室内外空气流动的传热模拟

2016年 6月 22日

想要快速地预测诸如房屋这样暴露在外界环境条件下的封闭结构的温度吗?房屋内的温度取决于周围的空气温度、风速和太阳负荷,而这几个因素都变化无常。为简单起见,我们往往近似地认为室内空气流通足够充分。今天,我们将讨论如何利用 COMSOL Multiphysics 来快速构建此类热模型。

近似处理房屋内外的气流

比方说,您想快速预测暴露在外界环境条件下的封闭结构的温度。它可以是一个小型结构,比如电线杆上的分线盒,或是一个集装箱,又或是所有人都熟悉的结构:房屋。

首先,我们考虑一所小房子,如下图所示。其中包含四面墙壁、一个房顶、一间大房间、一扇门和几扇窗户。假设有一台风扇使室内空气流通很好,这意味着如果测量室内任意一点的空气温度,则与室内其他任意点的温度完全相同。如果我们所研究的房子有混合通风系统,那么这一假设就是一种非常有效的近似处理方式。

简单的房屋模型。
简单的房屋模型。我们感兴趣的是结构内的温度。

因为空气流通充分,我们只需求解一个均匀的与空间无关的空气温度。由于室内有空调且墙壁也会传热,因此室内的空气温度会随时间发生变化。在墙的外侧,我们也需要应用热边界条件,来反映周围环境的空气温度、风速和太阳热负荷。

众所周知,天气极其难以预测。因此,我们未尝试构建房屋周围环境的热模型,而是选择采用天气的历史数据。美国采暖、制冷与空调工程师协会收集了全世界多个气象站的信息,将其编制成一个数据库。在 COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本中,这些制成表的数据已可用作仿真时的输入。

气象站收集的数据,包括气温、太阳直接辐照度和散射辐照度、风速。
气象站记录太阳直接辐照度和散射辐照度、风速以及气温。

制成表的气象数据包含了全球 6000 多个气象站的历史数据。由此就可获得温度、露点、风速、气压、以及太阳直接辐照度和散射辐照度随日期和时间变化的关系。直接辐照度指直接来自太阳的辐射,而散射辐照度源自直射阳光经过大气中微粒和云层而发生散射之后的太阳辐射。您可以使用周边任何一个气象站的数据,借此合理地估计出适合模型的环境条件。至于是使用平均温度、平均低温或平均高温、最低温或最高温、露点还是风速,则由您来决定。平均高温和平均低温定义为平均温度加上或减去一个标准差。

预估两天内各种天气数据的样本图,包括平均温度、平均高温和平均低温以及最高温和最低温。
两天中的平均温度、平均高温和平均低温、最高温和最低温的样本图。

现在,让我们来看一下怎样使用 COMSOL Multiphysics 中的新功能来帮助我们对房屋内的空气温度以及外部的环境条件进行建模。

室内空气充分流通:等温域

要模拟与该所房屋内空气类似的,流通充分的流体域,可以利用传热模块中的等温域功能。为此,首先要在物理模型设置窗口中勾选相关复选框,如下方屏幕截图所示。

突出显示固体传热接口中等温域复选框的屏幕截图。
“等温域”复选框。

启用此功能后,便可以将“等温域”功能添加到传热接口,如下方屏幕截图所示。默认情况下,这个功能会根据指派的材料属性计算域的总质量和热容。如需要,也可以不通过计算而直接采用用户指定的域质量和比热。

等温域接口图像,这是 COMSOL Multiphysics 中的一个功能。
等温域接口。

等温域中温度随时间的变化取决于经边界流入域和流出域的热通量。这通过“等温域接口”边界条件来定义,如下方屏幕截图所示。可以从以下几个不同的条件中指定一个:热绝缘、连续性、热接触、通风和对流热通量。最后一个条件“对流热通量”最适合描述流通充分流体域和固体域之间的传热。

等温域和周围域之间边界条件的屏幕截图。
等温域和周围域之间的边界条件。

我们已经了解了如何定义房屋内的平均空气温度,现在将视角转向室外,讨论暴露在环境条件下外部表面上的边界条件。

表格式的环境热条件:COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本中的新功能

第一步是依据我们要使用的数据,选择气象站的位置。这在所有的传热接口中的设定窗口都可以处理,如下图所示。可以从 6000 个不同的气象站中选择,同时选取所需数据的日期和时间。默认情况下,软件会根据求解器更新时间,所以如果仿真时间非常长,则环境条件会发生改变。

定义外界环境数据的设置。
屏幕截图显示如何定义外界环境数据。

选中定义环境条件的位置和时间后,周围空气温度和风速即定义完毕,并可由该物理场接口中的其他功能引用,例如由“热通量”边界条件引用。

显示热通量边界条件的屏幕截图。
环境温度、压力和风速由“热通量”边界条件引用。

使用太阳位置选项时,环境太阳辐照度用于外部辐射源功能,如下图所示。注意此环境数据包含晴朗天空条件下中午的太阳辐射热通量。在此功能中输入位置和当日时间后,本软件会自动重新计算一天内入射太阳光的方向,具体描述请参阅之前关于太阳采暖的博客文章

环境太阳辐照度作为 COMSOL Multiphysics 中外部辐射源功能的一个输入项。
环境太阳辐照度是“外部辐射源”功能的一个输入项。

我们已了解了要使用的所有功能,下面看看一些具有代表性的仿真结果。例如,下方的动画绘制了温度随时间的变化,并显示太阳通量的入射方向。

 

展示温度和入射太阳通量的动画。

关于 COMSOL Multiphysics 中进行热模拟的更多可能性

本文中,针对暴露在周围环境中且内部空气充分流通的结构,我们讨论了模拟类似结构所需的一系列功能。如果要计算自己结构中气流和空气温度变化,请一定阅读我们的博客文章“模拟位移通风系统” 。或许还想加热或冷却您的结构。请查看我的上一篇博客文章“利用事件接口模拟恒温器”,了解该主题的简介。

或者您对模拟大型建筑的通风系统更感兴趣。那么也可以考虑管道流模块,这是 COMSOL Multiphysics 的产品之一。该视频演示让您深入了解用于加热和通风的管道流模拟。
我们在这里没有具体讨论墙壁的模拟。上方展示的模型简单地将墙壁视为材料不同的均匀长方体。COMSOL Multiphysics 是详细分析因热桥引起热损耗的理想平台。可以利用下面几个示例模型开始入门:

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慧 吴
2019-04-25

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