在設(shè)計(jì)設(shè)備或工藝流程時(shí)，除了研究系統(tǒng)本身之外，很重要的是還要考慮周圍環(huán)境的影響。借助歷史氣象數(shù)據(jù)對不同時(shí)間地點(diǎn)的氣候模式進(jìn)行深入研究，我們可以確定這方面的影響。讓我們來詳細(xì)探討一下這些數(shù)據(jù)如何協(xié)助我們作出更優(yōu)的設(shè)計(jì)決策，尤其是在進(jìn)行傳熱模擬時(shí)。

變幻莫測的氣候

如果您像我一樣，經(jīng)常查看手機(jī)上的天氣 App，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，之前預(yù)報(bào)為寒冷、下雨的周末在短短幾天甚至幾小時(shí)內(nèi)，就變得炎熱和晴朗。這種變化相當(dāng)普遍，有時(shí)正好發(fā)生在您的眼前，如下圖所示。

晴空中的雨云。

氣候就其本質(zhì)而言，是一種復(fù)雜的、不可預(yù)知的力量。研究各種氣候現(xiàn)象很困難，因?yàn)榉治鰰r(shí)需要考慮很多因素，從溫度和降水到濕度和風(fēng)，不一而足。一種有價(jià)值的預(yù)測天氣的方法就是參考過去的氣象數(shù)據(jù)。

美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì) (ASHRAE) 等組織收集了全世界 6000 多個(gè)氣象站過去多年的歷史數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包含與天氣有關(guān)的諸多因素，包括溫度、濕度、太陽輻射及典型風(fēng)速。這些信息有助于我們深入了解不同地點(diǎn)在一年內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)的氣候狀況，基于這些預(yù)測信息我們就能作出更精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)決策。

讓我們詳細(xì)分析一下氣象數(shù)據(jù)究竟可以用于何處。

歷史氣象數(shù)據(jù)助力優(yōu)質(zhì)設(shè)計(jì)決策

在建筑設(shè)計(jì)中，能源效率是一個(gè)需要考慮的關(guān)鍵因素。節(jié)約能源不僅降低了整體成本，同時(shí)還能最大限度地減少污染和對自然資源的消耗。在確保房屋居住者熱舒適度的同時(shí)確保能源效率，這要求我們充分了解建筑物所承受的熱負(fù)荷。建筑物周圍的氣候特點(diǎn)因此成為一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊憻嶝?fù)荷。

在建筑設(shè)計(jì)中，從小型建筑到如上圖所示的摩天大樓，能源效率都是一個(gè)重要考慮因素。

現(xiàn)在，讓我們將目光轉(zhuǎn)向嵌入式電子系統(tǒng)，例如交通燈或雷達(dá)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷都是為了確保安全，但這就要求它們能根據(jù)預(yù)期設(shè)置良好地運(yùn)轉(zhuǎn)。如需進(jìn)行這些測試，就要了解氣候模式是如何影響這些系統(tǒng)的，從標(biāo)準(zhǔn)天氣狀況到更極端的氣候環(huán)境都要有所涉及。

交通燈是一個(gè)受天氣影響的嵌入式電子系統(tǒng)的例子。

對于以上這些例子，我們了解了設(shè)計(jì)方案時(shí)需考慮的要點(diǎn)。通過參考?xì)v史氣候數(shù)據(jù)，我們可以更精確地考量建筑物要經(jīng)受的熱特性，如有必要，變更設(shè)計(jì)以滿足各自的設(shè)置。

氣象數(shù)據(jù)在傳熱仿真中的價(jià)值

那么，氣象數(shù)據(jù)如何運(yùn)用到仿真研究中呢？正如我們在這里強(qiáng)調(diào)的，氣象數(shù)據(jù)可以直接作為許多傳熱仿真的輸入。直接獲取這些信息有助于加快建模過程，因?yàn)槌O(shè)計(jì)本身外無需再建立一個(gè)熱模型，由于氣候的不可預(yù)知本質(zhì)，建立這樣一個(gè)熱模型是非常困難的。因此，工程師和研究人員可以針對具體地點(diǎn)和時(shí)間點(diǎn)簡單地選擇數(shù)據(jù)，并運(yùn)用到分析研究中，從而提高了分析速度和精度。

氣象數(shù)據(jù)不僅可用于典型天氣狀況下設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可以使設(shè)計(jì)人員觀測到設(shè)備在極端天氣條件下的運(yùn)行狀況。例如，可以參考已記錄的極端天氣最大值或最小值。這兩個(gè)數(shù)據(jù)都證明過去幾年的氣象資料比對未來幾天和幾周的天氣預(yù)報(bào)更有價(jià)值。

綜上所述，我們已經(jīng)探討了傳熱仿真中運(yùn)用氣象數(shù)據(jù)的一些優(yōu)勢。不久，您就可以借助即將發(fā)布的、包含最新功能的 COMSOL Multiphysics 簡單地將此類氣象數(shù)據(jù)運(yùn)用到您自己的仿真中。