中空玻璃cfd模拟.docx

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中空玻璃cfd模拟

石家庄铁道大学毕业论文

中空玻璃传热过程的数值模拟研究

NumericalSimulationStudyonHeatTransferProcessofHollowGlass

2013届机械工程学院

专业建筑环境与设备工程

学号20090776

学生姓名王孟旭

指导教师郝长生

完成日期2013年6月日

毕业设计（论文）任务书

题目

中空玻璃传热过程的数值模拟研究

专业

建筑环境与设备工程

班级

机0902—2

学生姓名

王孟旭

承担指导任务单位

能源与环境工程系

导师姓名

郝长生

导师职称

讲师

一、设计内容

中空玻璃具有突出的保温隔热性能,是提高门窗、幕墙节能的重要材料，在我国提倡节能环保的大形势下对建筑能耗的降低具有重要的应用.中空玻璃的结构主要有外层玻璃层、中间封闭腔和内层玻璃层构成.本研究拟根据计算流体力学与传热学理论,建立中空玻璃多场（导热、对流和辐射）耦合传热过程的物理模型和数学模型，对腔内空气的流动特性进行数值计算，分别比较导热、自然对流和辐射及其耦合传热过程对中空玻璃传热系数的影响，为中空玻璃传热系数的工程计算奠定基础。

二、基本要求

1、熟悉中空玻璃多场耦合传热过程的机理；

2、学习CFD相关知识及Fluent软件包的使用方法;

3、对研究的工况建立数学模型并进行数值计算分析；

4、说明书须符合《石家庄铁道大学毕业设计（论文）手册》的规定。

三、主要技术指标

1、能够使用fluent软件包对本研究内容进行建模分析；

2、给出不同工况下的温度场和流场图；

3、根据模拟结果分析各工况下的传热系数等相关参数的变化规律；

  4、完成设计说明书，且说明书须符合《石家庄铁道大学毕业设计（论文）手册》的规定。

四、应收集的资料及设计资料

1、FluentInc。

，FLUENTUser’sGudie［OL］。

FluentInc.,2009

2、关于中空玻璃传热过程数值计算的相关论文。

五、进度计划

第1周查阅相关文献，明确工作内容;

第2—5周学习CFD基本理论，学习fluent软件包的操作；

第6—12周对中空玻璃传热过程分三种工况进行计算分析；外文资料的翻译；

第13-14周整理论文，准备答辩.

教研室主任签字

时间

年月日

毕业论文开题报告

题　目

中空玻璃传热过程的数值模拟

学生姓名

王孟旭

学号

20090776

班级

机0902—2

专业

建筑环境与设备工程

一、研究背景

随着社会的发展,在众多消耗能量的因素中，建筑能耗占的比重越来越大，现在,我国建筑能耗在总能耗所占的比例将近30％,其中门窗能耗占的比重较大，约40%

这就意味着，在门窗设计中,采用合适的材料将大大的节约能源。

中空玻璃,因为它的突出的保温隔热性能,使它成为节能中的一个重要的材料。

二、国内外研究现状

中空玻璃的结构是由三层组成,包括外层的玻璃层，中间的封闭层，内层的玻璃层，对于这种材料的传热性能，国内外很多学者进行了研究,BarakosG与MitsoulisE用避免函数法对方腔的层流与湍流自然对流换热过程进行了计算，我国的秦国良学者结合谱方法的精度和有限元的思想求解了非定常的问题，李光正学者采用非等距网格剖分求解非定常流函数-涡量方程，黄建春对正方形空腔内的层流自然对流换热进行了数值模拟,并用SIMPLE算法和乘方格式对该问题进行了详细的数值模拟。

这些研究分析了这种材料的自然对流换热问题，并没有考虑密封层辐射换热的传热过程，但是中空玻璃的传热过程应该考虑导热、自然对流和辐射三种因素，应该将三种因素耦合分析。

三、研究内容

（1）中空玻璃在导热、自然对流和热辐射作用下的传热过程原理

（2）对中空玻璃的传热特性分三种简化工况进行数值模拟分析，研究影响传热过程的因素

四、研究方法

通过CFD软件进行仿真数值模拟，通过数值模拟结果，在结合传热学理论和流体动力学理论得出最终的结论。

五、预期结果

在导热、自然对流和辐射的作用下,中空玻璃的温度从底部到顶部逐渐升高。

只有辐射和自然对流式，下降幅度较大.辐射对中空玻璃的温度场影响比较大.

五、主要参考文献

[1］秦国良，徐忠，谱元方法求解正方形密封空腔内的自然对流换热[J］.计算物理，2001，18

（2）：

119—124.

［2］李光正，马洪林，张宁，原始变量法计算密封腔内自然对流［J],华中科技大学学报。

2004,21

（2）:

4—7.

[3]黄建春，李光正，江立新，密封腔内层流自然对流换热过滤层数值研究[J］。

华中科技大学学报，2001,29（5）:

51-53.

［4]李光正，非定场流函数涡量一流函数法模拟不同高宽比和角度的腔内自然对流［J].低温与特气，2003,21（6）：

16—21。

［5］辐射换热的分析与计算［M］.北京；清华大学出版社，1998.

［6］斯帕罗EM,赛斯RD著，辐射传热［M］，顾传保，张学学译，北京;高等教育出版社，1982.111-113.

［7]郭宽良,孔祥谦,陈善年,计算传热学[M］。

合肥：

中国科技大学出版社，1988。

33—49.

[8］魏玲，何嘉鹏，姜正良。

华东地区围护结构节能研究[J］.南京航空航天大学学报，2002,34

（2）,130-133.

［9]于勇，张俊明，姜连田。

Fluent入门与进阶教程［M]。

北京:

北京理工大学出版社.2008

[10］王福军，计算流体动力学分析［M]。

北京：

西安交通大学出版社.2001

指导教师签字

时间

年月日

摘要

随着社会的发展，建筑能耗在众多消耗能量的因素中占的比重越来越大，在门窗设计中，采用合适的材料将大大的节约能源。

中空玻璃作为现代建筑中门窗常用的材料，它具有很好的保温隔热性能，并且具有很好隔音效果。

同时，建筑节能在社会中的位置越来越重要,中空玻璃的范围越来越广，因此对中空玻璃性能的研究越来越重要，所以，在现有的中空玻璃资料的基础上，要对影响中空玻璃传热系数的因素进行研究。

本设计利用Gambit软件，对中空玻璃的简化模型进行了网格的划分，并用Fluent软件对网格划分结果进行了数值模拟，在导热、自然对流和热辐射三种条件下逐个耦合进行模拟，通过对模拟结果进行分析和比较，进而对影响中空玻璃性能的因素进行研究，最终得出结论。

关键词:

中空玻璃数值模拟传热系数热辐射

Abstract

Withthedevelopmentofsociety，thebuildingenergyconsumptionismoreandmoreimportantinmanyfactorsaccountedintheproportionofenergyconsumption,UsingappropriatematerialswillgreatlysaveenergyinthedesignofdoorsandWindows，。

HollowglassasthematerialofdoorsandWindowsiscommonlyusedinmodernarchitecture,whichhasveryagoodheatpreservationandheatinsulationperformance，andhastheanverygoodsoundinsulationeffect.Atthesametime，buildingenergyconservationinthesocialpositionmoreandmoreimportant，thescopeoftheinsulatingglassismoreandmorewidely，sotheresearchonthepropertiesofinsulatingglassismoreandmoreimportant，soonthebasisoftheexistinghollowglassmaterial，itisnessarytostudyfactorsonaffectingtheheattransfercoefficientofinsulatingglass。

WithGambitsoftware，simplifiedmodelofthehollowglassisdividedintogrids。

WithFluentsoftware,maketheresultintoanumericalsimulation.Intheheatconduction，naturalconvectionandthermalradiationunderthreekindsofconditionsweresimulatedbycoupled,theanalysisofsimulationresultsandcomparison，andthentostudytheinfluencefactorsofhollowglass，eventuallycometotheconclusion.

Keywords:

hollowglassnumericalsimulationheattransfercoefficientradiation

第1章绪论

1。

1研究背景

随着社会的进步，能源消耗越来越大，尤其是建筑能耗在社会总能耗的比例越来越大，而在建筑能耗中，门窗的能耗所占的比重达到了40％左右，所以寻找一种节能的门窗材料已经成为一个节能必须的途径。

中空玻璃经历了几十年的发展，基本结构相似,但是随着科学的发展，玻璃的物理化学性质得到了很大的改进，各种高分子材料的组合应用,使得中空玻璃的隔热性能产生了很大变化，能够满足各种不同场合的需要。

发达国家能够根据具体的要求设计出适合各种场合的中空玻璃，在我国，建设部也把中空玻璃归为建筑节能材料。

这使我国中空玻璃的研究面临着很好的发展趋势和机遇。

中空玻璃以其良好的保温隔热性能使其成为一个节能的理想材料。

中空玻璃的这种良好的性能也使其成为众多学者的研究对象，然而，进行实体的试验研究需要花费大量的人力、物力以及财力，所以大部分学者通过软件数值模拟的方法进行了研究，.

1。

2国内外研究现状

1.2.1国外发展与研究动态

在国外，在建筑玻璃节能领域中，居首位的是具有强隔热、低透热和高透光率的镀膜玻璃,这种玻璃能让户外来的、符合需要的日光短波红外线透过，进入室内，而让来自室内空间供暖设备的长波红外线反射向室内，保存下来。

这种玻璃在国外市场上最为著名、最近有代表性的产品是英国皮尔金盾公司1981年推出的K性浮法玻璃。

K玻璃的膜层由氧化硅膜+氧化锌膜图层组成。

在国外，中空玻璃产量有较大发展，1989年美国中空玻璃产量为7740万

，德国1994年中空玻璃产量为3300万

加工时废弃率按15％，玻璃平均厚度按4mm计算，这两个国家中空玻璃产量分别占该两国当年浮法玻璃总产量的45％和51%。

日本中空玻璃生产相对滞后，1995年销售量为390.4万

中空玻璃产量约占其当年浮法玻璃总产量的7％左右。

很多国外学者都对这种材料进行了研究,BarakosG与MitsoulisE应用壁面函数法对方腔的层流与湍流自然对流换热问题进行了计算，DeVahlDavisG发表了密封方腔自然对流换热问题的基准解.

1.2。

2国内发展与研究动态

在国内，中空玻璃的发展非常迅速。

就国内生产线而言，从最初的卧式中空玻璃设备到目前的立式中空玻璃生产线，目前国内的中空玻璃生产线的技术全为这2种形态。

受国内销售水平和成本的制约，更智能的中空玻璃设备还没有生产和普及，还需要一个漫长的过程.

立式中空玻璃生产线与传统老式卧式中空玻璃设备的区别在于，生产效率更高。

传统的中空玻璃设备每天的生产效率智能达到300平台，而目前的立式生产线效率已经可以达到700平左右。

除了效率的提高，人工的使用也减少了大约一个人工,减少了费用支出。

立式中空玻璃生产线已经成为了市场主流，但是不是所有的客户都适合立式中空玻璃生产线。

在经济落后的县市地区，从最初的投资成本来看，卧式中空玻璃设备仍是首选，前期投资小,占地面积小，如果中空玻璃的加工数量很少，资金紧张的情况下,投资立式中空玻璃生产线就会比较吃力，而卧式设备为用户提供了很好的起步，既能满足生产需要，又减少了前期投资，设备资金和场地资金都会减少成本.

国内很多学者也对中空玻璃的性能进行了研究，李光正采用等距网格剖分的方法求解定长流函数—涡量方程，秦国良等结合谱方法的精度与有限元的思想考虑求解非定常问题，获得了不错的结果。

黄建春对正方形空腔内的层流自然对流换热进行了数值模拟，采用SIMPLE算法和乘方格式对该问题进行了详细的计算，非常详细的进行了各种方面的研究.

1。

3论文主要内容

这些研究对密封腔自然对流问题进行了研究,总结了层流自然对流换热的变化规律,但是没有考虑到空气辐射传热的问题，而中空玻璃的传热过程,应该考虑导热、自然对流和热辐射传热，属于多种因素共同作用的结果。

本文所要解决的问题就是研究真空玻璃传热过程中的影响因素，在导热、自然对流和热辐射条件下,通过fluent软件包对传热过程进行数值模拟。

本论文研究的主要内容有：

（1）中空玻璃在导热、自然对流和热辐射作用下传热过程的原理。

（2）中空玻璃物理模型和数学模型的简化

（3）影响中空玻璃传热系数的因素.

第2章中空玻璃的介绍及其传热原理

2。

1中空玻璃的发展和基本结构

2。

1。

1中空玻璃的发展

中空玻璃最早是出现在美国,在我国1966年开始研制中空玻璃，到1981年已经能生产出低温下的中空玻璃。

1983年以后，我国的玻璃企业大量从国外进口设备，生产能力逐步扩大，目前国家对建筑节能领域的投资越来越大，也有相关的法规已经出台。

1995年我国市场中空玻璃的用量约为70万平方米，到1997已经达到了500万平方米,到1999年达到了500万平方米,市场用量几乎已翻倍的速度递增，中国的中空玻璃发展已经进入了飞速发展的阶段.

2。

1。

2中空玻璃的基本结构

中空玻璃由两片或者两片以上的玻璃组合而成，中空玻璃大致可以分为三种，双层中空玻璃,三层中空玻璃和多层中空玻璃，玻璃板之间充满气体，玻璃板可以是普通的玻璃板，也可以是专用的钢化玻璃或者Low-E玻璃,中间的气体必须是干燥的。

中空玻璃的用到材质有很多，一般常用的有玻璃、密封剂、干燥剂.玻璃是所有的平板玻璃及其深加工产品,是构成中空玻璃的基本成分,密封剂是对中空玻璃的、边部进行密封,确保尽可能少的水蒸气进入中空玻璃的内部，延长中空使用寿命，干燥剂是为了保证将密封在中空玻璃内部的所有水蒸气吸附干净，并吸附随着时间的的推移而进入中空玻璃内部的水蒸气,保证中空玻璃的寿命、隔条－控制中空玻璃的内、外两片玻璃的间距，并控制外部的水蒸气在这一部分被完全隔绝,保证中空玻璃具有合理的空间层厚度和使用寿命.

中空玻璃的两侧是室外和室内的空气，传热过程比较复杂，室外空气和中空玻璃的外层玻璃以对流的方式进行换热，内外侧玻璃以对流和辐射的方式进行换热，中间空气层是通过对流的方式进行热量的传递，内外层玻璃之间也发生的辐射换热，总体来说，整个中空玻璃的传热过程是比较复杂的.

2。

2中空玻璃的优点和传热原理

2。

2.1中空玻璃的优点

中空玻璃传热过程是多个传热过程的耦合，其中，室外空气与中空玻璃的外层玻璃的传热方式是对流，传热过程符合牛顿冷却公式,在玻璃内部，热量的传递有导热和辐射两种方式,传热过程符合导热微分方程和辐射定律，中空玻璃的空气层是通过对流来传递热量的，其中两块玻璃之间也有热辐射。

总之，整个中空玻璃的传热过程就是一个多场耦合的传热过程，既有导热,对流，也有辐射。

2。

2。

2中空玻璃的传热原理

中空玻璃是一种新型的建筑材料，具有良好的隔热、隔音作用，比一般的玻璃美观实用，还可以降低建筑物的自重。

中空玻璃的两片玻璃之间形成了一定的厚度，所以限制了空气的流动或者其他气体层的流动，因而减少了空气的对流和热传导，因此它具有良好的隔热能力。

中空玻璃的单片也可以采用镀膜玻璃或者其他的节能玻璃，这样，中空玻璃能将这些玻璃的优点集于一身，从而发挥更好的性能,在辐射方面,如果在中空玻璃的外片选择反射玻璃，这样中空玻璃还具有控制太阳能的作用。

中空玻璃具有很好的保暖防霜作用，在室外温差过大的情况下，一般的单层玻璃由于内外冷热交加,玻璃就会结一层冰霜，特别是阴面会有更厚的冰霜，如果是中空玻璃的话，温度比单层高上几倍，冰霜就不会出现了，因而起着保暖、防霜的作用.

中空玻璃还具有很好的隔音作用，中空玻璃内部密封的空气，由于胶条内的干燥作用，成为导声系数很低的干燥空气，从而构成了一道隔音屏障，如果使用两片厚度不同的玻璃制成的真空玻璃，由于声波在不同介质中的传播时的折射率不同，致使声波通过中空玻璃时，两种介质的边界产生折射,大部分的声波反射回去，并且壁面了声音的共振,使得隔音效果更为显著。

第3章计算流体动力学基本理论

3。

1计算流体动力学的起源

计算流体力学（ComputationalFluidDynamics）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析.他作为流体力学的一个分支产生于第二次世界大战前后，在20世纪60年代左右逐渐形成了一门独立的学科。

总的来说随着计算机技术及数值计算方法的发展，我们可以将其划分为三个阶段：

第一,初始阶段，这期间的主要研究内容是解决计算流体力学中的一些基本的理论问题，如模型方程（湍流、流变、传热、辐射、气体－颗粒作用、化学反应、燃烧等）、数值方法（差分格式、代数方程求解等）、网格划分、程序编写与实现等，并就数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确解进行比较,以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律。

第二,工业应用阶段,随着数值预测、原理、方法的不断完善,关键的问题是如何得到工业界的认可，如何在工业设计中得到应用,因此，该阶段的主要研究内容是探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用。

同时，CFD技术开始向各种以流动为基础的工程问题方向发展，如气固、液固多相流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等。

但是，这些研究都需要建立在具有非常专业的研究队伍的基础上，软件没有互换性，自己开发,自己使用，新使用的人通常需要花相当大的精力去阅读前人开发的程序,理解程序设计意图，改进和使用。

第三，快速发展阶段，CFD在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果，在学术界得到了充分的认可。

同时Spalding领导的CHAM公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工作,Patankar也在美国工程师协会的协助下,举行了大范围的培训，皆在推广应用CFD，然而，工业界并没有表现出太多的热情。

1985年的第四界国际计算流体力学会议上,Spalding作了CFD在工程设计中的应用前景的专题报告，在该报告中，他将工程中常见的流动、传热、化学反应等过程分为十大类问题，并指出CFD都有能力加以解决，分析了工业界不感兴趣，是因为软件的通用性能不好，使用困难。

3。

2计算流体动力学的基本原理

3。

2.1计算流体动力学的内容

任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础的.这些基本定律可由数学方程组来描述，计算流体力学可以看做是在流动基本方程，控制下对流体的数值仿真模拟.通过这些数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些量随时间变化的情况，确定是否产生涡流，涡流分布特性及脱流区域等。

计算流体力学以理论流体力学和计算数学为基础，是这两门学科的交叉学科。

主要研究把描述流体运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程，建立可在计算机上求解的算法。

广义而言，可从流体现象出发,直接建立满足流动规律的、适当的离散数值模型，而不必经由已有的流体力学偏微分方程组。

通过时空离散化,把连续的时间离散成间断的有限的时间.把连续的介质离散成间断有限的空间模型，从而把偏微分方程转变成有限的代数方程。

因此，数值方法的实质就是离散化和代数化。

离散化-把无限信息系统变成有限信息系统；代数化—把偏微分方程变成代数方程.而离散的数值解一般可用两种形式给出：

网格点上的近似值，如差分法；单元中易于计算的近似表达式，如有限元、边界元法.

CFD包括对各种类型的流体（气体、液体及特殊情况下的固体），在各种速度范围内的复杂流动在计算机上基进行数值模拟的计算。

它涉及用计算机寻求流动问题的解和流体动力学研究中计算机的应用两方面问题。

计算机科学及超级计算机的发展为CFD技术的发展提供了舞台。

3.2。

2计算流体动力学的主要公式

流动和传热都遵循三个基本规律：

质量守恒、动量守恒、能量守恒,因为模型已经简化成二维的，并且可以近似的考虑为稳态传热问题，所以适用的公式应该是二维稳态的。

任何流动问题都必须满足质量守恒定律，该定律可表述为，单位时间内流体微元体中质量的增加,等于同一之间间隔内流入该微元体的净质量，公式如下：

（4.1）

其中

是密度，

、

是速度矢量在x、y方向的分量。

动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律，该定律可表述为：

微元体中流体的动量对时间的变化率等于未接作用在该微元体上的各种力之和.该定律实际上是牛顶第二定律。

公式如下：

（4.2）

（4.3）

式中,grad（）=

（）/

（

）+（）/

y,、

、

是动量守恒方程的广义源项。

能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律，该定律表示为：

微元体中能量的增加率等于进入该微元体的净热量加上体力与面力对微元体所做的功。

该定律实际是热力学第一定律.其公式如下:

（4.4）

式中,

是比热容，T为温度，k为流体的传热系数，

为流体的内热源.

物体在向外发射辐射能的同时，也会不断地吸收周围其它物体发射的辐射能，并将其重新转变为热能，这种物体间相互发射辐射能和吸收辐射能的传热过程称为辐射传热。

若辐射传热是在两个温度不同的物体之间进行，则传热的结果是高温物体将热量传给了低温物体，若两个物体温度相同，则物体间的辐射传热量等于零，但物体间辐射和吸收过程仍在进行，这个过程是满足辐射方程的,公式如下：

（4。

4）

式中：

——位置向量σ——斯蒂芬—波尔兹曼常数

—-方向向量α——吸收系数

-—散射系数I——辐射强度

-—散射方向Φ-—相位函数

n—-折射系数Ω—-空间立体角

s-—沿程长度

第4章辐射模型和流动模型的选择

4。

1辐射传热模型的选择

4.1.1常见的辐射模型

FLUENT中主要有5种辐射模型:

DTRM模型、P1模型、Rosseland模型、DO模型、S2S模型，各个模型的优势和局限如下：

DTRM模型：

这个模型的优点是较为简单,通过增加射线数量来提高