CFD v budovách - CFD in buildings - Wikipedia

CFD znamená výpočetní dynamika tekutin (a přenos tepla). Podle této techniky jsou řídící diferenciální rovnice systému proudění nebo tepelného systému známé ve formě Navier-Stokesovy rovnice, rovnice tepelné energie a druhová rovnice s příslušnou stavovou rovnicí.^[1] V posledních několika letech hraje CFD stále důležitější roli stavební design v návaznosti na jeho pokračující vývoj po více než čtvrt století. Informace poskytované CFD lze použít k analýze dopadu výfuků budov na životní prostředí, k predikci kouřových a požárních rizik v budovách, ke kvantifikaci kvality vnitřního prostředí a k návrhu systémů přirozeného větrání.

Aplikace

V poslední době nachází CFD velmi široké uplatnění v různých oblastech vědy a techniky; některé příklady jsou:^[2]

• Aerodynamika letadel a vozidel: zvedání a tažení
• Hydrodynamika lodí
• Elektrárna: spalování ve spalovacích motorech a plynové turbíny
• Turbo stroje: Proudí uvnitř rotujících kanálů, difuzorů atd.
• Elektrotechnika a elektronika: chlazení zařízení včetně mikroobvodů.
• Chemické procesní inženýrství: míchání a separace a formování polymerů.
• Námořní inženýrství: zatížení na off-shore konstrukci.
• Environmentální inženýrství: distribuce znečišťujících látek a odpadních vod.
• Hydrologie a oceánografie: toky v řekách, ústí řek a oceánech.
• Meteorologie: předpověď počasí.
• Biomedicínské inženýrství: krev protéká tepnami a žilami.
• Vnější a vnitřní prostředí budov: zatížení větrem, větrání analýza a výpočty zatížení vytápění / chlazení.

Dříve většina budova související problémy jako analýza ventilace, zatížení větrem, prostředí větru atd. byly zkoumány pomocí větrný tunel testy, ale dnes lze všechny tyto testy provádět efektivně s CFD. CFD dokáže vyřešit všechny výše uvedené problémy v relativně krátkém časovém období a je ekonomičtější a zároveň silnější než starší (experimentální).^[3] V současné době se výpočetní dynamika tekutin používá jako sofistikovaná metoda modelování proudění vzduchu a lze ji použít k předpovědi proudění vzduchu, přenosu tepla a dopravy kontaminantů v budovách a kolem budov. CFD hraje důležitou roli při navrhování budov a navrhuje tepelně přizpůsobivou, zdravou a energeticky účinnou budovu. CFD může zkoumat účinnost a účinnost různých systémů vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC) snadnou změnou typu a umístění různých komponent, podmínek dodávaného vzduchu a harmonogramů řízení systému. CFD dále pomáhá při vývoji strategií pasivního vytápění / chlazení / ventilace (např. Přirozené větrání) modelováním a optimalizací plánů staveniště a vnitřních dispozic.^[4] Globálně je stavební sektor zdrojem přibližně 40% celkové spotřeby energie.^[5]

V současné době je v této oblasti velká propast spotřeba energie a výroba energie. Vzhledem k tomu, že stavební sektor tvoří obrovské množství celkové spotřeby, je nezbytné prozkoumat optimální konfiguraci budov, aby se snížila spotřeba energie budov. K dosažení tohoto cíle může CFD hrát důležitou roli. Simulace výkonu budovy (BPS) a CFD programy jsou důležité stavební design nástroje, které se používají k hodnocení výkonu budovy, včetně tepelné pohody, účinnosti mechanického systému kvality vnitřního vzduchu a spotřeby energie.^[6]

CFD v budovách se používá hlavně pro jeden nebo více následujících účelů:

1. Termická analýza: skrz stěny, střechu a podlahu budov
2. Větrání analýza.
3. Orientace, výběr místa a umístění budov na základě místních geografických a environmentálních podmínek.

Termická analýza

V budovách, přenos tepla probíhá ve všech svých režimech, tj. vedení, proudění a záření. Za účelem snížení tepelných ztrát z budov lze provést CFD analýzu pro optimální konfiguraci kompozitní stěny, střecha a podlaha. Diferenciální forma obecné transportní rovnice je následující:^[7]

${ displaystyle { frac { částečné {( rho phi)}} { částečné t}} + {div , ( rho u phi)} = {div , (k , grad , phi)} + {S _ { phi}}}$

(1)

Numerické řešení výše uvedené rovnice lze získat pomocí metoda konečné diference (FDM), metoda konečných objemů (FVM) a Metoda konečných prvků (FEM). V budovách je pro analýzu přenosu tepla skalární funkce ф v rovnici (1) nahrazena teplotou (T), difúzní koeficient Γ je nahrazen tepelnou vodivostí k a zdrojovým členem ${ displaystyle S _ { phi}}$ je nahrazeno výrazem pro generování tepla e nebo jakýmkoli zdrojem tepelného záření ${ displaystyle Q_ {i}}$ nebo oběma způsoby (v závislosti na povaze dostupného zdroje) a existují různé formy rovnic pro různé případy. Pro jednoduchost a snadné pochopení byly diskutovány pouze 1-dimenzionální případy.

V budovách lze analýzu přenosu tepla provést pro všechny části budov (stěny, střechu a podlahu) dvěma následujícími způsoby

1. Stabilní teplotní analýza
2. Přechodná termická analýza

Stabilní termická analýza

Stabilní termická analýza sestává z následujícího typu řídících diferenciálních rovnic.

Případ 1: Obecná rovnice vodivosti tepla v ustáleném stavu.

V tomto případě bude řídící diferenciální rovnice (GDE) (1) následující:

${ displaystyle {div , ( rho uT)} = {div , (k , grad , T)} + {S_ {T}} ,}$

Případ 2: Rovnice vodivosti tepla v ustáleném stavu (bez generování tepla)

V tomto případě bude řídící diferenciální rovnice (GDE) (1) následující:

${ displaystyle {div , ( rho uT)} = {div , (k , grad , T)} ,}$

Případ 3: Rovnice vodivosti tepla v ustáleném stavu (bez generování tepla a bez konvekce)

V tomto případě bude řídící diferenciální rovnice (GDE) (1) následující:

${ displaystyle {div , (k , grad , T)} = 0 ,}$

Přechodná tepelná analýza

Přechodná termická analýza sestává z následujícího typu řídících diferenciálních rovnic.

Případ 1: Přechodné vedení tepla

V tomto případě bude řídící diferenciální rovnice (GDE) (1) následující:

${ displaystyle { frac { částečné {( rho T)}} { částečné t}} + {div , ( rho uT)} = {div , (k , grad , T)} + {SVATÝ}},}$

Případ - 2: Přechodné vedení tepla (bez generování tepla)

V tomto případě bude řídící diferenciální rovnice (GDE) (1) následující:

${ displaystyle { frac { částečné {( rho T)}} { částečné t}} + {div , ( rho uT)} = {div , (k , grad , T)}}$

Případ 3: Přechodné vedení tepla (bez generování tepla a bez konvekce)

V tomto případě bude řídící diferenciální rovnice (GDE) (1) následující:

${ displaystyle { frac { částečné {( rho T)}} { částečné t}} = {div , (k , grad , T)} ,}$

Tyto výše zmíněné rovnice diferenciálních rovnic (GDE) můžeme vyřešit pomocí techniky CFD.

Analýza ventilace

Studie ventilace v budovách se provádí za účelem nalezení tepelně pohodlného prostředí s přijatelnou kvalitou vnitřního vzduchu regulací parametrů vnitřního vzduchu (teplota vzduchu, relativní vlhkost, rychlost vzduchu a koncentrace chemických látek ve vzduchu). CFD najde důležitou roli v regulaci parametrů vnitřního vzduchu pro predikci ventilačního výkonu v budovách. Predikce ventilačního výkonu poskytuje informace týkající se parametrů vnitřního vzduchu v místnosti nebo budově ještě před výstavbou budov.^[8]

Tyto parametry vzduchu jsou zásadní pro návrh pohodlného vnitřního i dobrého začlenění budovy do venkovního prostředí. Důvodem je, že návrh vhodných ventilačních systémů a vývoj regulačních strategií vyžadují podrobné informace týkající se následujících parametrů;

• Proud vzduchu
• Disperze kontaminantů
• Distribuce teploty

Výše uvedené informace jsou také užitečné pro architekta při navrhování konfigurace budovy. Od posledních tří desetiletí je technika CFD široce používána se značným úspěchem v budovách.^[9]

V poslední době se větrání a související pole stala velkou součástí větrného inženýrství. Studii ventilace lze provést pomocí průzkumu v aerodynamickém tunelu (experimentálně) nebo pomocí CFD modelování (teoreticky). V některých aplikacích může být upřednostňován přirozený ventilační systém před systémem nuceného větrání, protože eliminuje nebo omezuje mechanický ventilační systém, který může poskytnout jak energii ventilátoru, tak úsporu prvních nákladů. V současné době je díky vývoji velkého množství CFD softwaru a dalšího softwaru pro simulaci výkonu budov snazší posoudit možnost systému přirozeného / nuceného větrání v budově. Analýza CFD je docela užitečná než experimentální přístup, protože zde lze najít další související vztahy mezi proměnnými v post-processingu. Data získaná experimentálně nebo numericky jsou užitečná dvěma způsoby:^[10]

1. Lepší pohodlí uživatele
2. Poskytuje data, která se používají jako vstup pro výpočet tepelné bilance budov

Orientace, výběr místa a umístění

Obrázek 1 (a): Proudění kolem budovy (sběr vzduchu ve výšce a jeho přívod na úrovni země)

Obrázek-1 (b): Obtok kolem budovy (střed přední strany)

Dříve byla volba umístění obydlí dána na vědomí potřeby vody, takže většina dřívějšího vývoje začala v oblasti údolí. V současné době je díky pokroku ve vědě a technologii snadné vybrat správnou orientaci, umístění a umístění budov na základě místních geografických a environmentálních podmínek. Při výběru staveniště a umístění hraje zatížení větrem důležitou roli. V případě dvou budov v místě existuje vedle sebe určitá mezera, když objem vítr údery kolem konců budovy mezerou jsou v prvním okamžiku součtem toku kolem každé budovy zvlášť, poté se musí její rychlost zvýšit nad rychlost kolem konce jedné budovy na úkor ztráty tlaku.

Bude tedy vytvořen tlak, který vstoupí do mezery, což povede k vyššímu zatížení větrem po stranách budov. Když vítr fouká přes tvář výškové budovy, vír se vytváří proudem dolů na přední straně (jak je znázorněno na obrázku 1). Rychlost větru v opačném směru poblíž úrovně země může mít 140 procent referenční rychlosti větru. Pokud tedy v takové oblasti existuje nějaká budova, může dojít k jejímu poškození (zejména k poškození střechy budovy). Takové škody na budovách lze úspěšně zakázat, jsou-li zohledněny účinky zatížení větrem v rané fázi výstavby budovy. V raném věku konstrukce byly všechny tyto účinky zatížení větrem určeny testem v aerodynamickém tunelu, ale dnes lze všechny tyto testy úspěšně provést analýzou CFD. Význam zajišťování příjemného prostředí pro budovy roste. Architekti a větrní inženýři jsou často žádáni, aby prozkoumali návrh (orientaci, místo, umístění a mezery mezi okolními budovami) ve formativní fázi budov a ve fázi plánování.^[10] Takže pomocí CFD analýzy je možné najít vhodné informace (místní rychlost větru, konvekční koeficienty a intenzita slunečního záření) pro orientaci, výběr místa a umístění budov.

CFD přístup pro analýzu přenosu tepla v budovách

Pro analýzu přenosu tepla v každé části budovy lze použít techniku ​​CFD. Technika CFD najde řešení následujícími způsoby:

1. Diskretizace řídící diferenciální rovnice pomocí numerických metod (byla diskutována metoda konečné diference).
2. Vyřešte diskretizovanou verzi rovnice pomocí vysoce výkonných počítačů.

Diskretizace řídících diferenciálních rovnic pro analýzu přenosu tepla v ustáleném stavu

Uvažujme budovu s rovnou stěnou o tloušťce L, generování tepla e a konstantní tepelné vodivosti k. Stěna je rozdělena do M stejných oblastí tloušťky ${ displaystyle Delta x}$ = X / T ve směru x a rozdělení mezi oblastmi jsou vybrány jako uzly, jak je znázorněno na obrázku 2.

Obrázek 2: uzlové body a objemové prvky pro formulaci konečného rozdílu 1-D vedení v rovinné stěně

Celá doména stěny ve směru x je rozdělena na prvky, jak je znázorněno na obrázku, a velikost všech interiérových prvků je stejná, zatímco u vnějších prvků je poloviční.

Nyní pro získání řešení FDM pro vnitřní uzly zvažte prvek představovaný uzlem m, který je obklopen sousedními uzly m-1 a m + 1. Technika FDM předpokládá, že teplota se ve stěnách lineárně mění (znázorněno na obrázku 3).

Řešení FDM je (pro všechny vnitřní uzly kromě 0 a posledního uzlu):

${ displaystyle { frac {(T_ {m-1} ^ {i} -2T_ {m} ^ {n} + T_ {m} ^ {i})} { Delta {x} ^ {2}}} + { frac {e} {k}} = 0}$

Obrázek 3: Lineární teplotní variace ve formulaci konečných rozdílů

Okrajové podmínky

Výše uvedená rovnice platí pouze pro vnitřní uzly. Abychom získali řešení pro vnější uzly, musíme použít okrajové podmínky (podle situace), které jsou následující.^[11]

1. Stanovená okrajová podmínka tepelného toku

${ displaystyle q_ {0} A + kA { frac {(T_ {1} -T_ {0})} { Delta {x}}} + { frac {e_ {0}} {2}} A Delta {x} = 0}$

Když je hranice izolovaná (q = 0)

${ displaystyle kA { frac {(T_ {1} -T_ {0})} { Delta {x}}} + { frac {e_ {0}} {2}} A Delta {x} = 0 }$

2. Konvektivní okrajová podmínka

${ displaystyle hA {(T _ { infty} -T_ {0})} + kA { frac {(T_ {1} -T_ {0})} { Delta {x}}} + { frac {e_ {0}} {2}} A Delta {x} = 0}$

3. Okrajová podmínka záření

${ displaystyle epsilon sigma A {(T_ {sur} ^ {4} -T_ {0} ^ {4})} + kA { frac {(T_ {1} -T_ {0})} { Delta {x}}} + { frac {e_ {0}} {2}} A Delta {x} = 0}$

4. Kombinovaná konvekční a radiační okrajová podmínka (znázorněno na obrázku 4).

${ displaystyle hA {(T _ { infty} -T_ {0})} + epsilon sigma A {(T_ {sur} ^ {4} -T_ {0} ^ {4})} + kA { frac {(T_ {1} -T_ {0})} { Delta {x}}} + { frac {e_ {0}} {2}} A Delta {x} = 0}$

nebo když se spojí koeficient přenosu záření a konvekce, výše uvedená rovnice bude vypadat následovně;

${ displaystyle hA_ {kombinované} {(T _ { infty} -T_ {0})} + kA { frac {(T_ {1} -T_ {0})} { Delta {x}}} + { frac {e_ {0}} {2}} A Delta {x} = 0 ,}$

Obrázek 4: Schéma formulace FDM kombinovaného konvekčního a záření na levé hranici rovinné stěny

5. Kombinované okrajové podmínky konvekčního, radiačního a tepelného toku

${ displaystyle q_ {0} A + hA {(T _ { infty} -T_ {0})} + epsilon sigma A {(T_ {sur} ^ {4} -T_ {0} ^ {4}) } + kA { frac {(T_ {1} -T_ {0})} { Delta {x}}} + { frac {e_ {0}} {2}} A Delta {x} = 0}$

6. Mezní podmínka rozhraní: když existuje rozhraní (ve složených stěnách) různých stěn, které mají různé termofyzikální vlastnosti, se předpokládá, že dvě různá pevná média A a B jsou dokonalým kontaktem a mají tedy stejnou teplotu na rozhraní v uzlu m (jak je znázorněno na obrázku 5).

${ displaystyle k_ {A} A { frac {(T_ {m-1} -T_ {m})} { Delta {x}}} + k_ {B} A { frac {(T_ {m + 1 } -T_ {m})} { Delta {x}}} + { frac {e_ {A, m}} {2}} A Delta {x} + { frac {e_ {B, m}} {2}} A Delta {x} = 0}$

Obrázek 5: Schéma FDM okrajové podmínky rozhraní pro dvě média A a B s dokonalým tepelným kontaktem

Ve výše uvedených rovnicích q_0 = označuje zadaný tepelný tok je v ${ displaystyle (W / m ^ {2})}$, h = konvekční koeficient, ${ displaystyle h_ {kombinované}}$ = kombinovaný součinitel konvekčního a radiačního přenosu tepla,${ displaystyle T_ {s} ur}$ = Teplota okolního povrchu,${ displaystyle T _ {(} infty)}$ = Okolní teplota, ${ displaystyle T_ {0}}$ = Teplota v počátečním uzlu. Poznámka: Pro vnitřní stranu stěny můžeme použít vhodnou okrajovou podmínku shora (podle potřeby), v tom případě ${ displaystyle T _ {(} infty)}$ bude nahrazen ${ displaystyle T_ {r}}$ (Pokojová teplota), ${ displaystyle T_ {0}}$= bude nahrazen ${ displaystyle T_ {l}}$ (Teplota posledního uzlu).

Diskretizace řídících diferenciálních rovnic pro analýzu přechodného přenosu tepla

Přechodná termická analýza je důležitější než ustálená termická analýza, protože tato analýza zahrnuje proměnné podmínky okolí s časem. Při přechodném vedení tepla se teplota mění s časem i polohou. Konečné rozdílové řešení přechodného vedení tepla vyžaduje kromě prostoru také časovou diskretizaci, jak je znázorněno na obrázku 6.

Obrázek 6: FDM fotirmulace časově závislého problému zahrnuje diskrétní body v čase i v prostoru

Uzlové body a objemové prvky pro přechodnou formulaci FDM 1-D vedení v rovinné stěně existují, jak je znázorněno na obrázku 7.

Obrázek 7: Uzlové body a objemové prvky pro přechodnou formulaci FDM 1-D vedení v rovinné stěně

V tomto případě bude explicitní řešení FDM pro rovnici (1) následující,

${ displaystyle kA { frac {(T_ {m-1} ^ {i} -T_ {m} ^ {i})} { Delta {x}}} + kA { frac {(T_ {m + 1 } ^ {i} -T_ {m} ^ {i})} { Delta {x}}} + {e_ {m}} A Delta {x} = ( rho c_ {p} Delta xA) { frac {(T_ {m} ^ {i + 1} -T_ {m} ^ {i})} { Delta x}}}$

Výše uvedenou rovnici lze vyřešit výslovně pro teplotu ${ displaystyle (T_ {m} ^ {i + 1})}$ dát

${ displaystyle {T_ {m} ^ {i + 1}} = tau {(T_ {m + 1} ^ {i} -T_ {m} ^ {i})} + {(1-2 tau) } T_ {m} ^ {i} + tau { frac {(e_ {m} Delta {x} ^ {2})} {k}}}$

kde,

${ displaystyle tau = { frac {( alpha Delta t)} { Delta x ^ {2}}} ,}$

a

${ displaystyle alpha = { frac {k} { rho c_ {p}}} ,}$

tady,${ displaystyle tau}$ představuje buňku Fourier ne,${ displaystyle alpha}$ představuje tepelnou difuzivitu, ${ displaystyle c_ {p}}$ představuje specifické teplo při konstantním tlaku, ${ displaystyle Delta t}$ představuje časový krok,${ displaystyle Delta x}$ představuje prostorový krok.

Výše uvedená rovnice platí pro všechny vnitřní uzly. Chcete-li najít vztah pro první a poslední uzel, použijte okrajové podmínky (podle potřeby), jak je uvedeno v ustáleném přenosu tepla. Pro hranici konvekce a záření, pokud jsou údaje o slunečním záření ${ displaystyle q_ {solar}}$, v (${ displaystyle (W / m ^ {2})}$) je k dispozici a je známa konstanta absorpce-propustnosti K, vztah pro teplotu se získá následujícím způsobem;

${ displaystyle hA {(T _ { infty} ^ {i} -T_ {0} ^ {i})} + kappa Aq_ {sol} = ( rho c_ {p} Delta xA) { frac {( T_ {1} ^ {i} -T_ {0} ^ {i})} { Delta x}}}$

Poznámka: tepelnou analýzu střechy a podlahy budovy lze provést stejným způsobem, jak je popsáno pro stěny.

Viz také

• Výpočetní dynamika tekutin
• Přirozené větrání
• JPMorgan Chase Tower (Houston)
• Dynamická izolace
• Tepelná správa vysoce výkonných LED diod
• Odvětrávaný bezpečnostní kryt
• Různé typy okrajových podmínek v dynamice tekutin
• Větrný tunel
• Skleník

Reference

externí odkazy

• Základní informace o CFD
• Sbírka CFD aplikací v architektuře a budování
• Účinnost evakuace vlhkosti pro kuchyňský odsávací digestoř
• Optimalizace ventilace čisté místnosti
• Integrace BIM s CFD pro návrh prostředí a budov
• Simulace efektu zásobníku na Youtube
• Simulace požárního a nouzového větrání na Youtube
• CFD analýza pro laboratoře biologické bezpečnosti na Youtube
• Simulace evakuace požárů v kanceláři na Youtube
• Simulace CFD vzduchotechnické jednotky na Youtube
• Simulace pístových efektů v podzemním tunelu metra na Youtube
• Návrh CFD systému HVAC pro budovu jaderné elektrárny
• Analýza výkonu budovy pomocí výpočetní dynamiky tekutin
• Obrázky pro CFD analýzu v budovách
• DesignBuilder CFD
• CFD ANALÝZA PRŮTOKU A KONCENTRAČNÍ POLE KOLEM BUDOVY SE STŘECHOU
• CFD JAKO STAVEBNÍ SLUŽBY INŽENÝRSKÝ NÁSTROJ
• Výkon simulace spojené energie budov a CFD
• APLIKACE CFD VE STAVEBNÍ SIMULACI VÝKONU PRO VENKOVNÍ PROSTŘEDÍ
• Integrace CFD a simulace budov
• Návrh a analýza budovy
• Schopnost výpočetní dynamiky tekutin (CFD) pro služby ve stavebnictví
• CFD v HVAC a zelené budově
• CFD Predikce proudění vzduchu v budovách pro přirozené větrání
• Výhody CFD a praktické aplikace
• Numerické propojení modelů Modelica a CFD pro systémy zásobování energií v budovách
• Aplikace služeb Thermal CFD
• CFD analýza úniku zemního plynu v elektrárně