CFD在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用

CFD在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域

CFD軟件的功能及數(shù)值模擬的分類CFD技術(shù)在空調(diào)中的應(yīng)用方法應(yīng)用實例1.CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域

CFD（ComputationalFluidDynamics，計算流體動力學(xué)）是目前國際上一個強有力的研究領(lǐng)域。它的產(chǎn)生可以追溯到20世紀(jì)30年代初，是流體力學(xué)、數(shù)值計算方法以及計算機圖形學(xué)三者相互結(jié)合的產(chǎn)物。1974年，丹麥的尼爾森(P.V.Nielsen)首次將CFD技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)工程，模擬室內(nèi)空氣流動情況，標(biāo)志著CFD技術(shù)開始應(yīng)用于分析工程中的流動問題。CFD是目前國際上一個強有力的研究領(lǐng)域，是進(jìn)行“三傳”（傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞）及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心與重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于熱能動力、航空航天、機械、土木水利、環(huán)境化工、暖通空調(diào)及空氣凈化等諸多工程領(lǐng)域。1.CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域CFD主要可用于解決以下幾類暖通空調(diào)工程的問題：通風(fēng)空調(diào)房間氣流組織設(shè)計建筑外環(huán)境分析設(shè)計室內(nèi)空氣品質(zhì)研究建筑設(shè)備性能的研究改進(jìn)1.CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域CFD可以預(yù)測仿真通風(fēng)空調(diào)空間的氣流分布情況能考慮室內(nèi)各種可能的內(nèi)擾、邊界條件和初始條件能全面地反映室內(nèi)氣流分布情況，從而發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的氣流組織方案，以指導(dǎo)設(shè)計，使其達(dá)到良好的通風(fēng)空調(diào)效果（1）通風(fēng)空調(diào)房間氣流組織設(shè)計1.CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域建筑外環(huán)境對建筑內(nèi)部居住者的生活有重要的影響，建筑小區(qū)二次風(fēng)、小區(qū)熱環(huán)境等問題日益受到人們的關(guān)注。采用CFD可以方便地對建筑外環(huán)境進(jìn)行模擬分析，從而設(shè)計出合理的建筑風(fēng)環(huán)境。通過模擬建筑外環(huán)境的風(fēng)流動情況，還可進(jìn)一步指導(dǎo)建筑內(nèi)的自然通風(fēng)設(shè)計等。（2）建筑外環(huán)境分析設(shè)計1.CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域（3）室內(nèi)空氣品質(zhì)研究利用CFD技術(shù)研究室內(nèi)空氣品質(zhì)問題，主要是通過模擬得到室內(nèi)各個位置的風(fēng)速、溫度、相對濕度、污染物濃度等參數(shù)，從而評價通風(fēng)換氣效率、熱舒適和污染物排除效率等。1.CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域暖通空調(diào)工程的許多設(shè)備，如風(fēng)機、蓄冰槽、空調(diào)器等，都是通過流體工質(zhì)而工作的，流動情況對設(shè)備性能有著重要的影響。通過CFD模擬計算設(shè)備內(nèi)部的流體流動情況，可以研究設(shè)備性能，從而改進(jìn)其工作，降低建筑能耗，節(jié)省運行費用。

（4）建筑設(shè)備性能的研究改進(jìn)2用CFD方法解決問題的一般步驟在這種設(shè)計過程中,設(shè)計可行與否往往取決于試驗,為保證性能穩(wěn)定,就不得不進(jìn)行大量試驗,而且,產(chǎn)品方案的篩選和優(yōu)化是在設(shè)計、制造、測試部門之間進(jìn)行大循環(huán),由于牽涉的環(huán)節(jié)多,產(chǎn)品的開發(fā)周期長,費用高;對工程設(shè)計而言,往往需要進(jìn)行方案選擇、優(yōu)化,這一工作一般是靠經(jīng)驗完成,難免導(dǎo)致方案可靠性降低,從而引起設(shè)計失敗。計算流體力學(xué)即CFD的應(yīng)用則改變了傳統(tǒng)的設(shè)計過程,由于CFD軟件可以相對準(zhǔn)確地給出流體流動的細(xì)節(jié),如速度場、壓力場、溫度場或濃度場分布的時變特性,因而不僅可以準(zhǔn)確預(yù)測流體產(chǎn)品的整體性能,而且很容易從對流場的分析中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或工程設(shè)計中的問題,據(jù)此提出的改進(jìn)方案只需重新計算一次就可以判斷、評估改進(jìn)是否有效,并更容易得到某些規(guī)律性的知識。3.CFD軟件的功能及及數(shù)值模擬的的分類（1）CFD軟件的功能CFD軟件幾乎包羅羅了所有現(xiàn)行行的解析手法法、數(shù)學(xué)物理理模型。--離散化：MAC法和SIMPLE法--紊流模型：以以標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型居多--解析坐標(biāo)系：：多采用直交交坐標(biāo)3.CFD軟件的功能及及數(shù)值模擬的的分類按解析的著眼眼點分為：--時間變動特性性解析--空間分布解析析（一般用于于熱負(fù)荷預(yù)測測解析）按規(guī)模分為：：--宏觀解析--微觀解析（用用于氣流分布布、溫濕度、、氣體濃度分分布的解析））（2）計算機數(shù)值值模擬的分類類這里主要介紹紹氣流分布、、溫濕度、氣氣體濃度分布布的解析。（以建筑空間間為對象）4.CFD技術(shù)在暖通空空調(diào)中的應(yīng)用用方法空調(diào)設(shè)計的目目的室內(nèi)氣流的構(gòu)構(gòu)造、分布特特征4.CFD技術(shù)在暖通空空調(diào)中的應(yīng)用用方法實現(xiàn)所要求的的室內(nèi)氣候環(huán)環(huán)境：--溫濕度、氣流流、污染物質(zhì)質(zhì)濃度等的分分布。系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)設(shè)備選型要求求：--在技術(shù)上要可可行，在經(jīng)濟濟上要合理。。4.1暖通空調(diào)設(shè)計計的目的4.CFD技術(shù)在暖通空空調(diào)中的應(yīng)用用方法計算流體力學(xué)學(xué)(CFD)是除模型實驗驗外，可詳細(xì)細(xì)解析三次元元室內(nèi)氣流的的唯一手段。。利用CFD技術(shù)，可更有有效地了解室室內(nèi)氣流的構(gòu)構(gòu)造、分布特特征。為合理的系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備備選型提供有有益的參考資資料。4.2室內(nèi)氣流的構(gòu)構(gòu)造、分布特特征CFD基本上都是通通過求解一組組非線性偏微微分方程數(shù)值值模擬流體流流動的物理過過程，這些偏偏微分方程描描述了基本的的物理規(guī)律，，如質(zhì)量，動動量和能量守守恒。室內(nèi)空氣流動動的驅(qū)動力是是壓力差，這這些壓力差主主要是由于風(fēng)風(fēng)速，熱浮升升力，機械通通風(fēng)系統(tǒng)中某某一種或者某某幾種共同作作用而產(chǎn)生。。微分方程組5.CFD技術(shù)的理論方方法當(dāng)把CFD用于IAQ(IndoorAriQuality)領(lǐng)域時，運用用控制容積的的方法推導(dǎo)N一s方程程描描述述質(zhì)質(zhì)量量和和動量量守守恒恒，同同時時應(yīng)應(yīng)用用能量量守守恒恒和質(zhì)量量守守恒恒定律律。。在在三三維維笛笛卡卡兒兒坐坐標(biāo)標(biāo)系系中中，，偏偏微微分分方方程程分分別別表表示示了了室室內(nèi)內(nèi)氣氣流流流流動動，，熱熱交交換換和和污污染染物物的的遷遷移移。。5.CFD技術(shù)術(shù)的的理理論論方方法法X方向向動動量量守守恒恒Y方向向動動量量守守恒恒Z方向向動動量量守守恒恒質(zhì)量量守守恒恒5.CFD技術(shù)術(shù)的的理理論論方方法法污染染物物濃濃度度守守恒恒能量量守守恒恒5.CFD技術(shù)術(shù)的的理理論論方方法法紊流流能能量量傳傳遞遞方方程程紊流流能能量量耗耗散散率率方方程程5.CFD技術(shù)術(shù)的的理理論論方方法法6.CFD技術(shù)術(shù)在在暖暖通通空空調(diào)調(diào)中中的的應(yīng)應(yīng)用用方方法法空調(diào)調(diào)設(shè)設(shè)計計的的目目的的室內(nèi)內(nèi)氣氣流流的的構(gòu)構(gòu)造造、、分分布布特特征征實現(xiàn)現(xiàn)所所要要求求的的室室內(nèi)內(nèi)氣氣候候環(huán)環(huán)境境：：--溫濕濕度度、、氣氣流流、、污污染染物物質(zhì)質(zhì)濃濃度度等等的的分分布布。。系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)設(shè)計計及及設(shè)設(shè)備備選選型型要要求求：：--在技技術(shù)術(shù)上上要要可可行行，，在在經(jīng)經(jīng)濟濟上上要要合合理理。。6.1暖通通空空調(diào)調(diào)設(shè)設(shè)計計的的目目的的6.CFD技術(shù)術(shù)在在暖暖通通空空調(diào)調(diào)中中的的應(yīng)應(yīng)用用方方法法計算算流流體體力力學(xué)學(xué)(CFD)是除除模模型型實實驗驗外外，，可可詳詳細(xì)細(xì)解解析析三三次次元元室室內(nèi)內(nèi)氣氣流流的的唯唯一一手手段段。。利用CFD技術(shù)，可更有有效地了解室室內(nèi)氣流的構(gòu)構(gòu)造、分布特特征。為合理的系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備備選型提供有有益的參考資資料。6.2室內(nèi)氣流的構(gòu)構(gòu)造、分布特特征6.CFD技術(shù)在暖通空空調(diào)中的應(yīng)用用方法在傳統(tǒng)的室內(nèi)內(nèi)氣流組織設(shè)設(shè)計中，對送送風(fēng)口、回風(fēng)口以及室內(nèi)內(nèi)熱源等各因因素的影響:（1）傳統(tǒng)的室內(nèi)內(nèi)氣流組織設(shè)設(shè)計往往只能憑個個人對物理現(xiàn)現(xiàn)象(氣流、傳熱)的理解，憑經(jīng)經(jīng)驗進(jìn)行單純純的合成(即線性近似)，進(jìn)行設(shè)計。。但由于各參數(shù)數(shù)間的相互影影響，實際上上是呈非線性性關(guān)系，因此此不能單純地地合成，如圖所示。對這樣非線性性問題的解析析，使用計算算流體力學(xué)(CFD)就得心應(yīng)手了了。6.CFD技術(shù)在暖通空空調(diào)中的應(yīng)用用方法物理現(xiàn)象的疊疊加關(guān)系對描述流體物物理現(xiàn)象的基基礎(chǔ)方程式(運動方程、質(zhì)質(zhì)量守恒、能能量守恒等聯(lián)聯(lián)立偏微分方方程)作離散化處理理，實現(xiàn)數(shù)值值解析。離散化處理的的對象：是作作為獨立變量量的時間、空空間變量，求求出其對應(yīng)的的參數(shù)速度、、壓力等。離散化處理(時間、空間的的分割)：直接與計算算機的能力(計算速度、內(nèi)內(nèi)存容量)相關(guān)。分割(時間間隔、計計算格子)：越細(xì)，對計計算機的能力力要求就越高高(解析精度也就就相對高)。（2）計算流體力力學(xué)6.CFD技術(shù)在暖通空空調(diào)中的應(yīng)用用方法常見空調(diào)設(shè)計計中的流體解解析問題：大大都為紊流問問題。對紊流現(xiàn)象用用計算機直接接計算從計算算時間、計算算機內(nèi)存容量量上近于不可可能。紊流模型：在在工程上，著著眼于流場的的主流。在對對微小渦流構(gòu)構(gòu)造忽略的前前提下，近似似的將瞬時變變化的紊流部部分作時間平平均化處理，，從而產(chǎn)生了了紊流模型。。（3）暖通空調(diào)設(shè)設(shè)計中的流體體解析問題6.CFD技術(shù)在暖通空空調(diào)中的應(yīng)用用方法室內(nèi)氣流組織織設(shè)計過程中中應(yīng)考慮的因因素紊流部分的時時間平均化處處理：有各種種方法，如導(dǎo)導(dǎo)入渦粘性系系數(shù)的方法，，即半經(jīng)驗型型K-ε方程式紊流模模型--K為紊流能量--ε為紊流消失率率--由k、ε求出渦粘性系系數(shù)CFD的解析流程：--解析范圍確定定計計算格子劃分分CFD解析。6.CFD技術(shù)在暖通空空調(diào)中的應(yīng)用用方法CFD解析流程將解析范圍分分割成微小計計算格子。計算格子的分分類：--直交(構(gòu)造型)--非直交(非構(gòu)造型)型格子①計算格子劃分分6.CFD技術(shù)在暖通空空調(diào)中的應(yīng)用用方法對解析范圍做做直交格子分分割。有時可能會使使用過多的格格子，雖然浪浪費計算機的的內(nèi)存容量，，但解析的穩(wěn)穩(wěn)定性較佳。。計算格子分割割類型直交型格子的的特點：6.CFD技術(shù)在暖通空空調(diào)中的應(yīng)用用方法適用于復(fù)雜的的形狀。配置的自由度度大，可根據(jù)據(jù)需要自由調(diào)調(diào)整格子大小小，這樣就節(jié)節(jié)約了計算機機的內(nèi)存容量量。解析的穩(wěn)定性性欠佳，收斂斂所需時間長長。計算格子分割割類型非直交型格子子的特點：6.CFD技術(shù)在暖通空空調(diào)中的應(yīng)用用方法此外，利用復(fù)復(fù)數(shù)的直交系系格子構(gòu)成的的復(fù)合系格子子也得到廣泛泛利用。非直交型應(yīng)用用實例6.CFD技術(shù)在暖通空空調(diào)中的應(yīng)用用方法物理模式：對對應(yīng)于各種物物理現(xiàn)象(層流，低雷諾諾數(shù)/高雷諾數(shù)紊流流等)的物理模式被被不斷開發(fā)出出來。物理模式的選選擇：根據(jù)解解析對象做合合理的選擇。。對解析對象進(jìn)進(jìn)行合理的分分析，適當(dāng)?shù)氐剡x擇對稱面面，可簡化解解析范圍，節(jié)節(jié)約計算機的的內(nèi)存容量和和計算時間。。②解析物理模式式6.CFD技術(shù)在暖通空空調(diào)中的應(yīng)用用方法解析范圍的形形狀確定后，，邊界條件主主要有室內(nèi)空空調(diào)負(fù)荷(包括墻墻面的的傳熱熱)，送、、回風(fēng)風(fēng)口的的設(shè)置置，吹吹出、、吸入入條件件等。。其中太太陽輻輻射熱熱負(fù)荷荷條件件的確確定較較麻煩煩。通通過別別的途途徑將將熱負(fù)負(fù)荷條條件解解析后后作為為CFD的傳熱熱邊界界條件件。邊界條條件設(shè)設(shè)定：：妥善善與否否，會會左右右CFD的解析析的正正確性性、效效率及及精度度。CFD解析的的關(guān)鍵鍵問題題：如如何明明確解解析對對象，，選擇擇具有有代表表性的的解析析要素素是CFD解析的的關(guān)鍵鍵問題題。③邊界條條件的的設(shè)定定6.CFD技術(shù)在在暖通通空調(diào)調(diào)中的的應(yīng)用用方法法④邊界條條件的的設(shè)定定需注注意的的問題題1）空調(diào)調(diào)方式式、空空調(diào)負(fù)負(fù)荷作作為邊邊界條條件時時的不不確切切性許多CFD解析，，為了了簡化化邊界界條件件，減減少輸輸入條條件，，往往往將空空調(diào)負(fù)負(fù)荷作作為固固定的的邊界界條件件，但但嚴(yán)格格地說說，室室內(nèi)空空調(diào)負(fù)負(fù)荷是是受室室內(nèi)氣氣流、、溫度度分布布影響響的。。6.CFD技術(shù)在在暖通通空調(diào)調(diào)中的的應(yīng)用用方法法當(dāng)解析析對象象空間間是獨獨立空空間時時，解解析范范圍、、邊界界條件件的確確定是是較容容易的的。當(dāng)解析析對象象是半半開放放空間間(如中庭庭開放放空間間)，與其其他空空間相相接時時，就就要求求對相相互影影響加加以考考慮。。受計算算機容容量、、能力力、時時間等等的限限制，，對全全域進(jìn)進(jìn)行解解析是是困難難的，，且在在經(jīng)濟濟、技技術(shù)上上也是是不合合理的的。2）邊界界條件件的變變動處處理處理方方法：：做合理理的變變動處處理，，人為為地設(shè)設(shè)定一一些邊邊界條條件。。例如如在半半開放放空間間邊界界上將將風(fēng)速速、溫溫度或或壓力力等做做假定定。6.CFD技術(shù)在在暖通通空調(diào)調(diào)中的的應(yīng)用用方法法CFD解析時時需將將解析析對象象空間間分割割成微微小計計算格格子。。計算格格子分分割的的粗細(xì)細(xì)又受受計算算機容容量、、能力力、時時間所所限。。尤其其是對對大空空間來來說，，要描描述噴噴口送送風(fēng)口口這樣樣的小小物體體。對對其周周邊做做相應(yīng)應(yīng)的格格子分分割，，則是是不經(jīng)經(jīng)濟、、不現(xiàn)現(xiàn)實的的，甚甚至有有時是是不可可能的的。因因此，，將其其模式式化是是一種種有效效的方方法。。3）邊界界條件件的模模式化化常用的的實用用方法法：將這這些送送風(fēng)口口在自自由空空間條條件下下對其其流體體力學(xué)學(xué)特性性做另另外單單獨解解析，，然后后將其其作為為解析析空間間中這這些送送風(fēng)口口位置置處的的邊界界。6.CFD技術(shù)在在暖通通空調(diào)調(diào)中的的應(yīng)用用方法法需詳細(xì)細(xì)閱讀讀CFD應(yīng)用軟軟件說說明及及實例例。雖然市市場上上出售售的通通用CFD軟件在在操作作性上上越來來越簡簡單，，即使使不懂懂CFD、不懂懂暖通通空調(diào)調(diào)也可可操作作，但但是如如果解解析的的輸入入邊界界條件