CN111709141A - 一种基于Fluent的城市水体蒸发模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于Fluent的城市水体蒸发模拟方法，涉及城市水体微环境的湿热交换领域；假设从水体蒸发的是裹挟纯水液滴的饱和湿空气，利用DPM模型加载液态颗粒物，并对液滴进行追踪，得到液滴群在非等温流场的迁移特性；随着时间的推移，液滴的温度不断升高，其表面的水蒸气分压会由较大幅度的增加；因此，为了准确模拟液滴在流场中的散发，加载压力拟合方程实现对液滴表面分压力的修正；本发明可针对不同相对湿度下城市水体微环境内传热、传质过程的数值模拟，能够在较短时间内预测城市水体微环境的速度场、温度场和湿度场，对研究湿度变化对流场的影响具有重要意义，节省了时间和人力成本。
Description
技术领域
本发明涉及城市水体微环境的湿热交换领域，具体地说是一种基于Fluent的城市水体蒸发模拟方法。
背景技术
在城市水体微环境中，水体区域宽阔空气流通较好，蒸发的水蒸气进入空气中，改变空气的湿度，从而改善人们居住环境的舒适度。同时，空气流动受到环境温度和湿度的影响，大气颗粒污染物的传输也会受到影响。因此，以Fluent为模拟计算平台，建立一种能够实现模拟城市水体蒸发模拟的计算方法，得到微环境的速度场、温度场和湿度场，具有很重要的现实意义。随着时间的推移，液滴的温度不断升高，其表面的水蒸气分压会由较大幅度的增加。因此，为了准确模拟液滴在流场中的散发，加载压力拟合方程实现对液滴表面分压力的修正。本发明提出对于液滴表面蒸汽压添加压力拟合方程的源程序，采用数值模拟的方法对城市水体微环境留仓进行建模和求解。对液滴表面蒸汽压的修正，可以更加准确地得到液滴在非等温场的扩散特性，从而准确得出城市水体微环境温度、速度和湿度的变化规律，对研究湿度对微环境的影响具有重要意义。
发明内容
本发明提出了一种基于Fluent的城市水体蒸发模拟方法，它包括以下步骤：
(1)对城市水体微环境做一定的结构简化，通过ICEM软件建立二维几何模型，采用结构化网格划分，并设置相应的边界条件名称；
(2)根据模型和边界条件进行设置相应的参数:
a.依次启动操作面板上的能量方程、湍流模型的RNG k-ε方程，再依次激活液滴蒸发材料的具体选项，激活离散项模型中的离散相与连续相相互作用的选项和喷射选项；
b.设置Fluent中操作面板上喷射选项的具体参数：在二维几何模型中设定液滴的喷射位置，再设定蒸发液滴的直径、温度、喷射速度和质量流量；
c.加载液滴表面压力修正方程的UDF源程序；
d.在材料选项中设定液滴的密度、比热容、沸点等参数，表面压力选项中选定上述加载的UDF源程序。
(3)设置求解计算控制参数。依次设定SIMPLE计算方法，设定空间离散方法，压力计算法采用标准选项，动量、湍动能和湍动能耗散率和能量方程的计算方法均采用二阶迎风格式；所属的空间离散方法中梯度计算方法采用格林高斯算法。
(4)模型初始化和计算设置。
(5)对计算结果进行后处理。得到城市水体微环境的速度场、温度场和湿度场，得到液滴在非等温场的流动扩散特性。
本发明所述的数值模拟方法，不仅可以直观地观察到城市水体微环境流体的流动状态，而且为探讨湿度对微环境的影响提供了重要的研究方法。本发明可针对不同相对湿度下城市水体微环境内传热、传质过程的数值模拟，能够在较短时间内预测城市水体微环境的速度场、温度场和湿度场，对研究湿度变化对流场的影响具有重要意义，节省了时间和人力成本。
附图说明
图1是液滴蒸发原理图；
图2是城市水体几何模型图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
步骤一：对城市水体微环境做一定的结构简化，通过ICEM软件建立二维几何模型，采用结构化网格划分，并设置相应的边界条件名称。城市水体几何模型如图2所示，模型尺寸为1400(L)×400(H)m，有三排建筑物和三个街道峡谷，建筑物和街道峡谷的宽度为b＝20m，建筑物高度依次H＝20m，后面两个建筑依次为2H和3H。建筑物前面有一个湖水表面，长度为200m，湖水表面距离地面的高度为2m，湖水表面左端距离计算域入口处为200m，湖水右端距离第一个建筑物的迎风面为50m。计算域内最后一个建筑物延伸长度为L＝950m。本发明采用的是ICEM软件划分网格，由于模型是规则的，采用的是结构化网格进行划分，网格总数量为28万，最小网格为0.1m，网格之间的比例为1.2。
步骤二：根据模型和边界条件进行设置相应的参数，几何模型的入口为u＝1m/s恒定速度下的自然风流，计算域的出口设置为压力出口。几何模型的顶层设置为自由滑移边界条件。街道峡谷的所有建筑物、墙壁、屋顶和地面均设置为无滑移边界条件。进风温度为Tin＝313K，水的初始温度为Td＝303K。根据蒸发速率方程(1)，当水温为Td＝303K，风速为u＝1m/s，初始绝对湿度为4.95g/kg时，蒸发速率md＝7.19×10-3g/s。本发明采用拉格朗日方法研究液滴在非等温流场的扩散特性。液滴从图2中的湖面散发出来，液滴的直径为20μm，温度为303K，释放速度为1m/s。且加载UDF源程序修正液滴表面蒸汽压。
步骤三：设置求解计算控制参数。依次设定SIMPLE计算方法，设定空间离散方法，压力计算法采用标准选项，动量、湍动能和湍动能耗散率和能量方程的计算方法均采用二阶迎风格式；所属的空间离散方法中梯度计算方法采用格林高斯算法。
步骤四：模型初始化和计算设置。通过对上述流程的建模和设置，按照下述操作：Solve按钮—Monitors—Residual…在Options选框中选择Plot，以便在计算过程中显示动态残差；在Absolute Criteria of continuity(绝对标准的连续性)一栏中全部填为0.00001，这个表示计算收敛精度；将模型在Fluent中开始迭代求解，设置迭代次数：Solve—Iterate…，次数设置为10000次，然后点击Iterate即可运算。
Claims (4)
1.本发明设计一种基于Fluent的城市水体蒸发模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对城市水体微环境做一定的结构简化，通过ICEM软件建立二维几何模型，采用结构化网格划分，并设置相应的边界条件名称；
(2)根据模型和边界条件进行设置相应的参数；
(3)设置求解计算控制参数；
(4)模型初始化和计算设置；
(5)对计算结果进行后处理；得到城市水体微环境的速度场、温度场和湿度场，得到液滴在非等温场的流动扩散特性。
2.根据权利要求1所述的一种基于Fluent的城市水体蒸发模拟方法，其特征在于：
步骤一、液滴从液面散发到非等温流场中，其传质速率方程为：
式中，md是单位时间内从液面蒸发的液滴质量；Sh是舍伍德数；Dd是液滴的直径；K是传质系数；C是对传质系数的修正系数；M是水的摩尔质量；R是气体常数；T是环境温度；p是环境的压力；pvap,d是液滴表面的分压力；pvap,∞是环境温度下水蒸气的压力；
步骤二、液滴在非等温流场中扩散，液滴转化为水蒸气的速率方程是：
其中，kc是水蒸气的传质系数；Td是液滴的温度；
步骤三、液滴在迁移扩散的过程中，其温度不断升高，其表面蒸汽压有较大幅度的增加，需要采用UDF加载压力拟合方程对液滴表面的分压力进行修正，压力拟合方程表达式为：
3.根据权利要求1所述的一种基于Fluent的液滴蒸发模拟方法，其特征是：
步骤一、在非等温流场中，流体流动的控制方程包括连续性、动量和能量方程，分别如下：
式中，ui是i方向的速度；ρ和μ是混合气体的流体密度和动力粘性系数；α是热扩散率；Q是液滴和混合气体之间的热交换量；μt是湍动能粘性系数；
步骤二、在计算过程中，除了要建立上述守恒方程以外，还要考虑到流体的流态；在一般的流动状态中，流体大多数处于紊流状态，因此采用RNG k-ε湍流模型进行计算，k方程以及ε方程分别如下：
式中，veff是运动粘性系数；αk和αε是经验常数，αk＝1.0，αε＝1.3；Gk表示由于平均速度梯度产生的湍动能；C1ε和C2ε是经验常数，C1ε＝1.44，C2ε＝1.9；
步骤三、水蒸气在流场中的组分控制方程为：
式中，qd是水蒸气的质量分数；D是水蒸气的扩散系数；Sm是从液面蒸发的液滴质量源相。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于Fluent的液滴蒸发模拟方法，所述的对离散相的求解包括计算颗粒的轨迹和计算颗粒沿其轨迹运动时的颗粒与连续相之间的热量和质量传递，其中，描述颗粒轨迹运动的方程为：
式中左侧表示惯性力；右侧第一项表示阻力；第二项表示重力和浮力；第三项表示由于Saffman升力而产生的附加力。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN112347711A (zh) * | 2020-10-27 | 2021-02-09 | 中国建筑科学研究院有限公司 | 一种街谷水平通风影响城市热岛效应的数值模拟方法 |
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2020
- 2020-06-18 CN CN202010560053.4A patent/CN111709141A/zh active Pending
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