室內(nèi)空氣流動(dòng)的直接數(shù)值模擬

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)第41卷第5期上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)v01．41No．52007年5月JOURNALoFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYMay2007文章編號(hào)：1006—2467(2007)05—0677一04室內(nèi)空氣流動(dòng)的直接數(shù)值模擬孫在，黃震，王嘉松(上海交通大學(xué)燃燒與環(huán)境技術(shù)中心，上海200240)摘要：應(yīng)用直接數(shù)值模擬(DNS)技術(shù)，采用高分辨率的網(wǎng)格，計(jì)算了一個(gè)三維非定常的室內(nèi)通風(fēng)流場(chǎng)．對(duì)比激光多普勒儀器的測(cè)量數(shù)據(jù)，DNS顯示了優(yōu)異的預(yù)測(cè)能力，特別是準(zhǔn)確地捕捉速度峰值的能力．其計(jì)算結(jié)果能夠詳細(xì)地描述出室內(nèi)空氣湍流流動(dòng)的演變和細(xì)微的漩渦

2、結(jié)構(gòu)，為設(shè)計(jì)室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境和研究室內(nèi)污染物擴(kuò)散傳輸提供了強(qiáng)有力的工具．關(guān)鍵詞：直接數(shù)值模擬；室內(nèi)；空氣流動(dòng)；預(yù)測(cè)中圖分類號(hào)：X169文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADirectNumericaISimulationofIndoorAirFlowSUNZai，HUANGZhen，WANGJia—song(ResearchCenterforCombustionandEnvironmentalTechonolgy，ShanghaiJiaotongUniv．，Shanghai200240，China)Abstract：Thispaperapplieddirectnumerica

3、lsimulation(DNS)withconsiderablyfinegridstocalculateathree-dimensionalunsteadyindoorventilationflowcase．ComparedwiththeresultsofLDA(LaserDopplerAnemometry)measurements，theDNSshowsexcellentpredictionabilities，especiallyincapturingthepeakvelocityvalues．Thecalculatedresultscangive

4、thedetaileddevelopmentoftheindoorairturbu—lentflowandthestructureoffineeddies．whichprovidesapowerfultoolforindoorventilationdesignandstudyingthedispersionandtransportationofindoorpollutants．Keywords：directnumericalsimulation(DNS)；indoor；airflow；prediction直接數(shù)值模擬(DNS)是從流動(dòng)控制方程出發(fā)，對(duì)

5、湍流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行直接的數(shù)值計(jì)算．傳統(tǒng)基于雷諾時(shí)均方程(RANS)的模型。如標(biāo)準(zhǔn)k—e兩方程模型、RNG忌一e模型和二階矩模型等，必須要引入雷諾應(yīng)力的封閉經(jīng)驗(yàn)方程，而這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯荒苓m用于限定的環(huán)境[1]．大渦模擬(LES)通過(guò)區(qū)分大尺度湍渦和小尺度湍渦，大尺度渦直接求解，但小尺度湍渦也必須進(jìn)行模型假設(shè)．DNS無(wú)須經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图僭O(shè)，它能夠模擬所有尺度的湍流脈動(dòng)，被稱為最精細(xì)的計(jì)算流體數(shù)值模擬方法．DNS技術(shù)要求的網(wǎng)格尺度非常小，而且N—S方程具有嚴(yán)重的非線性特點(diǎn)，因此需要非常大的內(nèi)存和快速的CPU．但因?yàn)槭覂?nèi)通風(fēng)流動(dòng)往往處于低雷諾數(shù)區(qū)域，而且計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅

6、速發(fā)展也為DNS的應(yīng)用帶來(lái)了有利條件．計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)作為研究流體力學(xué)的一個(gè)重要工具，越來(lái)越多地應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域的研究[2]．本文應(yīng)用DNS技術(shù)，對(duì)室內(nèi)無(wú)熱力驅(qū)動(dòng)的空氣流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。將計(jì)算結(jié)果與LDA實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，并利用計(jì)算數(shù)據(jù)比較分析了室內(nèi)空氣的湍流流收稿日期：2006—05—05作者簡(jiǎn)介：孫在(1971-)，男，重慶人，博士生，主要從事大氣污染的物理化學(xué)變化與傳輸規(guī)律研究，E-mail。cqsunzai@yahoo．tom．cn．黃震(聯(lián)系人)，男，教授，博士生導(dǎo)師，電話(Tel．)1021—34206379IE-maillz-huang

7、@mail．sjtu．edu．cn．萬(wàn)方數(shù)據(jù)678上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)第41卷動(dòng)模式．1控制方程及離散對(duì)牛頓流體，其質(zhì)量連續(xù)方程為筆+口lDH一0(1)動(dòng)量守恒公式采用Lamb形式的方程：譬一H×∞+v／／=土[(1D—lD。)g+，+v·r]dtD(2)VⅡ≈百IVIH2+土V蘆(3)厶』口式中：P為空氣密度；Ⅱ?yàn)樗俣仁噶?；OJ為角速度矢量；g為重力加速度；f為外力；f為耗散項(xiàng)，是一個(gè)包括粘性系數(shù)在內(nèi)的應(yīng)力張量方程；歹為流動(dòng)引入的壓力．DNS對(duì)粘性系數(shù)的求解方法是基于分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)能理論嘲．不考慮熱力因素時(shí)，能量方程可以忽略．上述偏微分方程需要經(jīng)過(guò)離散化處

8、理才能進(jìn)行數(shù)值求解，通過(guò)對(duì)時(shí)間和空間的離散，把偏微分方程變成有限的代數(shù)方程組．本文研究中，空間變量采用二階精