骤S4：根据解散结果得到流速分布图和温度分布图完成建模。
所述步骤S1中网格划分采用Gmsh可交互式软件实现，具体包括：
步骤S11：生成msh网格文件；
步骤S12：采用界面编辑器或者脚本编辑划分网格；
步骤S13：保存类型选择Guess From Extension，并导出网格文件。
采用界面编辑器划分网格时，选择Geometry中的添加几何图形，再选择PhysicalGroups中的添加，设置物理组，设置物理点、线、面，选择菜单栏中的工具选项，设置网格属性如网格大小，最后选择mesh中的1D、2D、3D进行网格划分，其中，所述几何图形包括点、线、面。
用脚本编辑划分网格时，选择Edit Script进入脚本编辑，采用Point、Line、CurveLoop、PlaneSurface命令分别添加点、线、面，利用Physical命令添加物理组，利用mesh命令划分网格，最后选择mesh中的1D、2D、3D进行网格划分。
所述步骤S2中，边界条件包括入口风速、出口压力、壁面属性、入口温度、热源或壁面的热流值或发热功率。
所述步骤S3中，流速场的建模解算的方程为：
其中：ρ为流体密度，p为流体压力，u为流体速度，μ为流体动力粘度，I为单位矩阵，F为作用在流体上的外力。
所述步骤S3中，温度场的建模解算仅考虑流速场对温度场的影响，不考虑反向的影，热对流方程为：
其中：ρ为流体密度，u为流体速度，T为流体温度，λ为流体导热系数，cp为流体热容。
所述步骤S4具体为：对获得的空气流速、温度矩阵进行后处理和可视化，画出流速分布图、温度分布图、某点处的流速值和温度值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)利用MATLAB中的流体力学解算工具QuickerSim CFD Tool与现实物理环境实时交互，可根据传感器获取的边界条件动态映射室内温度分布以及流速分布。
2)将连续空间划分成离散网格，可以为有限元分析的计算基础。
3)可以增加该区域的网格密度，提高重点区域的解算精度。
4)设置CFD计算的边界条件，为后续步骤做基础。
5)获得室内热环境的空气流速结果矩阵、温度分布结果矩阵，并以最直观的方式显示热环境的两个指标，流速分布和温度分布。
附图说明
图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；
图2为室内热环境的数字孪生映射流程图；
图3为网格物理边界图；
图4为网格划分结果图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于数字孪生的室内热环境建模方法，如图1和图2所示，包括：
步骤S1：如图3和图4所示，映射现实世界的建筑物理模型，将连续的物理空间离散成点和网格，完成网格划分得到多个物理组，其中网格划分采用Gmsh可交互式软件实现，具体包括：
步骤S11：生成msh网格文件；
步骤S12：采用界面编辑器或者脚本编辑划分网格；
采用界面编辑器划分网格时，用界面编辑器划分网格，选择Geometry中的添加几何图形，可以添加点、线、面，再选择Physical Groups中的添加，设置物理组，设置物理点、线、面，选择菜单栏中的工具选项，设置网格属性如网格大小，最后选择mesh中的1D、2D、3D进行网格划分；
用脚本编辑划分网格时，选择Edit Script进入脚本编辑，如Point、Line、CurveLoop、PlaneSurface等命令添加点、线、面等几何图形，利用Physical命令添加物理组，利用mesh命令划分网格，最后选择mesh中的1D、2D、3D进行网格划分。
步骤S13：保存类型选择Guess From Extension，并导出网格文件。
导出网格文件，保存类型选择Guess From Extension，而不是msh类型，在文件名后加上后缀名.msh，选择Version 2ASCII Format，保存网格信息，方便后续QuickerSimCFD Tool读入网格。将连续空间划分成离散网格，是有限元分析的计算基础。
若对某一区域感兴趣，可以增加该区域的网格密度，可以提高重点区域的解算精度。
步骤S2：针对网格划分得到的物理组，分别设置边界条件，边界条件包括入口风速、出口压力、壁面属性、入口温度、热源或壁面的热流值或发热功率。
具体的，边界条件设置，针对划分网格时设置的物理组，如入口、出口、壁面、热源等，在QuickerSim CFD Tool中设置边界参数，解算流速场时，需要设置入风口风速、出口处压力、壁面属性等关键参数；解算温度场时，需要设置入口处温度、热源或壁面的热流值或发热功率；根据历史运行数据或传感器数据获得边界条件的值，在本发明中设置入口风速[-1.41,-1.41]，入口处温度20℃，窗户热流值2w/m2，出口为自然流出。
与其他的CFD软件不同，在QuickerSim CFD Tool中，未定义的物理边界自动被判为出口边界，设置CFD计算的边界条件，为后续步骤做基础。
步骤S3：根据网格划分结果和设置的边界条件，分别建模解算流速场与温度场，流速场的建模解算选择Navier-Stokes方程求解室内流速场，与连续性方程联立在求解器中迭代求解，方程公式为：
其中：ρ为流体密度，p为流体压力，u为流体速度，μ为流体动力粘度，I为单位矩阵，F为作用在流体上的外力。
建模解算温度场，由于温度变化并未改变空气粘度，且忽略自然对流的影响，因此仅考虑流速-温度的单行耦合，即仅考虑流速场对温度场的影响，不考虑反向的影，热对流方程为：
其中：ρ为流体密度，u为流体速度，T为流体温度，λ为流体导热系数，cp为流体热容。
获得室内热环境的空气流速结果矩阵、温度分布结果矩阵。
步骤S4：根据解散结果得到流速分布图和温度分布图完成建模，具体为：对获得的空气流速、温度矩阵进行后处理和可视化，画出流速分布图、温度分布图、某点处的流速值和温度值，以最直观的方式显示热环境的两个指标，流速分布和温度分布。
Claims (8)
1.一种基于数字孪生的室内热环境建模方法，其特征在于，包括：
步骤S1：映射现实世界的建筑物理模型，将连续的物理空间离散成点和网格，完成网格划分得到多个物理组；
步骤S2：针对网格划分得到的物理组，分别设置边界条件；
步骤S3：根据网格划分结果和设置的边界条件，分别建模解算流速场与温度场；
步骤S4：根据解散结果得到流速分布图和温度分布图完成建模。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的室内热环境建模方法，其特征在于，所述步骤S1中网格划分采用Gmsh可交互式软件实现，具体包括：
步骤S11：生成msh网格文件；
步骤S12：采用界面编辑器或者脚本编辑划分网格；
步骤S13：保存类型选择Guess From Extension，并导出网格文件。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的室内热环境建模方法，其特征在于，采用界面编辑器划分网格时，选择Geometry中的添加几何图形，再选择Physical Groups中的添加，设置物理组，设置物理点、线、面，选择菜单栏中的工具选项，设置网格属性如网格大小，最后选择mesh中的1D、2D、3D进行网格划分，其中，所述几何图形包括点、线、面。
4.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的室内热环境建模方法，其特征在于，用脚本编辑划分网格时，选择Edit Script进入脚本编辑，采用Point、Line、CurveLoop、PlaneSurface命令分别添加点、线、面，利用Physical命令添加物理组，利用mesh命令划分网格，最后选择mesh中的1D、2D、3D进行网格划分。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的室内热环境建模方法，其特征在于，所述步骤S2中，边界条件包括入口风速、出口压力、壁面属性、入口温度、热源或壁面的热流值或发热功率。
6.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生的室内热环境建模方法，其特征在于，所述步骤S3中，流速场的建模解算的方程为：
其中：ρ为流体密度，p为流体压力，u为流体速度，μ为流体动力粘度，I为单位矩阵，F为作用在流体上的外力。
7.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生的室内热环境建模方法，其特征在于，所述步骤S3中，温度场的建模解算仅考虑流速场对温度场的影响，不考虑反向的影，热对流方程为：
其中：ρ为流体密度，u为流体速度，T为流体温度，λ为流体导热系数，cp为流体热容。
8.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的室内热环境建模方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：对获得的空气流速、温度矩阵进行后处理和可视化，画出流速分布图、温度分布图、某点处的流速值和温度值。
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