通風(fēng)空調(diào)精確仿真系統(tǒng)范文

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1引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的具有高精度濕濕度要求和舒適性要求的高大空間出現(xiàn)了，研究高大空間的氣流控制系統(tǒng)成為一項(xiàng)重要的研究課題。很多學(xué)者對(duì)高大空間的氣流組織進(jìn)行了深入地研究，這些研究大多采用穩(wěn)態(tài)的模型，本文的研究重點(diǎn)是氣流控制系統(tǒng)，即對(duì)高大空間氣流動(dòng)態(tài)變化及其控制系統(tǒng)的研究，采用動(dòng)態(tài)的CFD模擬和動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)仿真模型。

本文的研究對(duì)象（見(jiàn)圖1）是一個(gè)存在不均勻分布熱源的高大空間精度恒溫空調(diào)系統(tǒng)。針對(duì)擾動(dòng)和控制對(duì)象的特點(diǎn)，通過(guò)方案比較，本文采用非貼附型下送風(fēng)方形散流器上送下回氣流組織方式，風(fēng)口的具體布置見(jiàn)圖1，并在穩(wěn)態(tài)CFD模擬的基礎(chǔ)上，確定了最優(yōu)的送回風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)，即最優(yōu)的送風(fēng)溫差（3℃）、送風(fēng)速度（2.15m/s）、空調(diào)分區(qū)大小（5m×5m，共36個(gè)）和風(fēng)口尺寸（800mm×800mm）。本文將在此基礎(chǔ)上對(duì)高大空間氣流控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行研究。

圖1高大空間結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置

對(duì)于高大空間氣流控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真，本文提出2套解決方案，并分別進(jìn)行了研究：

（1）常規(guī)的集中參數(shù)模型控制系統(tǒng)仿真，其中高大空間動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性預(yù)選采用CFD方法進(jìn)行模擬；

（2）精確仿真系統(tǒng)，即將以集中參數(shù)模型為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)仿真和以分布參數(shù)模型為基礎(chǔ)的CFD模擬無(wú)縫結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)高大空間的精確仿真。

2集中參數(shù)仿真系統(tǒng)及高大空間動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性CFD模擬

2．1集中參數(shù)仿真系統(tǒng)

常規(guī)的集中參數(shù)模型仿真系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2，它具有以下的特點(diǎn)：

（1）對(duì)傳感器、變送器和執(zhí)行器等，由于它們傳遞信號(hào)的部位體積都很小，而且它們相應(yīng)的信號(hào)參數(shù)分布基本上是均勻的，因此可以將它們處理成集中參數(shù)模型。

（2）對(duì)于高大空間，空間內(nèi)各點(diǎn)的參數(shù)是不一樣的，即各點(diǎn)的參數(shù)不僅與時(shí)間有關(guān)系，而且與空間位置有關(guān)系，不僅與外擾的強(qiáng)度有關(guān)系，而且與外擾的位置有關(guān)系，因此它是一個(gè)典型的分布參數(shù)系統(tǒng)。對(duì)它的計(jì)算應(yīng)該用分布參數(shù)模型進(jìn)行處理，以質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒為基礎(chǔ)的室內(nèi)氣流流動(dòng)和傳熱理論就是它的數(shù)學(xué)模型，其基本方程組為雷諾方程組[1]。但是，由于雷諾方程組的求解非常復(fù)雜費(fèi)時(shí)，因此，在常規(guī)的集中參數(shù)模型仿真系統(tǒng)中，將它簡(jiǎn)化處理成集中參數(shù)系統(tǒng)，即認(rèn)為高大空間是一個(gè)控制點(diǎn)參數(shù)為代表的集中參數(shù)環(huán)節(jié)，此時(shí)，可以通過(guò)CFD模擬或?qū)嶒?yàn)或理論分析（對(duì)簡(jiǎn)單情況）求出它的延遲時(shí)間、時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)[1]。傳統(tǒng)的求取高大空間動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的方法是實(shí)驗(yàn)或者對(duì)簡(jiǎn)單情況的理論分析，但是這種方法不具有通用性，而且也不經(jīng)濟(jì)（實(shí)驗(yàn)需要大量的費(fèi)用和時(shí)間），因此本文嘗試采用CFD的方法研究高大空間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，對(duì)應(yīng)的高大空間通風(fēng)空調(diào)氣流控制方程組見(jiàn)第3.2節(jié)。

（3）只要確定了高大空間的特性參數(shù)，高大空間氣流控制就變成了一個(gè)常規(guī)的控制系統(tǒng)，其仿真也就變得容易和快速，但是，由于對(duì)高大空間本身的特性進(jìn)行了簡(jiǎn)化，致使它不能精確地反映控制點(diǎn)參數(shù)的變化，因此其仿真精度是受到限制的，有時(shí)甚至很低，與實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)。

圖2常規(guī)的集中參數(shù)模型仿真系統(tǒng)示意圖

2．2高大空間動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性CFD模擬

2．2．1計(jì)算條件

考慮高大空間為帶純滯后的一階慣性系統(tǒng)，應(yīng)計(jì)算系統(tǒng)的時(shí)間延遲、時(shí)間常數(shù)T、放大系數(shù)K和特征比。

為了考察控制點(diǎn)的位置對(duì)高大空間動(dòng)態(tài)特性的影響，考慮將室內(nèi)控制點(diǎn)設(shè)在各分區(qū)中心線上標(biāo)高8m處（稱(chēng)為控制點(diǎn)A）和回風(fēng)口中心（稱(chēng)為控制點(diǎn)B）兩種情況，控制點(diǎn)A位置的確定主要是因?yàn)楦鞣謪^(qū)氣流交界面的中心點(diǎn)處于標(biāo)高8m左右，穩(wěn)態(tài)條件下，該位置的空氣溫度約為20℃，正好為系統(tǒng)平衡溫度；控制點(diǎn)B為常規(guī)控制點(diǎn)。這兩個(gè)控制點(diǎn)的一個(gè)共同特點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)條件時(shí)，系統(tǒng)正好不需要控制動(dòng)作，這正是恒溫空調(diào)控制系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)，這樣系統(tǒng)才能處于最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。

數(shù)值計(jì)算時(shí)，在送回風(fēng)口、熱源、墻壁附近風(fēng)格劃分較密，網(wǎng)格間距為0.1m，其他區(qū)域網(wǎng)格劃分較粗，網(wǎng)格間距為0.4m;數(shù)值計(jì)算邊界條件如下：

（1）送風(fēng)口，輸入實(shí)際的送風(fēng)速度和溫度。

（2）回風(fēng)口，規(guī)定出口壓力為0。

（3）熱源和墻壁，均為固體壁面，要用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理[3]，其中熱源為恒溫55℃。