cfd数值模拟的系统误差反馈及其实现(3)

由Davis与Jones发起对正方形空腔内的层流自然对流这样基本的流动与换热问题进行数值模拟结果的对比以来 [16] ，高精度的数值计算结果取得了“基准解”的名义，并在流体流动及传热数值计算领域的发展过程中起到了考核算法、格式及开发程序的作用。流动与传热计算的主要基准解如下 [17][18][19][20][21][22][23] ：1 二维方腔顶盖驱动流 Re=10 2 -10 4 2 二维方腔自然对流 Ra=10 3 -10 10Pr=0.73 二维倾斜空腔顶盖驱动流 Re=100, 1000 β=30º，45º4 二维L型腔中的顶盖驱动流 Re=100, 10005 后台阶流动与换热 Re=10, 20, 50, 100, 200, 500, 800W2/W1=1.25-2 Pr=10 -4 -10 36 后台阶分层流动(Stratified Flow) Pr=1 Re=800 Gr=3.6×10 5 7 三维顶盖驱动流 Re=1000, 2000, 3200可以发现这种高精度的数值解适用于几何形状简单、流体流态简单的流体流动及传热计算的考核，是机械、工程热物理、热能动力等领域较为成熟的做法，仍然不能简单地推广至建筑环境领域的流体流动及传热的考核，并且每个计算结果的可靠性值得论证，如对于三维顶盖驱动流，Re=1000时的解个人的结果符合得很好，Re=2000无基准解，而Re=3000无稳态解 [23] 。寻找比数值解更可靠的检验办法——实验测定，也就成为了CFD/NHT领域考核研究的必然内容之一。2.3.3 可靠的实验测定结果除了与基准解作比较外，考核所开发软件或计算方法的另外

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一种重要方法是与可靠的实验测定结果作比较。包括流场、温度场等高准确度的定量测定结果及采用可视化技术所获得的流动的定性图像。定量的实验测定结果当满足以下的几个条件时，可以称之为CFD/NHT“考核数据”(Validation Data)：A 测定结果的准确度比较高，是以数字而不是以图线形式给出；B 数据及有关的信息比较完全；C 数据容易获得；D 有不确定度的分析。这里所谓的数据比较完全是指，获得这批数据的边界条件、进口或初始条件叙述明确，以使数值计算工作者可依这些条件来进行数值模拟。这种考核数据的获得与收集，对于发展计算传热学的计算软件具有特别重要的意义。美国机械工程师协会(ASME)的流体工程杂志专门设立了一个数据库，以收集汇总有关的实测结果。为了使这种作为考核软件的实验数据表述规范化，相互间有一定可比性，文献[24]提出了记录实验数据的格式如下：(1) 实验设备；(2) 试验段；(3) 试验条件；(4) 进口与边界条件；(5) 所测定的量；(6) 实验设备的诊断说明（即对该测定设备本身可靠性的考查）；(7) 本试验中独特的测试方法；(8) 实验方案；(9) 质量控制方法；(10) 误差分析；(11) 数据提供方式；(12)参考 文献；(13) 实验数据。在实验流体力学及传热学方面，实际例子很多，比较常见且广为引用的有如下几种 [25][26][27][28][29] ：1 长方形截面90º弯头中压力系数的分布2 圆管突然收缩区的轴向流速分布3

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Benard流动4 竖直狭缝中二维 自然 对流5 方形空腔内弧在平板的自然对流6 三维顶盖驱动分层流 显然这类实验也是广泛针对 工业 管道流动及换热的特点进行设计或布臵的，具有明显的局限性，即不能直接为建筑环境领域的CFD 研究 者所采用。近些年来，在建筑环境领域也悄然兴起了室内气流组织实验、自然通风建筑原型比例实验、通风测试、室外环境测试等浪潮，美国、日本等国家的建筑环境的CFD专家更是乐衷于此 [3][30][31] 。但是这些测试或实验普遍不属规范性实验，并且实验数据难以共享，更为严峻的是，对流体流动及传热 计算 所需的边界条件缺乏详细说明或规定。总之，建筑环境领域可靠的通风气流组织标准化测试实验还有很长一段路要走。3 通风空调领域CFD系统误差反馈的研究 文献 [3]已提及在建筑环境领域，美国学者Q.Chen等已经开始了建筑环境领域的CFD的验证与考核研究，其基本思路局限于二维或三维的自然对流、强迫对流或混合对流等具体实例的计算比较，实验手段及程序缺乏规范或程序，还没有上升到理性研究高度。另外，前文业已陆续讲到CFD在通风空调领域 应用 中的系统误差研究所存在的不足，现从系统误差反馈的全局出发，继续深入探讨该 问题 。3.1 流体流动及换热的新特点及困难 在通风空调领域，我们普遍遇到的是建筑室内外空气的流动状况及热分布 规律 问题，其中主要的难点在于：1 高大空间(热边界、速度矢量边界等条

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件难以确定)，多 风口 多障碍物(包括出入 风口 参数的确定)，几何外形复杂(如圆形屋顶)；2 自然对流与强迫对流并存(如臵换通风)，温差及浓差驱动流并存(双扩散效应，如烟气流动、壁面有机物材料扩散(VOC)等)；3 热辐射(室内辐射采暖、灯光照明，室外太阳辐射等)及墙体耦合换热；4 室外及室内气流的相互干扰，活动人员及出入建筑空调区域的设备等对气流组织的干扰。1933年，英国人Thom首次用数值 方法 求解了二维粘性流体偏微分方程，CFD由此诞生，但是针对流体流动及换热模型的讨论就从来没有休止过。同样地，对于建筑环境流体应用研究为主的领域，模型问题更是如此，并且在上述新的特点下又有了新的困难。综合 目前 的相关文献，有如下 内容 ：a 湍流模型不完备。近年来，美国学者Q.Chen等提出了新的零方程模型，主要用于计算室内气流计算，其可信度及适用范围值得考核；日本学者Murakami [31] 等考虑了室外气流模拟时标准k-ε

模型的不足及其改进方

案，但局限性依然存在；当室内气流受温差 影响 较大时，必须对湍流模型进行修正，Markatos等人早在20世纪八十年代初就已开始研究，但结果及适用范围仍不尽人意。b 壁面边界的处理没有规范。采用湍流模型的最大问题之一是壁面附近层流粘性支层及过渡区的处理，目前通行的做法是在壁面附近添加大量的网格，采用低雷数湍流模型，使模型由固壁表面一直用到湍流核心，但耗费的计算时间是显而易见的；

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若采用不断尝试各种壁面网格间距的办法，便使得计算过程及实践变得复杂，且引入了人的主观因素；另外，过去应用较多的壁面函数法，大量的经验常数已经使人们怀疑它的生命力。c 辐射模型及计算方法亟待改进。从散见的国际传热及流体杂志，可以发现近些年来，科研及工程技术人员对辐射现象及其计算愈加重视，但是考虑复杂几何形体的空间辐射计算，却很少见，尤其是考虑室外太阳辐射得热的流体流动及传热计算。国际领域盛行的Montle-Carlo法或DOM法不仅限于解决小型空间的辐射，并且计算的收敛性能也待改进。3.2 数值模拟的基本思想 鉴于HVAC领域通风气流组织的实际情况，一般采用RANS方法(以标准k-ε双方程模型为代表)建模、FVM(有限容积法)离散(对流项采用QUICK 等格式，扩散项采用具有二阶精度的中心差分格式)、TDMA+SOR法求解离散代数方程、SIMPLE类压力速度预估校正思想耦合等组合过程对所选实际的通风气流组织进行数值计算。故主要的 分析 和研究对象是：湍流模型误差、对流项离散格式误差(雷诺数偏高时)、代数方程迭代求解误差、SIMPLE类方法预估校正的收敛性、边界条件及初始条件的实施、网格分辨率(网格雷诺数的影响)、时间截差(非稳态问题)等几个方面，除湍流模型误差、初边界条件误差、物性参数误差等属考核阶段外，其他皆归于验证阶段的分析和探讨。4 CFD数值模拟系统误差反馈思路 4.1 系统误差反馈之一：验证 从普通雷诺时均控制

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