شبیه‌سازی دقیق و سریعتر از زمان واقعی جریان هوا در ساختمان با استفاده از دینامیک سیالات سریع

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد/ دانشگاه تربیت مدرس

2 تربیت مدرس * مهندسی مکانیک

چکیده

یکی از مرسوم‌ترین روش‌های مدلسازی انرژی در ساختمان، روش چند ناحیه‌ای است. مشکل اساسی این روش عدم توانایی ارائه اطلاعات جزئی و دقیق از جریان هوا می‌باشد. برای دستیابی به اطلاعات جزئی‌تر می‌توان از روش‎ دینامیک سیالات محاسباتی استفاده نمود، اما زمان محاسبات طولانی، کاربرد این روش را محدود می‌سازد. بنابراین نیاز است از روشی با سرعت محاسبات بالا با توانایی ارائه جزئیات جریان هوا با دقت کافی استفاده نمود. بدین منظور در این پژوهش روش دینامیک سیالات سریع که دارای الگوریتم حل بدون قید و شرط پایدار می‌باشد ارائه شده است. برای بررسی این روش، چهار مسئله جریان درون حفره، جریان درون کانال، جریان با جابجایی طبیعی و جریان با جابجایی اجباری بررسی شده و نتایج با داده‌های آزمایشگاهی، نتایج تحلیلی و نتایج‎ دینامیک سیالات محاسباتی مقایسه و صحه‌گذاری شده است. تمرکز اصلی این پژوهش، افزایش سرعت حل به روش دینامیک سیالات سریع می‌باشد. بدین منظور زنجیره معادلات اصلاح شده و از روش عددی مناسب برای حل معادلات استفاده شده است. با بکارگیری این حلگر، زمان شبیه‌سازی مسائل فوق بین 52 تا 94 درصد نسبت به روش دینامیک سیالات محاسباتی کاهش یافته و شبیه‌سازی آن‌ها به صورت سریعتر از زمان واقعی روی یک سیستم کامپیوتری معمولی میسر شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Accurate and faster than real-time simulation of indoor airflow by using fast fluid dynamics

نویسندگان [English]

  • Mirmasoud Seyedi 1
  • Hadi Pasdarshahri 2
1 MSc student, Tarbiat Modares University
2 Assistant Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University
چکیده [English]

The multizone model is one of the most popular models for simulating indoor energy and airflow; however, its basic problem is that it cannot provide detailed and accurate airflow information. Computational fluid dynamics can be used to obtain detailed airflow information but is restricted due to its high computational cost. Therefore, it is necessary to develop a model which can provide detailed airflow information with reasonable accuracy and computational time. In this study, fast fluid dynamics, which has an unconditionally stable algorithm, is proposed. To investigate this model, four case studies of flow in a lid-driven cavity, flow in a channel, natural and forced flow convention are analyzed, and the results are compared and validated with computational fluid dynamics, experimental data, and analytical solution. The main focus of this study is increasing the computational speed of fast fluid dynamics. For this purpose, the sequence of equations has been modified and suitable numerical methods have been applied to solve each equation. Using the proposed fast fluid dynamics solver, the simulation time of the case studies has decreased between 52 to 94 percent compared to computational fluid dynamics and faster than real-time simulation has been achieved on a conventional computer system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fast fluid dynamics
  • Computational fluid dynamics
  • Fluid flow simulation
  • Ventilation
  • Building energy simulation

مراجع

[1] V. Harish, A. Kumar, A review on modeling and simulation of building energy systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 56 (2016) 1272-1292.
[2] J. Axley, Multizone Airflow Modeling in Buildings: History and Theory, HVAC&R Research, 13(6) (2007) 907-928.
[3] A.C. Megri, F. Haghighat, Zonal Modeling for Simulating Indoor Environment of Buildings: Review, Recent Developments, and Applications, HVAC&R Research, 13(6) (2007) 887-905.
[4] W. Tian, X. Han, W. Zuo, M.D. Sohn, Building energy simulation coupled with CFD for indoor environment: A critical review and recent applications, Energy and Buildings, 165 (2018) 184-199.
[5] X. Zhao, Q. Chen, Inverse design of indoor environment using an adjoint RNG k-epsilon turbulence model, Indoor air, 29(2) (2019) 320-330.
[6] J. Stam, Stable fluids, in:  Proceedings of the 26th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, ACM Press/Addison-Wesley Publishing Co., 1999, pp. 121-128.
[7] G.D. Yngve, J.F. O'Brien, J.K. Hodgins, Animating explosions, in:  Proceedings of the 27th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, ACM Press/Addison-Wesley Publishing Co., 2000, pp. 29-36.
[8] M.J. Harris, W.V. Baxter, T. Scheuermann, A. Lastra, Simulation of cloud dynamics on graphics hardware, in:  Proceedings of the ACM SIGGRAPH/EUROGRAPHICS conference on Graphics hardware, Eurographics Association, 2003, pp. 92-101.
[9] R. Fedkiw, J. Stam, H.W. Jensen, Visual simulation of smoke, in:  Proceedings of the 28th annual conferenceon Computer graphics and interactive techniques, ACM, 2001, pp. 15-22.
[10] W. Zuo, Q. Chen, Real-time or faster-than-real-time simulation of airflow in buildings, Indoor air, 19(1) (2009) 33.
[11] W. Zuo, J. Hu, Q. Chen, Improvements in FFD modeling byusing different numerical schemes, Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals, 58(1) (2010) 1-16.
[12] W. Zuo, Q. Chen, Fast and informative flow simulations in a building by using fast fluid dynamics model on graphics processing unit, Building and environment, 45(3) (2010) 747-757.
[13] M. Jin, W. Zuo, Q. Chen, Simulating natural ventilation in and around buildings by fast fluid dynamics, Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 64(4) (2013) 273-289.
[14] M. Jin, W. Liu, Q. Chen, Simulating buoyancy-driven airflow in buildings by coarse-grid fast fluid dynamics, Building and Environment, 85 (2015) 144-152.
[15] W. Liu, M. Jin, C. Chen, R. You, Q. Chen, Implementation of a fast fluid dynamics model in OpenFOAM for simulating indoor airflow, Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 69(7) (2016) 748-762.
[16] W. Liu, Q. Chen, Development of adaptive coarse grid generation methods for fast fluid dynamics in simulating indoor airflow, Journal of Building Performance Simulation, 11(4) (2018) 470-484.
[17] R. Courant, E. Isaacson, M. Rees, On the solution of nonlinear hyperbolic differential equations by finite differences, Communications on Pure and Applied Mathematics, 5(3) (1952) 243-255.
[18] M. Jin, Q. Chen, Improvement of fast fluid dynamics with a conservative semi-Lagrangian scheme, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, 25(1) (2015) 2-18.
[19] A.J. Chorin, A numerical method for solving incompressible viscous flow problems, Journal of computational physics, 2(1) (1967) 12-26.
[20] A.d.O. Restivo, Turbulent flow in ventilated rooms, University of London (Imperial College of Science and Technology), 1979.
[21] U. Ghia, K.N. Ghia, C. Shin, High-Re solutions for incompressible flow using the Navier-Stokes equationsand a multigrid method, Journal of computational physics, 48(3) (1982) 387-411.
[22] P. Betts, I. Bokhari, Experiments on turbulent natural convection in an enclosed tall cavity, International Journal of Heat and Fluid Flow, 21(6) (2000) 675-683.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 3 (Special Issue)
خرداد 1400
صفحه 1839-1860

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار