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CFD在暖通空调中的应用
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摘要：本文对CFD技术在暖通空调中的应用进行了阐述，介绍其使用方法和步骤，为设计人员在暖通设计中应用CFD技术提供参考。（参考《建筑中文网》）
关键词：CFD技术 数值模拟 暖通空调 气流组织
AbstractThis article presents the application of CFD on Heating Ventilation and Air Conditioning field,and shows the methods and steps of applying it. The article offers consults for the designers to apply CFD on Heating Ventilation and Air Conditioning design.
KeywordsCFDnumerical simulationHeating Ventilation and Air Conditioningair flow
0 前言
为制定出最佳的通风空调方案，暖通工作者都希望在设计阶段就能预测室内空气的分布情况。而目前在暖通空调领域中采用的方法主要有四种:射流公式法、Zonal Model、模型实验和CFD[1]。
射流公式法是最经济简单的室内空气分布预测方法，对于实际空调房间的复杂气流形式模拟误差很大。Zonal Model模拟得到的实际上还是一种相对“精确”的集总结果，且在机械通风中的应用还存在较多问题。模型实验是最可靠的方法，但是搭建实验模型耗资很大，周期很长，而对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更多，周期也长达数月以上。且它对于整个流场的速度、温度分布缺乏全面深刻的了解，这些都限制了它的推广和使用。
CFD具有模拟设备简单、投资低、计算速度决、计算空间不受限制、完整的资料获取、并且可以模拟各种工况，是其它三种方法所不具备的。随着经济发展、科技进步，CFD技术已成为现代建筑领域一个重要的研究课题。
1 CFD技术
CFD是英文Computaional Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称，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。CFD可以看做是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟，是进行“三传”(传热、传质、动量传递)及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工等诸多工程领域。暖通空调制冷行业是 CFD 技术应用的重要领域之一[2]。
1933年，英国人Thom首次数值求解了二维粘性流体偏微分方程，标志着CFD的诞生；1974年，丹麦的P.V.Nielsen利用流函数和涡旋公式求解封闭二维流动方程，采用k-ε流体湍流模型模拟室内空气流动情况，首次将CFD技术应用于空调工程。随后10多年，世界各发达国家出于节约能源和提高社会工作效率的考虑，都投入大量人力、物力、财力来进行这方面的研究，并且取得了一定的成果[3]。短短的 20 多年内，CFD 技术在暖通空调工程中的研究和应用也进行地如火如荼。如今，CFD 技术逐渐成为广大空调工程师和建筑师解决分析工程问题的强有力工具。
美国是使用CFD技术较早的国家之一。1986年美国国家标准协会对世界范围内用CFD模拟室内空气流动的发展情况进行了总结，并成立了专门研究机构，致力于室内空气流动的研究。美国ASHARE协会于1989年成立了研究用CFD方法预测室内空气流动的研究机构，比较完整的研究了CFD方法模拟室内空气流动的相关问题。日本是另一个使用CFD技术较成功的国家。数值模拟技术在日本建筑环境工程领域的应用始于20世纪70年代初[4]。
2 CFD技术在暖通空调领域的应用
2.1 CFD在暖通空调中的主要应用领域
CFD 主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题：
1.通风空调房间气流组织设计
借助CFD可以预测仿真通风空调空间的气流分布详细情况。气流数值分析能够考虑室内各种可能的内扰、边界条件和初始条件，因而它能全面地反映室内的气流分布情况，从而便于发现最优的气流分布方案，进而指导设计使其达到良好的通风空调效果。
2.建筑外环境分析设计
建筑外环境对建筑内部居住者的生活有重要的影响，建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。采用CFD可以方便地对建筑外环境进行模拟分析，从而设计出合理的建筑风环境。而且，通过模拟建筑外环境的风流动情况，还可进一步指导建筑内的自然通风设计等[5]。
3.室内空气品质研究
利用CFD技术研究室内空气品质问题，主要是通过模拟得到室内各个位置的风速、温度、相对湿度、污染物浓度等参数，从而评价通风换气效率、热舒适和污染物排除效率等。
4.建筑设备性能的研究改进
暖通空调工程的许多设备，如风机、蓄冰槽、空调器等，都是通过流体工质而工作的，流动情况对设备性能有着重要的影响。通过CFD模拟计算设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，从而改进其工作，降低建筑能耗，节省运行费用。
2.2 暖通空调领域中CFD的求解过程
暖通空调领域用CFD进行模拟仿真，其主要环节无外乎包括以下几个方面:建立数学物理模型、进行气流数值求解、将数值解结果可视化等。CFD求解流程如图1所示。
1. 建立数学物理模型
建立数学模型是对所研究的流动问题进行数学描述，为数值求解做准备工作。基本数学模型有：
（1）质量守恒方程 
（2）动量守恒方程 
（3）能量守恒方程 
ρ——流体密度，kg/m3；
t ——时间，s；
——速度矢量，m/s；
ui——速度在i方向上的分量，m/s；
p——压强，pa；
Fi——体积力，N；
T——温度，K；
cp——定压比热；
ST——粘性耗散项。
对于湍流流动，还要补充反映湍流特性的其他方程。
2.进行气流数值求解
（1）确定边界条件与初始条件
初始条件和边界条件是控制方程有确定解的前提。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。对于瞬态问题必须给定初始条件，对于稳态问题不需要初始条件。边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律。
（2）划分计算网格
网格分结构网格和非结构网格。简单说，结构网格在空间上比较规范，如对一个四边形区域，结构网格多是成行成列分布的，而非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线。目前各种CFD软件都有专门的网格生成工具。
（3）建立离散方程并求解
离散方程常用的方法有：有限容积法、有限差分法和有限元法等。选择合适的方法，对求解区域进行离散。
3.结果可视化
通过计算机数值求解得到的结果是节点上的数值，因而视觉效果上不具备可观性，难以被一般工程人员或其它相关人员所认识和接受，所以必须借助相关软件将模拟结果可视化，CFD的后处理可以静态显示速度、温度、浓度场图片，也可以动态的显示流体流动的流线和迹线。
图1 CFD求解流程
图2 CFD改进暖通设计方案流程图
2.3 利用CFD改进暖通设计
利用CFD技术进行模拟，便于检测暖通设计方案的优劣，提出科学的改进方案，提高了设计效率和质量。CFD技术在改进暖通设计方案时的流程图如图2所示[3]。
3 结语
CFD技术在暖通空调领域中的应用在很长一段时间内是欧洲和日本走在前面，目前CFD技术在日本暖通行业的应用已经达到实用化阶段。国外的CFD模型方面的基础性成果不但丰富，CFD软件也非常强大。
我国大概在20世纪80年代开始研究CFD在暖通领域的应用。我国现有成果大部分属于运用专用软件进行某个算例的分析。从总体上说，真正把CFD技术与实际工程的暖通设计结合的案例还很少，真正掌握CFD技术的暖通设计人员数量有限，在我国暖通行业中开展CFD方面研究尚有大量工作要做，主要表现在以下几个方面[5]：
1.继续加强算法理论方面的基础研究；
2.研究网格自动生成技术；
3.研究科学计算可视化技术；
4.用CFD技术开展本行业中的应用研究。
参考文献
[1] 周林光.置换通风的数值模拟.同济大学硕士论文.1998.
[2] 龚光彩.CFD 技术在暖通空调制冷工程中的应用[J].暖通空调，1999，29（6）：25-27.
[3] 谢华 刘中平.通风、空调设计中的CFD技术[J].房材与应用,2004，32（1）：34-36.
[4] Flake K.K.,潭洪卫等。空调设计中的CFD应用[J].现代空调，1999（1）.
[5] 董玉平.高大空间建筑空调系统CFD模拟.天津大学硕士论文.2003.
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200606/8590.htm
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