BİR OFİS İÇİN TERMAL KONFOR ANALİZİNİN HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ YÖNTEMİ İLE MODELLENMESİ VE SAYISAL ÇÖZÜMÜ Hazırlayan : Kadir ÖZDEMİR No : 4510910013 Tarih : 25.11.2014
KONULAR 1. ÖZET...2 2. GİRİŞ.........3 3. ANALİZ MODELİNİN TANIMI...4 4. SINIR KOŞULLARI VE ÇÖZÜM YÖNTEMİ...8 4.1. HIZ DAĞILIMI...11 4.2. SICAKLIK DAĞILIMI...12 4.3. DRAUGHT RATING...13 4.4. KÜTLESEL CO2 ORANI...14 1
ÖZET Bilgisayar destekli mühendislik analizleri için gerekli 3 aşamadan bahsedilebilir. Bu çalışma 3 aşamadan oluşmaktadır. Birincisi Pre-Processing dediğimiz ön hazırlık süreci, ikincisi solution process dediğimiz çözüm işlemi ve Post Processing olarak adlandırılan sonuçların görüntülenmesi işlemidir. Ön hazırlık sürecinde ofis modelinin akış hacmi oluşturulmuştur. Akış hacmi oluşturulurken dikkat edilmesi gereken noktalardan en önemlisi nasıl bir sayısal ağın istendiğidir. Genelde akış analizlerinde sayısal ağın homojenliği ve sayısal ağ kalitesi sonuçların doğruluğu ve çözüm işlemindeki yakınsama kriterlerini büyük ölçüde etkilemektedir. Bu yüzden ön hazırlık sürecinde homojen bir sayısal ağ için geometri bu amaca yönelik şekilde parçalara ayrılmıştır ve sınır koşulları (boundary conditions) ve hacim koşullarının belirlenmesi için isim tanımlamaları (named selections) belirlenmiştir. Çözüm sürecinde ise problemimiz bir doğal konveksiyon problem olduğu için öncelikle yer çekimi aktif edilmiş,hava ideal gas olarak tanımlanmş ve termal çözüm yapılacağı için enerji denklemlerinin çözümü aktif hale getirilmiştir. Akış türbülanslı bir akış olacağı için viscous model olarak RNG k-epsilon seçilmiştir. RNG k-epsilon modeli iç termal akış problemlerinde diğer yöntemlere göre daha doğru bir çözüm sağlamaktadır. Çözüm yöntemi olarak kötü kalitede elemanlar için etkili olan Green-Gause Node Based yöntemi seçilmiş ve birinci dereceden denklemler tanımlanmıştır. Rahatlatma katsayıları dediğimiz bölüm ise problemin yakınsaması ile ilgili sorunlar olduğunda gerekli bir kısımdır. Burada sadece energy 0,95 olarak belirlenmiş diğerleri ilk 1500 iterasyon için yakınsama kontorl edilerek değiştirilmiştir. 2
1. GİRİŞ Tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de binalarda dış akış analizleri, iç akış analizleri binaların güvenliği ve konfor açısından nem kazanmaktadır.. Bu raporunda ana konusunu oluşturan, termal konfor analizi özellikle enerji verimliliği ve ofis içerisinde yaşayan insanların rahatı bakımından önemlidir. Bu analizler ve hesaplamalar, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Bu metod, kabaca akışkanların akışını ve katıyla olan etkileşimini tanımlayan matematiksel denklemlerin nümerik metodlarla çözülmesi olarak tanımlanabilir. HAD analizleri genel olarak üç aşamadan oluşmaktadır. Bu aşamalar işlem sırasına göre; Katı model ve sayısal ağ tabakasının oluşturulması Sınır şartlarının ve çözüm ayarlarının tanımlanması, çözümün yapılması Sonuçların işlenmesi ve yorumlanması olarak sıralanabilir. Bu adımlardan katı model ve sayısal ağ tabakası oluşturulması ile ilgili işlemler Modelleme ve Ağ Çalışmaları başlığı altında, sınır şartları ve çözüm ayarlarının tanımlanması ile ilgili işlemler özet başlığı altında ve analiz modeli blümünde detaylı olarak anlatılmıştır. Sonuçlar ise Sonuçlar başlıklı kısımda ele alınmıştır. 3
2. ANALİZ MODELİNİN TANIMI Analizi yapılacak modelin 3 boyutlu görünümü Şekil 1. de görülmektedir. Model boyutlar 5m x 3m x 3m^dir Şekil 1. Üç Boyutlu Katı Model 4
Şekil 2. Sayısal Ağ Üç boyutlu model hazırlığından sonraki adımda hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözümü için modelin sayısal ağı hazırlanmıştır. Bu aşamda modelin doğru şekilde çözülebilmesi için belirli sayıda sonlu hacimlere ayrıklaştırma işlemi yapılmaktadır. Modelin bazı bölgelerinde inlet ve outlet bölümlerinde daha küçük elamanlar oluşturulmuştur. Sonlu hacimeler ağı hexagon elemanlar kullanılarak oluşturulmuştur ve toplam eleman sayısı yaklaşık 136000 dir. Sayısal ağ kalitesi ise maksimum 0,599 dur ve bu kalitede yaklaşık 90 adet eleman vardır. Buda bütün hacim dikkate alındığında az bir orandır. Sayısal ağ resimleri Şekil 2, Şekil 3 ve Şekil 4 te görülmektedir. 5
Şekil 3. Sayısal Ağ Kesit Görünümü Şekil 4. Sayısal Ağ Kalitesi 6
Şekil 5. İsimlendirmeler 7
3. SINIR KOŞULLARI VE ÇÖZÜM YÖNTEMİ Bu bölümde problemin doğru şekilde çözülebilmesi için gerekli türbülans modeli, sınır şartları ve çözücü ayarları özet bölümünde bahsedilmiştir. Şekil 6 daki resimde tanımlanan sınır şartları görülmektedir. Şekil 6. Sınır Şartları 8
4. ANALİZ SONUÇLARI Şekil 11. 2298 iterasyon sunucunda yakınsama kriterleri Şekil 11 görüldüğü gibi iterasyon hassasiyeti 10-4 civarındadır. Toplam ısı transfer miktarı ise Şekil 12 de görülmektedir. Bu değerlerin iterasyon sayısı, sayısal ağ kalitesi ve sayısal ağ sayısına göre küçük oranlarda değişiklik göstermekte olduğu yapılan denemelerden anlaşılmıştır. 9
Şekil 12. Isı Transfer miktarı Şekil 13. Giriş ve çıkıştaki toplam debi (kg/s) 10
4.1. HIZ DAĞILIMLARI Şekil 14. Akış Çizgileri Şekil 15. Orta Kesitteki Akış Çizgileri 11
4.2. SICAKLI DAĞILIMI Şekil 16. Orta Kesitteki Sıcaklık Dağılımı Şekil 17. Zeminden sonra 1m ve 2m yükselikteki sıcaklık dağılımı 12
Şekil 18. Her 1m de sıcaklık dağılımı Şekil 19. 22ºC ve 23 ºC sıcaklıkların oldığı bölgeler 13
4.3. DRAUGHT RATING 4.4. KÜTLESEL CO2 ORANI Şekil 19. Draught Rating Şekil 20. Gradient İyileştirme 14
Şekil 21. Local bölgedeki CO2 kütlesel oran Şekil 22. Kesitlerdeki CO2 oranı 15
Şekil 23. CO2 oranının hacimsel gösterimi Şekil 23. Giriş ve Çıkışlardaki ortalama sıcaklık değerleri 16