基于FLUENT的建筑排水系统模拟仿真分析.pdf

2014.12科技论坛 106 基于 FLUENT 的建筑排水系统模拟仿真分析 袁超群 （台州学院， 浙江台州，318000） 摘要 ： 我国早期并没有一套独立、 完善的建筑排水系统， 最早的建筑排水系统是以苏联的设计理念和数据资料作为参照物， 但 是由于我国和国外的地形、 地貌、 建筑管材以及测绘方法和经度纬度的不同， 便导致苏联的建筑测试数据不能良好的运用到国 内， 因此我国建筑必须寻找一条真正适合我国建筑排水系统的理论发展道路。 近些年来， 我国的高层建筑大批崛起， 因此， 高层 建筑室内的排水系统便是值得我们深入探究和总结的一个课题。 关键词 ： FLUENT ； 高层建筑 ； 排水系统 ； 模拟 ； 仿真 ； 分析与研究 Simulation analysis of building drainage system based on FLUENT Yuan Chaoqun (Taizhou University, Taizhou City,Zhejiang Province,318000) Abstract ： The building water supply and drainage system of our early and not a set of independent, complete,building drainage system is one of the earliest of the Soviet design concepts and data as a reference,but because of our country and foreign topography,construction materials and the mapping method and latitude longitude difference,will lead to the use of building test data the Soviet Union is not good to China,therefore our construction must find a really suitable for drainage in China building system theory development.In recent years,Chinas high-rise building large rise,therefore,the drainage system of high-rise building is worthy of our in-depth study and summary of a subject. Keywords ： FLUENT; high-rise building;drainage system;simulation;simulation;analysis and research 建筑排水系统内部存在一种非恒定且瞬时流的现象， 这种现 象已经不是现有的恒定流理论可以解释清楚的了， 建筑排水系统 内部的 “气”“水” 两相流的水力工况都体现出了建筑排水系统的 复杂性、 困难性和多变性， 这都为我们对建筑排水系统的理论研 究增加了很大的难度。 本文基于 FLUENT 的建筑排水系统模拟仿真分析是将传统的 建筑排水系统与计算机技术完美的结合在一起， 对建筑排水系统 内部的水利工况的分析采用计算流体的动力学技术来得到准确 的数值并且建立数值模型来进行模拟仿真分析。 采用计算流体的 动力学技术进行模拟仿真分析是在理论基础上进行了实际试验， 计算机技术替代的繁琐复杂的人工操作是此系统完美契合点的 一个体现， 不仅在很大程度上节约了人力、 物力以及财力还避免 了一些不必要的人为因素对研究结果的影响。 我国在建筑排水行 业采用计算机数值模拟技术并没有国外那么成熟， 正处于一个逐 渐发展的阶段， 本文就针对这个目前没有发展成熟的领域进行了 详细的研究和论述。 1 FLUENT 的建筑排水系统的研究背景 最初的建筑排水系统是一个简单的卫生器具管线设计， 而 FLUENT 的建筑排水系统则是一个相对完善的专业体系。 随着我 国经济的飞速发展以及人民生活水平的逐步提高， 人们对生活品 质、 生活质量的需求也有所提升， 对建筑设计理念上的要求不仅 仅是满足居住的需求， 而是逐步往空间高度上发展， 高层建筑的 逐步崛起不仅在很大程度上提高了空间利用率， 也成为了城市现 代化的最明显的标志物。 我国建筑的未来发展趋势已经逐步向高 层和超高层建筑迈步， 因此面对这种趋势我国必须完善建筑排水 系统体制， 来使我国的建筑排水行业得到很大的发展。 有关建筑 排水系统的设计人员在不断地努力下逐渐贡献着他们伟大的研 究成果， 对建筑排水系统构建了更人性化的设计， 同时面临着如 此繁琐复杂的建筑布局也达到了更高的要求。 如今， 我国的科研 人员开发研制了各种新型建筑排水材料以及特殊排水管件， 为我 国建筑排水系统的建立提供了材料基础， 但是要想使这些产品得 2014.12科技论坛 107 到大幅度的推广就必须得到相关的实测数据和设计参数， 相比国 外来讲我国暂时没有相关的测试塔设备来对这些数据进行测量。 建筑排水作为建筑行业的一个重要分支， 任重而道远， 建筑排水 系统的好与坏直接关系到人们的居住水平， 也与人们生存的环境 卫生息息相关。 因此， 我国必须大力发展我们的建筑排水行业， 建 筑排水行业的发展也是为我们人类的居住环境做出了巨大的贡 献。 2 FLUENT 的建筑排水系统模拟仿真理论基础 FLUENT 软件是一款国际热门软件， 不仅具有丰富的物理模 型， 还具备了先进的数值方法以及超级强大的前后处理功能， FLUENT 软件应用领域也十分广阔， 可以完美的契合到航空航天 领域、 汽车设计领域、 石油天然气领域以及涡轮机设计领域等等 众多方面， 总而言之， 只要是有关流体、 热传递以及和化学反应有 关的工业都可以良好的运用到 FLUENT 软件。 FLUENT 软件可以智能的通过数值计算以及图像显示技术 完美的将高层建筑的排水系统流畅的转化为二维模型， 另外， FLUENT 软件还能结合储存硬件中所有的排水工况来详细清除的 分析排水系统管道中各个数值的变化， 譬如压力波动变化曲线以 及水流速度的变化。FLUENT 软件还能根据排水系统管道中不同 部位气压的波动情况来详细的捕捉到在排水过程中不同高度排 水横支管之间的细微影响波动， 建筑排水系统测试基准管内气压 波动为 400Pa ，FLUENT 软件就可以借此测试基准的前提下精 准测量排水立管中的排水流量。 根据 FLUENT 的建筑 排水系统模拟仿真理论数 据可以得出以下结论 ： 第 一，FLUENT 的建筑排水 系统可以模拟坐便器恒流 量排水获得的流量数据， 并且与规范中数值达到了 一致， 高层建筑的排水系 统具有一个统一的特点就是排水立管比较长并且排水量也比较 大， 排水管内部也很容易就产生明显的气压波动 ； 第二， 当坐便 器变流量排水时模拟出立管排水能力略大于规范值时就意味着 排水系统管道内部压力的波动远小于恒定流时的波动影响 ； 第 三， 要想使研究更符合实际就必须使排水系统横支管上的变流量 排放与恒定流排放同时进行， 也就是说同时开启坐便器与浴盆。 如果高层建筑排水系统当中的排水立管为 DN100， 那么排水系统 的大排水能力就有可能达到 5.0L/S， 如果在分析数据时一旦得 出高层建筑排水立管中水流流速小于 10m/s 的结论， 这是有关减 速消能的问题一定要忽略掉 ； 第四，FLUENT 的建筑排水系统存 在这样一个特点， 当随机抽取其中几层排水横支管并且使之同时 排水的时候， 总会出现大负压值总是在低处的排水横支管下部的 现象， 反之， 当大负压值总是在低处的排水横支管下部出现时并 不一定意味着几层排水横支管同时排水。 计算机技术的飞速发展也就意味着科技的飞速进步， 如今 FLUENT 软件的兴起在很大程度上解决了有关计算流体力学数 值的难题，FLUENT 软件站在了用户的角度， 并且从用户的需求 出发， 可以高速的解决各种复杂的流动和有关物理的现象， 逼真 高效的模拟能力也帮助了各个行业洞察各种难以解决的现象， FLUENT 软件扮演着多相流建模方面的领导者的角色。 有限体积 法是 FLUENT 软件最常采用的办法， 这种有限体积法使各种物理 现象被解释的更加直白， 更加利于人们理解， 有限体积法采取的 模式是将计算区域网格化， 如图所示， 将计算区域划分为网格并 使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积， 从而通过微分方 程来控制每一个体积积分， 这样就可以得到所需要的离散方程， 离散方程中所存在的未知数就是计算机区域网格化后网格节点 上的因变量。FLUENT 软件所采用的有限体积法的基本思路就 是计算机区域网格化加上离散法， 这样一来就方便于客户根据 自己的实际情况来对方程组进行求解。FLUENT 软件模拟了一 项现实中不可能完成的任务就是从不可压缩到高度可压缩范围 内的复杂流动， 这项模拟对解法种类的需求更是严格， 不仅把多 种解法融合进去还完美的采用了多重网格加速收敛技术， 进而 FLUENT 软件的性能达到了更一步的精进最佳的收敛速度和 求解精度。FLUENT 软件之所以可以在众多的领域中驰骋是因为 FLUENT 软件本身灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格 技术及成熟的物理模型， 另外， 值得我们惊叹的是 FLUENT 软件 测试的数值模拟跟现实中的实验研究相比起来， 不仅成本低， 而 且还具备着方案变 化快的优势， 同时 FLUENT 软件也满 足了无测量仪器干 扰的环境以及数据 信息精确完整的基 础。 总而言之， 基于 FLUENT 的建筑排水 系统模拟仿真分析 与研究是我国有关 件数室内排水系统 发展的一条可靠路 径。 3 高层建筑排水系统数值模拟 2014.12科技论坛 108 我国有关高层建筑排水系统的学者通过研究表明 ： 如果将 排水系统管道内三维立体结构简化为一个二维的区域， 这是一项 十分可行的举措， 建筑排水系统的二维化可以将计算机区域网格 划分为数量较少的小格， 这样可以使 FLUENT 系统计算速度更加 之快， 并且可以得到准确的、 没有影响的标准数据。 高层建筑排水 系统采用二维数值模拟使得单立管和双立管排水系统在不同流 量下管内的压力变化情况更清晰的展现在人们眼前， 并且可以得 出与三维立体结构十分相符的结论。 我国对于高层建筑的发展速度令世人惊叹， 顺应这种发展潮 流一些特殊配件单立管排水系统作为一种先进新技术在国内也 得到了推广， 很显然的是这些特殊单立管配件厂家提供他们大排 水流量能达到 10L/S 的管件并不适用于我国较多采用设置通气 立管的方法， 这种方法是将通气立管与大气相通， 从而以释放排 水管系中的正压以及补给空气使排水系统管道内的负压得到减 小， 使排水系统管道内的气压始终接近大气压力， 这样排水系统 的空气流通就得到了保障， 使排水系统管道内的有毒气体排除。 4 结语 本文通过对 FLUENT 的建筑排水系统的模拟仿真的探讨与 研究， 详细的表明了 FLUENT 软件在建筑排水系统中起到的重大 作用。 总而言之， 我国的建筑排水事业还有更大的应用空间并且 值得进一步的开拓。 况且， 我国还是一个人口大国， 随着城市化脚 步的逐渐迈大， 我国城市人口也对高层建筑的需求逐渐增大， 另 外， 高层建筑也是现代化城市的标志， 也是一座城市尊严的象征， 因此， 这些因素不断拉动我国建筑业的内需， 但是我国的高层建 筑并没有对排水系统进行细致的研究， 由此可见排水管道内水流 流态的研究也将是当下的重要任务之一。 参考文献 1 李磊.杨建成.蒋秀明.李丹丹.周泽旭.张青.王冠珠.气 流成网机纤维流通道的设计及应用 ： 基于 FLUENT 的数值 模拟 J. 天津工业大学 .2011.04(25). 2 侯兰香 . 基于 FLUENT 的压力交换器能量传递过程仿真分析 及其结构优化设计 J. 山东大学 .2011.11 （30）. 3 陈霞 . 基于 FLUENT 的建筑排水系统模拟仿真分析 J. 天 津大学 .2012.05(01). 作者简介 袁超群，1992-1， 汉族， 男， 浙江杭州， 现职称 ： 学生， 学历 ： 本科， 研究方向 ： 给水排水。 对北斗定位的技术改进建议主要从 “供电” 与 “外观” 两个层 面进行分析。（1） 供电层面 ： 在林业行业的森林扑火过程中， 其手 持机电池的供电时间显得非常有限， 加上森林扑火工作的复杂性 与困难性， 经常会出现供电不足的状况， 且在扑火现场又无法实 现二次充电。 因此， 为了保证北斗定位系统能够实现长时间的供 应， 就应该对手持机的电池进行改良， 并且在一定程度上降低设 备功耗。（2） 外观层面 ： 现如今的北斗定位系统的构造体积较大， 其便携性跟 GPS 比较起来有较大的差距。 因此， 建设对北斗定位 系统的外观进行改良， 使其体积变小， 携便性能提高， 以此为林业 行业的森林救火工作提供极大的便利。 4 结语 通过本课题地探究， 充分认识到我国自行研发的北斗卫星 导航系统遵循四大基本原则， 分别是 ： 开放性、 自主性、 兼容性以 及渐进性。 并且， 北斗定位在林业行业中具有尤为显著的适用性， 在覆盖层面与航空护林层面能够为林业行业的森林防护提供极 大的便利。 最后， 笔者提出了基于北斗定位在林业行业应用层面 上两方面技术的改善建议， 其一是 “实现和其他系统的互联互通 模式” ， 其二是 “在供电与外观层面对北斗定位系统进行改善” 。 相 信， 在林业行业中充分运用北斗定位， 能够充分有效地推动林业 行业的良性发展。 参考文献 1 杨元喜 . 北斗卫星导航系统的进展、 贡献与挑战 J. 测绘 学报 ,2011,08(11):14-15. 2 戴邵武 . 马长里 . 廖剑 . “北斗一代” 导航定位系统分析与 研究 J. 计算机与数字工程 ,2011,09(12):11-12. 3 逯亮清 . 胡德文 . 吴美平 . 双星定向试验研究 J. 空间科 学学报 ,2012,07(15):67-69. 4 唐金元 . 于潞 . 王思臣 . 北斗卫星导航定位系统应用现状 分析 J. 全球定位系统 ,2012,08(16):45-48. 5 姚作新 . 基于北斗卫星短信通信方式的无人值守自动气象 站网 J. 气象科技 .2012,09(11):12-13. 6 王玉华 . 赵学民 . 刘艳武 . 北斗卫星通信功能在水文自动 测报系统中的应用 J. 水文 ,2011,08(12):14-17. 7 黄建华 . 北斗 RDSS 机制下的导航地图更新设想及实践 J. 测绘通报 ,2012,05(11):12-15. 作者简介 曹轩 （1984-）, 男， 贵州贵阳人， 汉族， 大学本科学历， 森林 防火方向。 （上接 94 页）