基于SolidWorks Flow Simulation的建筑物內部相對濕度研究

文|.南京熊貓電子裝備有限公司 .南京科德銳工業技術有限公司 何杏興 張一心

一、前言

每到秋冬季節，氣候會變得干燥，尤其是在冬季供暖的房間，經常會出現相對濕度過低的情況。研究表明，建筑物室內的相對濕度，通過加濕器或帶新風的空調等設備可以控制在最適合人體的范圍內。

二、CFD 技術及SolidWorks Simulation

CFD 是 計 算 流 體 力 學（Computational Fluid Dynamics）的簡稱，是流體力學和計算機科學相互融合的一門新興交叉學科，它從計算方法出發，利用計算機快速的計算能力得到流體控制方程的近似解。CFD 興起于20世紀60 年代，隨著20 世紀90 年代后計算機的迅猛發展，CFD 得到了飛速發展，逐漸與實驗流體力學一起成為產品開發中的重要手段。

CFD 軟件通常指商業化的CFD 程序，具有良好的人機交互界面，能夠使使用者無需精通CFD 相關理論就能夠解決實際問題。SolidWorks Flow Simulation 軟件是一款功能強大的工具，使設計師和工程師能夠通過簡單的軟件操作去運用復雜的計算流體力學 (CFD) 解決問題，幫助設計人員輕松快捷地仿真，獲取流體流動、傳熱和流體作用力數據。利用SolidWorks Flow Simulation，設計人員可以快速高效地仿真建筑物室內的相對濕度，方便設計人員調整建筑物內部的空調或風扇參數，從而提高室內人群的人體舒適性。

三、利用SolidWorks Flow Simulation 進行相對濕度計算

如圖1 所示的房間，天花板左側的風管與外部設備相聯，提供的凈化空氣溫度為20℃，相對濕度為35%；天花板右側的風管內安裝有一個恒定風速的風扇向外排風，風速為1m3/min；房間內的設備（鍋爐）提供0.1m3/min 的濕熱氣體，溫度為100℃，相對濕度為100%；另外有設定換熱量為1000W 的灶臺。人體的呼吸對相對濕度的影響很小，可以忽略不計。相對濕度計算模型如圖1 所示。

圖1 相對濕度計算模型

1、通過設置向導來設定初始條件

在SolidWorks Flow Simulation 中利用向導功能可以非常方便地設定仿真的基礎條件，如項目名稱、單位、分析類型（內流場、外流場等）、流體介質、初始條件和網格等參數，如圖2 所示。

圖2 SolidWorks Flow Simulation 設置向導

在該設置向導中設定分析類型為內流場（Internal），指定Y方向重力加速度-9.81m/s2，流動介質為空氣，初始的相對濕度為60%，溫度為20.05oC。

2、設定出口和入口的邊界條件及熱源

分別指定模型中出口和入口的邊界和熱源，如圖3～6所示。

圖3 指定外部空氣入口條件

圖5 指定鍋爐輸出的濕熱空氣

圖6 定義體積熱源

3、設定仿真目標

設計人員可以使用SolidWorks Flow Simulation 中定義的目標（Goals）來定義計算收斂的標準，這些目標可以使設計人員關注區域中的物理參數，從工程的角度來看，目標的收斂意味著仿真的過程中這些目標獲得了一個穩態的結果。在SolidWorks Flow Simulation 中，目標可以是全局的，如模型中的流體靜壓、溫度等，也可以是指定區域的點、面或體積的溫度和壓力值等，也可以是方程式目標，如兩個面之間的壓降等。

本次仿真算例中，設計人員求解風扇的出口處空氣目標、及入口處的風量和全局的空氣密度，如圖7 所示。

圖7 仿真目標

4、仿真結果

仿真完成后，設計人員可以用模型中的某一個截面生成相對濕度的圖解，如圖8 所示，人體模型周圍的最大相對濕度約為50%。

圖8 相對濕度分布圖

仿真完畢后，設計人員可以查看模型中氣體的流動軌跡。如圖9 所示，選擇之前的空氣流入的風管截面，設定流動軌跡。設計人員可以清楚地觀察到，該軌跡顯示外界的新鮮空氣流入房間，在房間內與濕熱的空氣進行混合，然后從從排氣口排放。

圖9 氣體流動軌跡

四、結論

SolidWorks Flow Simulation 是集成在SolidWorks 三維軟件中的CFD 仿真軟件。利用SolidWorks Flow Simulation可以非常方便地計算建筑物內部的溫度分布、空氣流動軌跡和相對濕度等物理參數，從而給工程設計人員后續的設計工作提供參考和依據。