Ansys Fluent'te Cfd kullanarak Doğal Gazı için Daha Verimli Güneş Chimneys tasarlamak

Güneş Chimneys'i Anlayın: Bir Pasive Havalandırma Çözüm

Güneş chimneys, güneş ışınının binalarda doğal havalandırmayı teşvik etmek için pasif mimari cihazlardır.Güneşin ısısını kullanarak, elektrik almadan hava akışını yönlendiren bir baskı farkı yaratırlar. Bu, özellikle sıcak ve karışık iklimlerden daha soğuk bir taş oluşturur. Tipik bir yüzeyli mil veya boşlukları iç hava ışığından gelen hava ışığı emerek sürekli bir hava değişimidir.

Mekanik havalandırma sistemlerinin aksine, güneş chimneys, hareketli parçalara sahiptir, minimum bakım gerektirir ve operasyonel karbon emisyonu üretemezler, duvarları, çatıları veya standaloneuzs olarak eklenebilirler.Ancak, onların performansı geometriye, malzeme seçimine ve yerel iklim koşullarına bağlıdır. Tarihsel olarak, solar chimneys [Dönetici ve Orta Doğu mimarisine göre, ancak modern hesaplama araçları şimdi mühendislere daha önce görülmemiş derecede hassas olan 20 ila 20-4'e göre.

Solar Chimneys Nasıl Çalışır: Buoyancy-Driven Flow Fiziği

Güneş terasının arkasındaki sürüş mekanizması, ısıtılmış hava genişliyor, daha düşük spesifik ağırlıktan daha düşük havadan dolayı da yükseliyor. Güneş radyasyonu chimney üssünde olumsuz baskı yarattığında, binanın iç veya dışsal hava sütununa ısınıyor.

Matematiksel olarak, basınç farkı ⁇ p ile ilgili olabilir = ⁇ 0·g·h· (Ti - To) /To, ⁇ 0'ın hava yoğunluğu, g'nin ağırlığı, h'nın ısı sıcaklığı (K) ve 5-10°C'nin mütevazı sıcaklık farkları anlamlı havalandırma oranları üretebilir. Ancak, gerçek dünya performansı rüzgar etkileri, geçici güneş radyasyonu ve değişkenleri, sabit hava sıcaklığı, hesaplamalı akışkanlar (CFD) güvenilir bir araç haline getirir.

Güneş Chimney Havalandırmasının Avantajları ve Zorlukları

Anahtar Faydaları

• [FONT:0) Enerji Tasarrufu: [Dönetici havalandırma ve soğutmayı bozmaya karar vererek, solar chimneys, iyi tasarlanmış pasif binalarda% 15-50 oranında elektrik kullanımını kesebilir.
• [0]Improv Kapalı Hava Kalitesi: [Dönemli hava değişimi CO2, uçucu organik bileşikler ve iç kirleticiler konsantrasyonlarını azaltır.
• [Düzücük Bakım ve Uzunevlilik: [Dönetici: 0,8,00; 2) Hayır fanlar, filtreler veya kompresörler daha düşük operasyonel maliyetler ve daha az başarısızlık noktaları anlamına gelir.
• [FONT:0]Passive Soğutma:[Dönetici:[Dönetici: 0,2] Gece-parça stratejileri ile birlikte, güneş chimneys önceden soğutma bina kütlelerini değiştirebilir, soğutma yüklerini üst saatlerde değiştirebilir.
• [FONT:0)Architectural Integration:[Dönetici:[Dönetici: 0) Modern tasarımlar güneş chimneys'i façades'e, atria'ya veya stairwells'i estetikten ödün vermeden karıştırabilir.

Ortak Meydanlar

• [FONT:0)Performance Variability:) Güneş yoğunluğu, bulut kapak ve dış sıcaklık, potansiyel olarak aşırı soğutmaya veya yeraltına neden oluyor.
• [FONT:0)Backdraft Risk: [Dönüşük koşullarda, dış baskı akışı tersine çevirebilir, şık havayı şık bir şekilde kapatabilir.
• [FONT:0) Uzay Gereksinimleri:[Dönemli)[Dönemli) Etkili chimneyler genellikle önemli dikey yükseklik ve lekesiz güney maruz kalma (norn hemisphere).
• [0] Gece kaybı: [Dönetici: [Dönetici: 1] yalıtım veya damper olmadan, chimney sıcak bir bataklık olarak hareket edebilir, soğuk geceler boyunca saklanan ısıyı kaybedebilir.
• [FONT=0)Complex Optimizasyon:[Dönetici, malzeme ve iklim, iteratif tasarım analizi talep ediyor – ki bu, CFDn üstün olduğu yerde.

C ⁇ Akışkanlar Dinamik (CFD) Solar Chimney Design

CFD, sayısal yöntemleri kullanarak, sıvı akış (Navier-Stokes denklemleri) ve ısı transferi için sayısal yöntemler kullanan bir sıvı mekaniktir.For solar chimney analizi, CFD, mühendislere modellemeye, pompalı akış, konjugate ısı transferini (sol emici ve hava ile ısı değişimi) ve aynı anda ısı değişiminin hesaplanmasına izin verir.

CFD kullanarak, tasarımcılar sanal prototipleri gerçekçi sınır koşullarında değerlendirebilir - çeşitli güneş yükleri, rüzgar profilleri ve herhangi bir fiziksel inşaat başlamadan önce - bu, tasarım döngüsünde hem maliyet hem de zaman azaltır.Bir güneş chimney için tipik bir CFD iş akışı içerir:

1. Geometry creation (tek CAD veya Ansys DesignModeler)
2. Yakın duvarlara ve chimney inlet /outlet'de uygun rafinerilerle birlikte pil nesli
3. Sınır koşulları (solar ısı flux, rüzgar hızı, sıcaklıklar)
4. Fizik modellerinin seçimi (turbulence: k ⁇ , k ⁇ SST; radyasyon: güneş yükü modeli, ayrık koordinatlar)
5. Solver yapılandırma (basınç-velocity coupling, yakınlık kriterleri)
6. Hız konsüsü, sıcaklık alanları ve kütle akış oranlarının çıkarılması için post processinging to extract speed columnss, temperature fields, and mass flow rate

2021 yılında yayınlanan bir çalışma:0)Energy ve binalar), Ansys Fluent'i eğim açısını optimize etmek ve çatıdaki bir güneş chimney'in malzemesini optimize etmek için kullanabilirdi. Araştırmacılar 45° eğim ve seçici bir kaplamanın yüksek güneş absorptance ile olduğunu buldular (α ⁇ 0.95), bu tür iç beton chimney ile kıyasla% 35 oranında hava akışını artırabilir.

Anahtar Parametreler Temelde

Mühendisler, CFD bir çalışmada düzinelerce tasarım parametresini sistematik olarak değiştirebilirler. En etkili olanlar şunlardır:

• [FONT:0)Chimney yükseklik ve çapında:[Dönder:[Dönder: 0,0) Taller chimneys daha büyük yığın baskılar üretiyor, ancak aynı zamanda daha yüksek malzeme ve uzay maliyetleri elde edebilir. CFD, ekonomi ile dengelerin performansını bulmaya yardımcı olabilir.
• [FONT:0)Absorber materyali ve renk: Dark, yüksek hacimli yüzeyler (örneğin, kara yüklenmiş metal veya karbon yüklenmiş beton) daha hızlı ısıtılan kaplamalar.
• [FONT=0)Inclination açısı:[[Dönetici:[Dönetici:0)[[Dönetici:0)Işıktan 30-60°) genellikle dikeylerden daha güçlü taslaklar üretir, özellikle de rüzgar kaynaklı suksiyon ile birlikte.
• [FONT=0)Shading ve overhang cihazları:[Dönetici:0] Yaz aylarında chimney'in ısıtılması, ancak CFD, azaltılan akış ve termal konfor arasındaki ticareti ölçmek için gereklidir.
• [FONT:0)Dış rüzgar etkileri: [Dönemli rüzgar hızı ve yön, chimney operasyonu güçlendirebilir veya engellenebilir. CFD modelleri en kötü senaryoları değerlendirmek için atmosfer sınırı katmanı profilleri içerebilir.
• [FONT:0)Glaning type and yerleştirme: Çift glazed, güneş radyasyonu iletirken dışsal kayıpları azaltır.En iyi boşluk genişliği ve cam transkriptivitesi simülasyon yoluyla belirlenebilir.
• [FONT=0)Insulation kalınlık:[Döneticileri hariç) chimney duvarlarının (ektör hariç) yer yapısına parasitik ısı kaybı azaltır, hava sütununda daha fazla enerji tutar.

Ansys Fluent'te CFD Kullanan Tasarım İyileştirmeleri

Örneğin, bir naif tasarım, en üst düzeydeki akışa en yüksek seviyedeki öküzsüz bir şekilde yayılabilir.For example, a naive design may make the chimney the power of CFD is its ability to show that an overly wide exits often show that an overly wide exit to create the driving print.glish, while a little soonnt exit can speed the cold.

Başka bir ortak optimizasyon, komplikeli bir PCM'nin gerisinde birkaç saat boyunca çalışmaya devam etmesi için chimney'in, diurnal havalandırma döngüsünden sonra tekrarlanmasının ardından yapılan bir başka ortak optimizasyondur.

Yüksek binalarda, birden fazla chimneys, paralel olarak yığılabilir veya düzenlenebilir. CFD çalışmalar chimneys'i yatay plenumlarla bağlayan bir çırpıcıyı tasarlayabilir ve tüm chimneys'ler boyunca üniformalı performans sağlayabilir; bazı chimneys, sistem dengedeyse bile ters akabilir.

Vaka Çalışması: Phoenix'te bir Konut Güneş Chimney'i optimize etmek, Arizona

Phoenix'te net bir enerji evi için son bir tasarım projesi, dokuz chimney konfigürasyonunu karşılaştırmak için Ansys Fluent kullandı.Analine 4-m-tall, 0,5 $ ve tek bir gl CFD ile birlikte. Simülasyon, yerel bir yaz aylarından gelen tipik bir yaz için 5 tane güneş yükü ekledi.

• Hava akışı 0.12 m3/s (baseline)'den 0.23 m3/s (opted) yükseldi -% 92 bir gelişme.
• Ortalama chimney çıkışı sıcaklığı 58°C'ye ulaştı (versus 42°C temelline), daha güçlü bir taslak sağlar.
• Top öğleden sonra saat boyunca iç bina sıcaklığı, 3.5°C tarafından mekanik olarak ventilated bir eşdeğer ile karşılaştırıldı.
• Ek inşaat maliyeti için geri ödeme süresi (örneğin, beton kaplama ve glaning) 4.2 yıl içinde klima faturaları azalttı.

Bu durum, CFD kılavuz tasarımının, birincil soğutma sistemine ek bir havalandırma stratejisinden güneş chimneys'i nasıl dönüştürebileceğini gösteriyor, hatta aşırı çöl iklimlerinde bile.

Solar Chimneys için Ansys Fluent'te bir CFD Simülasyonu Ayarlayın

Mühendisler için pratik ipuçları bir solar chimney CFD çalışması başlatır:

1. Geometry and Me

İlk parametrik süpürücüler için basitleştirilmiş 2D veya 2Daxis-immetrik modelle başlayın, sonra tam 3D modelle temel vakaları doğrulayın. Polyhedral veya hex-core ağ geçidinde denge ve hesaplama maliyeti için özel bir dikkat edin.

2. Fizik Modelleri

Enerji denklemi ve tahmin edilebilir bir akış modeli, tahmin edilebilir akışlara uygun olarak seçilir: gelişmiş duvar tedavisi ile gerçekleştirilebilir k ⁇ modeli genellikle iyi çalışır, ancak k ⁇ SST modeli, ayrılığı ile akışlar için daha doğru değildir (örneğin, chimney virajları).

3. Sınır Koşulları

Chimney'i sıfır basınç (ambient) ve uygun sıcaklık (örneğin, 35°C ısıtıcı) ile bir basınç çıkışı olarak ayarlayın.Görünmüş bir arka akış sıcaklığı ile baskı yapılmalıdır.

4. Solver Ayarlar

Hızlandırma ve enerji denklemleri için baskı sistemi ile bir basınç tabanlı bir çözüm oluşturabilir.Süresel darbe için 0,3, 0,7,3,0,4 ve kütleli akışlar 10-4'ün altında kalırken genellikle elde edilir.

Güneş Chimneys için CFD Sınırları ve Pratikleri

CFD güçlü olsa da, tüm durumlarda fiziksel test için bir alternatif değildir. Önemli kısıtlamalar şunları içerir:

• [FONT:0) Belirsizlik:[Dönetici modelleri, radyasyon modelleri ve sınır koşulları tüm ilgili öngörüler.Debulma verilere karşı doğrulama önemlidir.
• [FONT:0)C ⁇ maliyeti:[DDD Geçici simülasyonlar (zamanla güneş radyasyonu ve rüzgar) bir kümede günler sürebilir.
• [FONT=0) Basitleştirilmiş rüzgar etkileri:[Dönetici:0) Birçok çalışma üniformalı rüzgar profilleri veya haçlı akışları kullanabilir, ki bu da Chimney performansını önemli ölçüde değiştirebilir.
• [FONT:0)Bouyancy vs. zorlanmış aktı: Çok düşük rüzgar hızlarında, yüksek rüzgarlarda, rüzgar basıncının hakim olması gerekir. CFD, beklenen dış koşulların tam aralığına kapmalıdır.

Bu zorluklara rağmen, CFD büyük bir tasarım alanı keşfetmenin en uygun yolu olmaya devam ediyor. Organizasyonlar AMD:0)Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL)) [enerji kodları dahil olmak üzere pasif havalandırma için gerekli tasarım kılavuzlarını geliştirmek için kullanılabilir.

Future Trends: Smart Building Controls ile entegrasyon

Güneş chimneys için bir sonraki sınır aktif kontroldür.Sistem seviyesindeki aletlerle veya senaryolama kullanıcı tanımlı işlevleriyle (UDFs, nem, rüzgar hızı), bina yönetimi sistemleri, hedef havalandırma oranlarının veya ikincil ısıtma elemanlarını kullanarak modüle edebilir.

Başka heyecan verici gelişme, jeneratif tasarım ve makine öğreniminin kullanımıdır. Mühendisler otomatik olarak binlerce chimney geometrisi üretebilir ve milisaniyelerde performans tahmin eden bir gerçekrogate modeli trenler.Bu, mimarların optimal güneş chimney şekillerini doğrudan bilgi modellemeye entegre etmesine izin verir (BIM) bu alanda yapılan araştırmalar, tebrik ağların sadece 200 Fluent simülasyonları tahmin edebilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Solar chimneys doğal havalandırma için kanıtlanmış, düşük karbonlu bir teknolojidir, ancak performansları en iyi hesaplamalı sıvı dinamikleri ile araştırılan tasarım detaylarına bağlıdır. Ansys Fluent, geleneksel yaklaşımlara dayalı olarak, radiative ısı transferini ve yüksek şaşırtıcı enerji binaları ile ilgili talepler ile birlikte, eğimli kaplamalar ve sönüllüler gibi sistematik olarak optimize edilmiş tasarımların yaratılmasına olanak tanır.

Bir güneş chimney projesine başlamak için, doğrulanan 2D simülasyonlarla başlamak önerilir, sonra en etkili gerçek dünya faktörleri için hesaplanan 3D modellere ilerlemektedir. Akademik araştırmacılarla veya uzman danışmanlık şirketleri ile işbirliği - enerji kullanımını azaltan pasif havalandırma işhorse ve daha sürdürülebilir bir geleceğe katkıda bulunabilir.