Nielsen, Peter Vilhelm

Danish

Numerisk simulering af luftbevægelse eller, som det hedder på engelsk, "Computional Fluid Dynamics" (CFD) er på vej til at blive et væsentligt værktøj til dimensionering af luftfordelingssystemer og brandventilation samt til undersøgelse af termisk indeklima og luftkvalitet i enkelte rum eller hele bygninger

VBN (Videnbasen)  Aalborg Universitets forskningsportal

    Aalborg UniversitetComputersimulering af luftfordeling i rumNielsen, Peter VilhelmPublished in:Danvak magasinet : VVS, energi, indeklima, bygningsinstallationerPublication date:2003Document VersionTidlig version også kaldet pre-printLink to publication from Aalborg UniversityCitation for published version (APA):Nielsen, P. V. (2003). Computersimulering af luftfordeling i rum. Danvak magasinet : VVS, energi, indeklima,bygningsinstallationer, (5), 12-14.General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.            ? Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research.            ? You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain            ? You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal ?Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us at vbn@aub.aau.dk providing details, and we will remove access tothe work immediately and investigate your claim.Downloaded from vbn.aau.dk on: December 25, 2020IndeklimaBygnings5VVS Maj 2003Danvakmagasinet EnergiVVS • Energi • Indeklima • BygningsinstallationerinstallationerBygningsautomation,Net, Komponenter Computersimulering af luftfordeling i rum, side 12Automatik til commissioning, side 16Varmegenvinding - råd og omtanke, side 2212 Danvak Magasinet 05-2003IndeklimaIndeklimaVed en traditionel dimensione-ring af et luftfordelingssystembetragter man de strømnings-elementer, som systemet ersammensat af. For eksempelkan man følge en indblæsnings-stråle, så længe den har etuforstyrret forløb i rummet, ogberegne størrelser som maksi-malhastighed og temperatur-fordeling. Når strålen bliverafbøjet af flader eller af andreluftbevægelser, kan der opstå etkompliceret strømningsbillede,som ikke kan beskrives på ensimpel måde. Det er i dennesituation, at CFD har sin storefordel, da metoden beregnerforholdene overalt i rummetog ikke kun i de begrænsedeområder, som de traditionellestrømningselementer dækker.ComputermodelStrømningsforhold og energi-flow er beskrevet ved hjælp afet antal transportligninger.Normalt er der tale om enkontinuitetsligning, tre lignin-ger for bevægelsesmængde-strøm (en i hver af de tre koor-dinatretninger), en ligning forenergitransport og en ligningfor massetransport. Desudenanvendes der to ekstra lignin-ger til beskrivelse af turbu-lensen i strømningen. Der er ialt tale om otte ulineære koble-de differentialligninger medfølgende ubekendte: tre luft-hastigheder, trykket, tempera-turen, koncentrationen, turbu-lent kinetisk energi samt end-nu en variabel, der vedrørerturbulensen.Det er desværre ikke muligtat foretage en direkte løsningaf disse differentialligninger.Der opstilles derfor en nume-risk metode, hvor ligningerneomskrives til differensligninger.Stømningsfeltet opdeles i etantal netpunkter som vist ifigur 1. Der opstilles et volu-men omkring hvert netpunkt,som afgrænser dette punkt fra nabopunkterne E, W, N, S,U og D. De otte differential-ligninger, der gælder for heleløsningsfeltet, erstattes af ottedifferensligninger i hvertpunkt. Hvis man for eksempelanvender 90 x 90 x 90 celler tilat beskrive rummet, har man ialt 90 x 90 x 90 x 8 = 5,8 mio. ligninger.Ligninger skal løses ved iteration, og der kan typiskvære tale om ca. 3.000 gen-nemregninger, før man harfundet strømningsfeltet medtilstrækkelig nøjagtighed.Dette betyder, at transportlig-ningerne gennemregnes ca. 17 mia. gange. Det er disseforhold, der stiller krav til enpassende computerkapacitet.Der sker en fortsat udviklingaf computere med forøgelse afregnekapacitet og faldende priser. Derfor vil CFD-bereg-ninger med tiden få større ogstørre betydning, og de vil idet lange løb blive enerådendeinden for visse anvendelsesom-råder.Som nævnt bliver der fore-taget en direkte beregning afhastighed, tryk, temperatur,koncentration og turbulens.Det er alle størrelser, der ervigtige for indeklimaet ogenergiforholdene. Det er ogsåenkelt at beregne aflededestørrelser i strømningsfeltetsom fx volumenstrøm, energi-strøm, massestrøm, middel-strålingstemperatur, luftensmiddelalder, termisk komfort,procent utilfredse pga. træk,gradient, asymmetrisk strålingsamt ventilationsindeks, ekspo-neringsindeks, osv.KvalitetskontrolDet er forholdsvis enkelt atforetage en CFD-beregning, daComputersimulering af luftfordeling i rum 553Af professor Peter V. Nielsen, Aalborg UniversitetPeter V. Nielsen arbejder med luftfordelingsamt varme- og massetransport i ventileredelokaler. Han er medlem af  STVF's Center forIndeklima og Energi og var med i programkomi-teen for ROOMVENT-konferencen i København iseptember 2002Numerisk simulering af luftbevægelse eller, somdet hedder på engelsk, “Computational FluidDynamics” (CFD) er på vej til at blive et væsent-ligt værktøj til dimensionering af luftfordelings-systemer og brandventilation samt til under-søgelse af termisk indeklima og luftkvalitet ienkelte rum eller hele bygningerFigur 1 Netpunktsfordeling ogkontrolvolumen omkring etenkelt netpunkt Figur 2 Forsøg med brand iOfenegg-tunnellen i SchweizIndeklima14 Danvak Magasinet 05-2003de kommercielle programmerer meget brugervenlige. Nårman har gennemført en CFD-beregning og ser på det farve-strålende beregningsresultat,skal man dog gøre sig klart, atman blot har løst en række lig-ninger. Resultatet er ikke bedreend de data, der er brugt somgrundlag for beregningerne, ogden metode, der er anvendt.Det er naturligvis afgørende,at man beskriver problemetmed de rigtige forholdomkring løsningsfeltet. I denforbindelse er det vigtigt at fåbeskrevet det armatur, der skalanvendes i det virkelige lokale,da impulsstrømmen fra arma-turet styrer mange detaljer irumstrømningerne. Det erogså vigtigt, at man kanbeskrive energistrømmen i deomgivende vægge ind til nabo-rum og til udeklimaet.Der kan være store usikker-heder forbundet med dennumeriske metode. Det er vig-tigt, at man vælger et stortantal netpunkter, da differens-ligningerne skal beskrive diffe-rentialligningerne og dermedet kontinuerligt forløb igen-nem rummet. Desværre bety-der et stort netpunktsantal, atregnetiden forøges kraftigt. Etstort netpunktsantal kan ogsågive problemer med konver-gens, forstået på den måde, atman vanskeligt kan nå frem tilen stabil løsning.CFD-programmet giver mulig-hed for at vælge flere lignings-modeller, hvoraf nogle er merenøjagtige end andre. Det kanstille brugeren over for detdilemma, at den type, der giverden mest nøjagtige løsning,ikke altid vil konvergere moden stabil løsning.Dan Sørensen og Peter V.Nielsen har skrevet en artikel/1/, som behandler disse pro-blemer og giver nogle anvis-ninger på udførelsen af kvali-tetskontrol. Det er vigtigt, atbrugere af CFD-beregninger erhelt fortrolige med problem-stillingerne, og det er vigtigt,de bliver belyst og rapporteretsammen med beregningsresul-taterne.Eksempler på CFD-beregningerCFD-beregninger vil kommetil at spille en stor rolle forfunktionsbestemt brandventila-tion. Ved at gennemføre for-skellige beregningssæt er detmuligt at følge røgbevægelsenog fastlægge en egnet strategi ien kompleks situation medbetydelig større sikkerhed endden traditionelle dimensione-ring efter et regelsæt.Brand i en tunnel er enaktuel problemstilling. I 1965blev der udført en række fuld-skalaforsøg i den schweiziskeOfenegg-jernbanetunnel, sefigur 2. Den er 131 m lang, ogden blev lukket i den ene endeinden forsøgene. Branden blevantændt i et åbent kar med100 liter petroleum. Røg-frontens hastighed ved an-tændelse af tunnelbranden var2 m/s. Figur 3 viser et eksem-pel på computersimulering,hvor man ser røgens positionhenholdsvis 20, 59 og 114 sek.efter brandens start i Ofenegg-tunnellen. Ved en sådan CFD-beregning er det også muligt atfå et overblik over alle andrebetydende parametre som fxrøgens eventuelle lagdelings-højde, strålingstemperatur ogsigtbarhed i den nederste del aftunnellen.Som nævnt i indledningenkan CFD også anvendes medfordel ved komfortberegninger.Som et eksempel kan nævnesbestemmelsen af hastigheden iopholdszonen i et lokale medfortrængningsventilation. Hvisder anvendes et enkelt armaturi et lokale, eller hvis flerearmaturer er monteret i énvæg, er det enkelt at bestemmehastighedsfordelingen ud frastrømningselementmetoden.Hvis man derimod placererarmaturerne i en geometri,som får den lagdelte strømningtil at kollidere, opstår der ensituation, hvor det kan værenødvendigt at beregne hastig-hedsfordelingen i hele opholds-zonen. Figur 4 viser en situa-tion, hvor fire armaturer parvisstår vinkelret på hinanden.CFD-simuleringen viser, at deropstår en sammensat strøm-ning med et nogenlunde kon-stant hastighedsniveau. De to eksempler illustrerernogle få af de anvendelsesmu-ligheder, man har med CFD.Der er ingen tvivl om, at CFDi fremtiden vil blive et daglig-dags værktøj for de rådgivendeingeniører på lige fod medandre dimensioneringspro-grammer og energisimulerings-programmer.■Litteratur/1/ D. N. Sørensen and P. V. Nielsen,Quality Control of ComputationalFluid Dynamics in IndoorEnvironment. Indoor Air, Vol 13, pp2-17, Blackwell Munksgaard. 2003. Figur 3 Dynamisk CFD-simulering af røgbevægelsen i Ofenegg tunnellenFigur 4Forsøgsopstilling medfire indblæsningsarma-turer til fortrængnings-ventilation. Forsøgenepå det øverste billedeer udført i Lindabsfuldskalalaboratorium iFarum. Det nederstebillede viser CFD-simu-lering af hastighedsfor-deling i den lagdeltestrømning i opholds-zonen, og farven angi-ver hastighedsniveauet 

Computer Simulation of Air Distribution in Rooms

https://vbn.aau.dk/ws/files/53071736/Computersimulering_Danvak.pdf

Computer Simulation of Air Distribution in Rooms

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

VBN (Videnbasen) Aalborg Universitets forskningsportal