气象数据助力传热模拟

Bridget Cunningham 2016年 6月 6日

在设计设备或工艺流程时,除了研究系统本身之外,很重要的是还要考虑周围环境的影响。借助历史气象数据对不同时间地点的气候模式进行深入研究,我们可以确定这方面的影响。让我们来详细探讨一下这些数据如何协助我们作出更优的设计决策,尤其是在进行传热模拟时。

变幻莫测的气候

如果您像我一样,经常查看手机上的天气 App,您可能会发现,之前预报为寒冷、下雨的周末在短短几天甚至几小时内,就变得炎热和晴朗。这种变化相当普遍,有时正好发生在您的眼前,如下图所示。

晴空中的雨云展示了气候的不可预测本质。
晴空中的雨云。

气候就其本质而言,是一种复杂的、不可预知的力量。研究各种气候现象很困难,因为分析时需要考虑很多因素,从温度和降水到湿度和风,不一而足。一种有价值的预测天气的方法就是参考过去的气象数据。

美国采暖、制冷与空调工程师学会 (ASHRAE) 等组织收集了全世界 6000 多个气象站过去多年的历史数据。这些数据包含与天气有关的诸多因素,包括温度、湿度、太阳辐射及典型风速。这些信息有助于我们深入了解不同地点在一年内不同时间点的气候状况,基于这些预测信息我们就能作出更精准的设计决策。

让我们详细分析一下气象数据究竟可以用于何处。

历史气象数据助力优质设计决策

在建筑设计中,能源效率是一个需要考虑的关键因素。节约能源不仅降低了整体成本,同时还能最大限度地减少污染和对自然资源的消耗。在确保房屋居住者热舒适度的同时确保能源效率,这要求我们充分了解建筑物所承受的热负荷。建筑物周围的气候特点因此成为一个重要的考虑因素,因为它们直接影响热负荷。

能源效率在建筑设计中很重要,例如此处的摩天大楼设计。
在建筑设计中,从小型建筑到如上图所示的摩天大楼,能源效率都是一个重要考虑因素。

现在,让我们将目光转向嵌入式电子系统,例如交通灯或雷达系统。这些系统的设计初衷都是为了确保安全,但这就要求它们能根据预期设置良好地运转。如需进行这些测试,就要了解气候模式是如何影响这些系统的,从标准天气状况到更极端的气候环境都要有所涉及。

交通灯的图片,这是一类受天气影响的嵌入式电子系统。
交通灯是一个受天气影响的嵌入式电子系统的例子。

对于以上这些例子,我们了解了设计方案时需考虑的要点。通过参考历史气候数据,我们可以更精确地考量建筑物要经受的热特性,如有必要,变更设计以满足各自的设置。

气象数据在传热仿真中的价值

那么,气象数据如何运用到仿真研究中呢?正如我们在这里强调的,气象数据可以直接作为许多传热仿真的输入。直接获取这些信息有助于加快建模过程,因为除设计本身外无需再建立一个热模型,由于气候的不可预知本质,建立这样一个热模型是非常困难的。因此,工程师和研究人员可以针对具体地点和时间点简单地选择数据,并运用到分析研究中,从而提高了分析速度和精度。

气象数据不仅可用于典型天气状况下设备的优化设计,还可以使设计人员观测到设备在极端天气条件下的运行状况。例如,可以参考已记录的极端天气最大值或最小值。这两个数据都证明过去几年的气象资料比对未来几天和几周的天气预报更有价值。

综上所述,我们已经探讨了传热仿真中运用气象数据的一些优势。不久,您就可以借助即将发布的、包含最新功能的 COMSOL Multiphysics 简单地将此类气象数据运用到您自己的仿真中。敬请关注!与此同时,您可以查阅以下相关资源。

编者按:我们于 2016 年 6 月 22 日发布了一篇展示 COMSOL Multiphysics® 5.2a 中气象数据的博客。在这里了解最新功能

有关 COMSOL Multiphysics 中传热模拟的更多信息


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