Numerické modelování turbulentního proudění ve větrané místnosti

Abstract

Počítačová mechanika tekutin (CFD) je považována za užitečný nástroj pro predikci proudění vzduchu ve větraných a klimatizovaných místnostech. Nejčastější přístup v matematickém modelování proudění vzduchu v interiéru budov spočívá v použití Reynoldsova průměrování Navierových-Stokesových rovnic spolu s dvourovnicovým k-epsilon modelem turbulence. Nevýhody tohoto standardního modelu jsou známé a souvisí s jeho chováním v mezních vrstvách u stěn, kde je nutné proudění popsat stěnovými funkcemi. Práce je zaměřena na použití dvou alternativních modelů turbulence, založených na skalární vírové viskozitě, ve větrání místností. Wilcoxův k-omega a Menterův SST model umožňuje výpočet proudění přes celou mezní vrstvu až ke stěně bez použití stěnových funkcí. Zároveň jsou oba modely přizpůsobeny pro výpočet proudění v oblasti s volným smykem. Práce je založena na numerickém modelování a simulacích v CFD softwaru Fluent. Modely turbulence byly nejdříve otestovány na izotermických případech dvourozměrného turbulentního proudění ? plochého stěnového proudu a osově symetrického volného proudu, pro které jsou v literatuře dostupné experimentální výsledky jiných autorů. Porovnání výsledků simulací volného a stěnového proudu s experimentálními údaji je provedeno s ohledem na zaměření práce na větrání místností. Proto jsou hodnoceny následující parametry: dosah proudu, resp. Pokles maximální rychlosti proudu; zvětšování šířky proudu; rychlostní profily v hlavní oblasti proudu a jejich vzájemná podobnost; u stěnového proudu průběh součinitele tření na obtékané stěně. Na základě poznatků z literatury byl odvozen postup pro odhad výšky buněk numerické sítě u stěny, který může být využit jak pro úplnou integraci přes mezní vrstvu, tak pro modely využívající stěnové funkce. Navržený postup byl ověřen na numerickém řešení plochého turbulentního stěnového proudu. Byla zpracována simulace trojrozměrného izotermického zatopeného proudu v omezeném prostoru, jejíž výstupy byly porovnány s vlastním měřením v laboratorní modelové místnosti. Numericky byla předpovězena a experimentálně prokázána nestabilita a kmitání zatopeného proudu vzduchu v prostoru omezeném stěnami.

Computational fluid dynamics (CFD) has been adopted as a useful tool for predicting air flow in ventilated and air-conditioned rooms. The most frequent computer-based approach to modelling of indoor air flow is Reynolds averaging of the Navier-Stokes equations used together with the two-equation k-epsilon model of turbulence. The known shortcomings of this standard model are associated with its behaviour in wall boundary layers, where the flow has to be described by wall functions. The thesis deals with the application of two alternative eddy-viscosity models in ventilated rooms. The Wilcox's k-omega and Menter's SST models allow a full integration of transport equations through the boundary layer down to the wall without using wall functions. At the same time the two models are adjusted for the calculation of free shear flows. The thesis is based on numerical modelling and simulation in the CFD software Fluent. At first step the turbulence models were tested on isothermal two-dimensional turbulent types of flow ? a plane wall jet and an axisymmetric free jet, which are very well documented in literature. The comparison of numerical simulations with published experiments was elaborated with respect to the thesis subject area, i.e. ventialtion of rooms. Therefore the following parameters were evaluated: jet throw or jet maximum velocity decay; jet spread rate; velocity profiles in the developed region of jet; skin friction coefficient for wall jet. Based on the theory and experimental data published by other authors a method was derived to estimate the size of the first numerical grid cell in the near-wall region. This method is applicable for models with full intergration through boundary layers as well as with wall functions. The procedure was tested in a numerical simulation of plane turbulent wall jet. A three-dimensional simulation of an isothermal submerged jet in a confined space was performed and the results were compared with the measurements of air flow in a full-scale model room. The numerical simulations predicted the instability and oscillations of the jet, which was proved by the laboratory experiment.