通风空调精确仿真系统和用cfd方法研究高大空间动态响应特性论文

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1、通风空调精确仿真系统和用CFD方法研究高大空间动态响应特性论文摘要提出了通风空调精确仿真系统的概念，即将以分布参数模型为基础的CFD模拟和以集中参数模型为基础的控制系统仿真相结合的新的仿真系统，与常规的集中参数模型仿真系统相比，精确仿真系统能更好地反映实际系统的性能，特别适用于高大空间气流控制系统的仿真。通过瞬态CFD模拟的方法得到了高大空间恒温室的动态响应特性，如时间延迟、时间常数和比例系数等，并用实验进行了验证。关键词精确仿真系统高大空间CFD模拟仿真时间比最优采样周期控制系统动态响应特性实验研究1引言近年来，随着经济的发展.freel/s）、空调分区大小（5m

2、×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

3、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

4、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

5、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

6、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℃。（4）对称或近似对称边界条件，规定边界面上的各物理量的法向导数为0。瞬态数值计算除了要选用合理的欠松弛因子外，还必须选取合理的时间步长，开始计算时选定时间步长为0.05s，随着计算

7、结果趋向收敛，可以逐步地将时间步长加大到0.075s和0.1s，从而加速收敛，减少计算时间。2．2．2计算结果及实验验证图3高大空间恒温室温度响应曲线（a）送风温度变化曲线；（b）控制点温度响应曲线CFD模拟方案：保持热源不变，将送风温度由17℃上升到21℃，待计算到稳定状态后再将送风温度由21℃下降到17℃，并计算到新的稳定状态。计算得到的温度飞升曲线见图3，由图3得到高大空间恒温室动态响应特性见表1。高大空间恒温动态响应特性表1特性参数时间延迟（s）时间常数T（s）放大系数K（℃/℃）特征比控制点A502500.9830.200控制点B802800.9850