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验证案例:房间空气平均年龄

室内验证情况下空气的平均年龄属于流体动力学。这个测试用例旨在验证以下内容:

  • 使用被动标量输运模型的空气年龄
  • 标量混合分布

在这个项目中,计算了房间内空气的年龄。将SimScale的结果与Martin等人的实验结果进行了比较。

几何

其几何结构包括一个矩形房间,一个入口和一个出口,如图1所示:

年龄空气几何房间尺寸
图1:空气验证研究年龄的房间尺寸

进、出口中心点设于y = 1.8米处。房间尺寸详情见表1:

部分 x方向长度\([m]\) y方向长度\([m]\) z方向长度\([m]\)
入口 1.92 0.30 0.20
出口 0.20 0.30 1.92
房间 4.20 3.60 3.00
表1:房间各部分的尺寸

在参考研究中,出风口被描述为“在天花板上,靠近东墙(与送风方向相反)”,但是没有给出确切的位置。根据实验装置的描述和原理图,假设出风口与送风对面的墙壁之间有0.1米的间隙:

插座放置室验证
图2:出口的位置,基于参考研究的原理图

请注意

通过充分挤压进口和出口,我们可以允许流场在这些部分发展。在本案例研究中,入口和出口的挤压长度等于其水力直径的8倍(D_h\)。
$$D_h = \frac {4A}{P} \tag{1}$$
上式中,\(A\)为截面面积,\(P\)为浸润周长。在我们的例子中,入口和出口的水力直径是0.24米。

分析类型及网格

工具类型OpenFOAM®

分析类型不可压缩的

湍流模型k-omega SST

网格和单元类型:本验证案例共使用3个网格来执行网格独立性研究。所有的网格都是在SimScale中用标准网格化算法。表2给出了它们的概述:

网格类型 细胞 元素类型
标准 171131 三维四面体或六面体的
温和的 标准 573635 三维四面体或六面体的
标准 1090381 三维四面体或六面体的
表2:用于独立性研究的网格摘要

图2突出了入口的离散化,用精细标准网格获得。

房间网目简单标度标准网目
图2:SimScale创建的精细标准网格,突出了入口的离散性

仿真设置

材料

  • 空气
    • 粘度模型:牛顿
    • \((\ν)\)运动粘度: 1.5295 e-5 \ (m ^ 2 / s \)
    • \(ρ)(\ \)密度: 1.196 \(公斤/ m ^ 3 \)

边界条件

图3将作为边界条件定义的参考:

年龄空气验证案例边界条件概述
图3:空气验证案例平均年龄中使用的边界条件概述

边界条件的精确构型如下表所示:

边界 边界类型 速度\ ([m / s] \) 压力\ ((Pa) \) 可鄙的人。动能\ ([m ^ 2 /秒^ 2]\) 耗散率\([1/s]\) 阶段分数
入口 自定义 x方向是1。68 零梯度 固定在0.129735依照 固定在12.48917 固定在0
出口 自定义 进出 固定在0 零梯度 零梯度 零梯度
自定义 无衬 零梯度 壁面函数 壁面函数 零梯度
表3:本验证案例的边界条件总结

模型:

  • \ (Sc_ {t}) \)可鄙的人。施密特数= 1
  • 扩散系数= 1 e-9 \ (m ^ 2 / s \)

请注意

扩散系数被故意设置为一个小的数字。目的是防止标量通过扩散效应在区域内扩散,从而降低大气局部平均年龄的准确性。

被动标量源

使用表1作为参考,整个房间体积定义为a体积被动标量源,使用笛卡儿盒几何原语。注意,在这个模拟中,进口和出口的挤压不被定义为源:

空气被动标量源的平均年龄
图4:流体模拟的平均年龄的体积被动标量源

实验结果

在实验测试中,Martin等人先用示踪气体填充测试室,等待其均匀分布。随后,在入口释放新鲜空气,导致示踪气体浓度衰减。

用一系列的气体监测仪来测量示踪气体浓度随时间的变化。由此得到的空气平均年龄是通过计算该浓度下的面积得到的时间曲线。

请注意

出口流体平均年龄的理论值如式2所示:
$$流体的平均年龄=压裂{V}{Q} \tag{2}$$
其中\(V\)是测试环境的体积,\(Q\)是入口的体积流量。利用上述方程中实验装置得到的数据,我们得到450秒。

另一方面,出口空气龄期的实验结果为538秒,偏差为6.5%。这种差异突出了实验研究固有的错误。

结果比较

将混合标量的数值模拟结果与Martin等人的实验数据进行了比较。作者使用无量纲形式的平均年龄的空气来表示他们的结果。在本验证案例中,使用了相同的方法:

$ $ \眉题{\θ}= \压裂{\θ}{V / Q}{3} $ $ \标签

地点:

  • \(上划线{\theta}\)为本地空气的平均年龄(无量纲)
  • \(\ θ \)是当地空气的平均年龄,以秒为单位。在SimScale结果中,局部平均年龄用参数表示T1
  • 是被动标量源的体积,单位是\(m^3\)
  • \(Q\)为进气口的体积流量,单位为\(m^3/s)

并与实验得到的无量纲局部平均年龄(LMA)进行了比较。在几何对称平面(y = 1.8米)上,通过三条线来评估结果。线距进水口分别为1.13 m、2.2 m、3.2 m,如下图所示:

空气平均年龄的获取结果
图5:放置在XZ对称面上的红色虚线表示空气的无量纲局部平均年龄与实验数据的比较位置。

为了进行网格独立性研究,比较了SimScale中创建的三种网格的结果。结果发现,无论是中等和细网格都是网格无关的。图6显示了距离入口1.13米的管道的结果。

网格无关研究被动标量输运验证
图6:SimScale中不同网格的实验数据与结果的对比

在剩下的图中,可以看到实验数据与细网格结果的对比:

年龄空气验证箱细网
图7:在距离入口2.2米的管道上流体的平均年龄的比较
Simscale结果验证了空气室的病例年龄
图8:距离入口3.2米的管道上流体的平均年龄的比较

在所有情况下,SimScale结果与[1]得到的实验值趋势相同。由于出口位置的近似,以及实验结果的不确定性,在前面的章节中描述了差异。

下图显示了流体的平均年龄(T1)在几何的对称平面上。从入口进来的新鲜空气很快与房间里的旧空气混合在一起。细孔出口空气的平均年龄为449.97秒。

平均年龄流体结果simscale后处理器
图9:细网格结果,显示了对称面上空气的平均年龄

最后更新:2020年9月30日

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