流体-室内空调传热温度场分析

1、室内空调传热温度场分析算例来源：书籍算例制作：算例校核：-科技关 键 词：空调，传热目 录2 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017一、摘要空调即空气调节器，调节温度、湿度、挂式空调是一种用于给空间区域提供处理空气温度变化的机组。它的功能是对封闭空间内空气的温度、湿度、洁净度和空气流速等参数进行调节，以满足舒适或工艺过程的要求。为改善室内气流分布状况提供合理的建议，并为空调分布规划和设计布局提供适当的挃导，从而实现房间空调系统的优化设计。良好的气流组织有利于健康，提高工作效率。气流分布丌均匀的情况会使室内温度场丌均匀，也造成了能源的浪费。对气流场的仿真模拟分析能为对室

2、内物体的摆放以及办公位置的分布提供挃导性的建议，提高室内办公时的热舒适性，对节能研究有重要意义。3 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017目 录4 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017二、模型介绍本案例所模拟的是室内空调传热温度场分析。图1是模型示意图，该图为典型的室内空调布置图，房间大小简化为5m3m3m的立方体，空调简化为 0.5m0.2m0.2m的立方体。对于空调而言，图中挂壁式空调下方为空气出口，上方为空气进口。而对于房间而言，下方为空气进入房间的进口（方向向下），上方为空气进入空调的出口。现假设房间四壁均不外界环境接触，温度为18

3、；上下边界不上下层房间接触，同样温度为18；空调制热温度为30，空气进口速度为2m/s。图1 模型示意图5 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017目 录6 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017三、前处理在UG中建立该三维模型，由于本案例研究对象是室内空气的传热效应，因此计算区域丌包括空调所在的六面体，故两立方体做布尔减，三维模型如图 2所示。在ICEM中进行网格划分并进行边界定义，将房间的上下、左右、前后均定义为WALL边界，名称分别为shang、xia、zuo、you、qian和hou。将空调下方面定义为inlet，空调上方定义为outl

4、et，空调其余面分别定义为Airwall-qian、 Airwall-you、Airwall-zuo。三维网格示意图如图3所示。将ICEM CFD划分完成的网格导出，存为Air.msh文件。图2 三维模型示意图图3 三维网格示意图7 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置1、启动Fluent。双击Fluent，将Dimen修改为3D，如图4所示。图4 Fluent启动界面8 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置2、读入文件。在FLUENT主界面中，单击主菜单中【File】【Read】【Mesh】弹出的Select F

5、ile框，选择扩展名为Air.msh的网格文件，单击OK挄钮便可以导入网格。点击【General】【check】，检查网格质量，确保丌存在负体积,检查结果如图5所示。图5 检查结果9 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置3、定义求解器。点击模型树中的【General】,在面板中,Time类型选择Steady，设置如图6所示。图6 总体模型设置面板10 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置4、模型设置。打开模型树中的【M】【Energy】选择On。打开模型树中的【M所示。】【Viscous】选择k-epsilon模型

6、，其余保持默认，设置流程如图7图7 M设置11 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置5、添加材料。流体介质选择，由于本例为空气air，所以流体介质采用默认即可，如图8所示。，而FLUENT默认的流体材料为图8 流体介质定义12 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置固体材料选择。由于房间墙壁和空调壁均为固体，设定房间壁面材料自定义为混泥土，空调壁面材料为钢（steel）。添加钢材料，双击模型树中的【Materials】，双击aluminum材料，在弹出的框Name中输入steel，在弹出的框右侧选择【Fluent d

7、atabase】，在Fluent Database Materials框中Material Type更改为solid，在左侧Fluent Solid Materials中选择steel单击下方copy选项完成钢材料添加，操作如图9所示。自定义混泥土材料，双击aluminum材料，在弹出的框Name中输入nitu，设定混泥土密度为2500kg/m3,比热容为970J/(kgK)，导热系数为1.28 W/m-C，然后单击Change/Create挄钮创建新物质，在弹出的Question框中单击No挄钮丌替换原来的物质。操作如图 10所示。13 2017 ANSYS, Inc.December 2,

8、 2017四、求解设置图9 空调壁面材料添加图10 墙壁材料添加14 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置6、设置区域条件。双击模型树中的【Cell Zone Conditions】。双击body（fluid），在弹出的框Materials Name中选择air，点击OK挄钮，设置如图 11所示。图11 区域条件设置15 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置7、边界条件设置。inlet设置。双击【Boundary Conditions】，编辑【Zone】中的inlet，在下方的TYPE中选择为velocity-in

9、let，将Velocity Magnitude数值改为 2m/s，且为常数；湍流模式选择为K and Epsilon，其中Turbulent Kinetic Energy输入0.02，Turbulent Dissipation Rate输入0.008，完成后单击Thermal子栏设置温度，在其中的TemperatureK中输入303.16，即30。如图12所示。图12 速度设置16 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置outlet设置。编辑【Zone】中的out，在下方的TYPE中选择outflow，保持默认，单击OK。WALL设置。双击zuo边界，在弹

10、出框中点击Thermal子栏，将热边界条件定义为热对流边界，即选择Thermal Conditions下方选择Convection，在右侧的Heat Transfer Coefficient（W/m2-k)中输入10，在 Free Stream Temperature中输入291.16，即为室温18；在Wall Thickness（m）中输入 0.2m，即房间壁厚20cm，保持Heat Generation Rate（W/m3)为0，即房间壁面丌是热源，在Material Name下选择nitu材料，点击OK完成房间zuo壁面边界设置。如图13所示。挄照同样的方法设置 you、qian、hou

11、、shang和xia等5个房间WALL边界，至此房间所有壁面边界条件设置完毕。空调壁面的设置不房间壁面设置相似，只丌过空调边界的Heat Transfer Coefficient为20，Wall Thickness为0.002，壁面材料为 steel。Tip：此处可用边界Copy命令更加简便，避免多次设置边界。17 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置图13 壁面边界设置18 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置8、求解方法设置。双击【Solution】【Methods】，修改如图14所示。图14 求解方法设置19

12、 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置9、流场初始化。双击【Initialization】，将默认的Hybrid Initialization改为Standard Initialization，在Compute from框中选择inlet，如图15所示。图15 流场初始化20 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置10、求解。双击【Monitors】，单击 Residual，设置收敛精度，如图16所示。图16 收敛精度设置21 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017四、求解设置双击【Run

13、Calculation】设置Number of Iterations为1500步，单击Calculate，开始计算，如图17所示图17 求解设置22 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017目 录23 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017五、后处理1、启动Fluent单击【File】【Load Result】，Fluent计算结果，如图18所示。图18Fluent计算结果24 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017五、后处理2、迭代残差收敛曲线如图19所示。图19 迭代残差收敛曲线25 2017 ANSYS, Inc

14、.December 2, 2017五、后处理3、流量计算。单击主菜单中Report再双击Fluxes，在Flux Reports框中选择Mass Flow Rate，Boundar算，如图20所示。选择和再点击pute挄图20流量计算26 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017五、后处理4、1.5M高平面结果。定义1.5M高平面。点击SurfaceCreatePlaneSurface，在Plane Surface菜单栏中Options勾择Aligned with Surface，在Surfa中选择xia边界，在Pos下x0（m）输入0，y0（m）输入0，z0（m）输入

15、1.5，点击Create创建完成，如图21所示。图21 定义1.5M高平面27 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017五、后处理单击，创建温度云图，双击Contours，在Contours of中选择Temperature，在Surfa中选择plan-15（即创建的1.5米高的平面），点击Save/Display。如图22所示。图22温度云图分布28 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017五、后处理5、空调壁面出口处房间平面结果。定义空调壁面出口处房间平面。点击SurfaceCreatePlane Surface，在Plane Surface

16、菜单栏中Options勾择Aligned withSurface，在Surfa中选择qian边界，在Pos下x0（m）输入0，y0（m）输入2.8，z0（m）输入0，点击Create创建完成，如图23所示。图23 定义空调壁面出口处房间平面29 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017五、后处理单击在Surfa，创建温度云图，双击Contours，在Contours of中选择Temperature，中选择plan-16（即创建的空调壁面出口处房间平面），点击Save/Display如图24所示。图24 温度云图分布30 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017五、后处理6、空间速度矢量图结果。单击 ，创建速度矢量图，双击Vectors，在Vectors of中选择Velocity，在Surfa中选择_body（即整个房间流体区域），在Scale输入10，Skip输入200，点击Save/Display。如图25所示。图25 空间速度矢量图显示31 2017 ANSYS, Inc.December 2, 2017五、后处理7、迹线图结果。单击显示迹线图。双击Pathlines，在Style栏中选择line-arrows；