通风空调精确仿真系统范文

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1引言

近年来，随着经济的发展，越来越多的具有高精度湿湿度要求和舒适性要求的高大空间出现了，研究高大空间的气流控制系统成为一项重要的研究课题。很多学者对高大空间的气流组织进行了深入地研究，这些研究大多采用稳态的模型，本文的研究重点是气流控制系统，即对高大空间气流动态变化及其控制系统的研究，采用动态的CFD模拟和动态控制系统仿真模型。

本文的研究对象（见图1）是一个存在不均匀分布热源的高大空间精度恒温空调系统。针对扰动和控制对象的特点，通过方案比较，本文采用非贴附型下送风方形散流器上送下回气流组织方式，风口的具体布置见图1，并在稳态CFD模拟的基础上，确定了最优的送回风系统参数，即最优的送风温差（3℃）、送风速度（2.15m/s）、空调分区大小（5m×5m，共36个）和风口尺寸（800mm×800mm）。本文将在此基础上对高大空间气流控制系统的动态仿真进行研究。

图1高大空间结构及设备布置

对于高大空间气流控制系统的动态仿真，本文提出2套解决方案，并分别进行了研究：

（1）常规的集中参数模型控制系统仿真，其中高大空间动态响应特性预选采用CFD方法进行模拟；

（2）精确仿真系统，即将以集中参数模型为基础的控制系统仿真和以分布参数模型为基础的CFD模拟无缝结合，实现对高大空间的精确仿真。

2集中参数仿真系统及高大空间动态响应特性CFD模拟

2．1集中参数仿真系统

常规的集中参数模型仿真系统示意图见图2，它具有以下的特点：

（1）对传感器、变送器和执行器等，由于它们传递信号的部位体积都很小，而且它们相应的信号参数分布基本上是均匀的，因此可以将它们处理成集中参数模型。

（2）对于高大空间，空间内各点的参数是不一样的，即各点的参数不仅与时间有关系，而且与空间位置有关系，不仅与外扰的强度有关系，而且与外扰的位置有关系，因此它是一个典型的分布参数系统。对它的计算应该用分布参数模型进行处理，以质量守恒、动量守恒和能量守恒为基础的室内气流流动和传热理论就是它的数学模型，其基本方程组为雷诺方程组[1]。但是，由于雷诺方程组的求解非常复杂费时，因此，在常规的集中参数模型仿真系统中，将它简化处理成集中参数系统，即认为高大空间是一个控制点参数为代表的集中参数环节，此时，可以通过CFD模拟或实验或理论分析（对简单情况）求出它的延迟时间、时间常数和放大系数[1]。传统的求取高大空间动态响应特性的方法是实验或者对简单情况的理论分析，但是这种方法不具有通用性，而且也不经济（实验需要大量的费用和时间），因此本文尝试采用CFD的方法研究高大空间的动态响应特性，对应的高大空间通风空调气流控制方程组见第3.2节。

（3）只要确定了高大空间的特性参数，高大空间气流控制就变成了一个常规的控制系统，其仿真也就变得容易和快速，但是，由于对高大空间本身的特性进行了简化，致使它不能精确地反映控制点参数的变化，因此其仿真精度是受到限制的，有时甚至很低，与实际情况相差较远。

图2常规的集中参数模型仿真系统示意图

2．2高大空间动态响应特性CFD模拟

2．2．1计算条件

考虑高大空间为带纯滞后的一阶惯性系统，应计算系统的时间延迟、时间常数T、放大系数K和特征比。

为了考察控制点的位置对高大空间动态特性的影响，考虑将室内控制点设在各分区中心线上标高8m处（称为控制点A）和回风口中心（称为控制点B）两种情况，控制点A位置的确定主要是因为各分区气流交界面的中心点处于标高8m左右，稳态条件下，该位置的空气温度约为20℃，正好为系统平衡温度；控制点B为常规控制点。这两个控制点的一个共同特点是当系统运行于稳态条件时，系统正好不需要控制动作，这正是恒温空调控制系统的出发点，这样系统才能处于最优的运行状态。

数值计算时，在送回风口、热源、墙壁附近风格划分较密，网格间距为0.1m，其他区域网格划分较粗，网格间距为0.4m;数值计算边界条件如下：

（1）送风口，输入实际的送风速度和温度。

（2）回风口，规定出口压力为0。

（3）热源和墙壁，均为固体壁面，要用壁面函数法进行处理[3]，其中热源为恒温55℃。