شبيه‌سازي دقيق و سريعتر از زمان واقعي جريان هوا در ساختمان با استفاده از ديناميك سيالات سريع

Accurate and faster than real-time simulation of indoor airflow by using fast fluid dynamics

يكي از مرسوم‌ترين روش‌هاي مدلسازي انرژي در ساختمان، روش چند ناحيه‌اي است. مشكل اساسي اين روش عدم توانايي ارائه اطلاعات جزئي و دقيق از جريان هوا مي‌باشد. براي دستيابي به اطلاعات جزئي‌تر مي‌توان از روش ديناميك سيالات محاسباتي استفاده نمود، اما زمان محاسبات طولاني، كاربرد اين روش را محدود مي‌سازد. بنابراين نياز است از روشي با سرعت محاسبات بالا با توانايي ارائه جزئيات جريان هوا با دقت كافي استفاده نمود. بدين منظور در اين پژوهش روش ديناميك سيالات سريع كه داراي الگوريتم حل بدون قيد و شرط پايدار مي‌باشد ارائه شده است. براي بررسي اين روش، چهار مسئله جريان درون حفره، جريان درون كانال، جريان با جابجايي طبيعي و جريان با جابجايي اجباري بررسي شده و نتايج با داده‌هاي آزمايشگاهي، نتايج تحليلي و نتايج ديناميك سيالات محاسباتي مقايسه و صحه‌گذاري شده است. تمركز اصلي اين پژوهش، افزايش سرعت حل به روش ديناميك سيالات سريع مي‌باشد. بدين منظور زنجيره معادلات اصلاح شده و از روش عددي مناسب براي حل معادلات استفاده شده است. با بكارگيري اين حلگر، زمان شبيه‌سازي مسائل فوق بين 52 تا 94 درصد نسبت به روش ديناميك سيالات محاسباتي كاهش يافته و شبيه‌سازي آن‌ها به صورت سريعتر از زمان واقعي روي يك سيستم كامپيوتري معمولي ميسر شده است.

The multizone model is one of the most popular models for simulating indoor energy and airflow; however, its basic problem is that it cannot provide detailed and accurate airflow information. Computational fluid dynamics can be used to obtain detailed airflow information but is restricted due to its high computational cost. Therefore, it is necessary to develop a model which can provide detailed airflow information with reasonable accuracy and computational time. In this study, fast fluid dynamics, which has an unconditionally stable algorithm, is proposed. To investigate this model, four case studies of flow in a lid-driven cavity, flow in a channel, natural and forced flow convention are analyzed, and the results are compared and validated with computational fluid dynamics, experimental data, and analytical solution. The main focus of this study is increasing the computational speed of fast fluid dynamics. For this purpose, the sequence of equations has been modified and suitable numerical methods have been applied to solve each equation. Using the proposed fast fluid dynamics solver, the simulation time of the case studies has decreased between 52 to 94 percent compared to computational fluid dynamics and faster than real-time simulation has been achieved on a conventional computer system.