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1 CFD模擬模擬 -一.初識CFD

  CFD是英文Computational Fluid Dynamics(計算流體動力學)的簡稱。它是伴隨著計算機技術、數值計算技術的發展而發展的。簡單地說,CFD相當於"虛擬"地在計算機做實驗,用以模擬模擬實際的流體流動情況。而其基本原理則是數值求解控制流體流動的微分方程,得出流體流動的流場在連續區域上的離散分佈,從而近似模擬流體流動情況。可以認為CFD是現代模擬模擬技術的一種。

  1933年,英國人Thom首次用手搖計算機數值求解了二維粘性流體偏微分方程,CFD由此而生。1974年,丹麥的Nielsen首次將CFD用於暖通空調工程領域,對通風房間內的空氣流動進行模擬。之後短短的20多年內,CFD技術在暖通空調工程中的研究和應用進行得如火如荼。如今,CFD技術逐漸成為廣大空調工程師和建築師解決分析工程問題的有力工具。

2 CFD模擬模擬 -二.為什麼用CFD

  CFD是一種模擬模擬技術,在暖通空調工程中的應用主要在於模擬預測室內外或設備內的空氣或其他工質流體的流動情況。以預測室內空氣分佈為例,目前在暖通空調工程中採用的方法主要有四種:射流公式,Zonal model,CFD以及模型實驗。

  由於建築空間越來越向複雜化、多樣化和大型化發展,實際空調通風房間的氣流組織形式變化多樣,而傳統的射流理論分析方法採用的是基於某些標準或理想條件理論分析或試驗得到的射流公式對空調送風***流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進行預測,勢必會帶來較大的誤差。並且,射流分析方法只能給出室內的一些集總參數性的信息,不能給出設計人員所需的詳細資料,無法滿足設計者詳細了解室內空氣分佈情況的要求;

  Zonal model是將房間劃分為一些有限的宏觀區域,認為區域內的相關參數如溫度、濃度相等,而區域間存在熱質交換,通過建立質量和能量守恆方程並充分考慮了區域間壓差和流動的關係來研究房間內的溫度分佈以及流動情況,因此模擬得到的實際上還只是一種相對"精確"的集總結果,且在機械通風中的應用還存在較多問題。

  模型實驗雖然能夠得到設計人員所需要的各種數據,但需要較長的實驗周期和昂貴的實驗費用,搭建實驗模型耗資很大,有文獻指出單個實驗通常耗資3000~20000美元,而對於不同的條件,可能還需要多個實驗,耗資更多,周期也長達數月以上,難於在工程設計中廣泛採用。

  另一方面,CFD具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨特的優點,故其逐漸受到人們的青睞。由表1給出的四種室內空氣分佈預測方法的對比可見,就目前的三種理論預測室內空氣分佈的方法而言,CFD方法確實具有不可比擬的優點,且由於當前計算機技術的發展,CFD方法的計算周期和成本完全可以為工程應用所接受。儘管CFD方法還存在可靠性和對實際問題的可算性等問題,但這些問題已經逐步得到發展和解決。因此,CFD方法可應用於對室內空氣分佈情況進行模擬和預測,從而得到房間內速度、溫度、濕度以及有害物濃度等物理量的詳細分佈情況。

  進一步而言,對於室外空氣流動以及其它設備內的流體流動的模擬預測,一般只有模型實驗或CFD方法適用。表1的比較同樣表明了CFD方法比模型實驗的優越性。故此,CFD方法可作為解決暖通空調工程的流動和傳熱傳質問題的強有力工具而推廣應用。

  比較項目1射流公式2ZONAL MODEL 3CFD 4模型實驗

  房間形狀複雜程度簡單較複雜基本不限基本不限

  對經驗參數的依賴性幾乎完全很依賴一些不依賴

  預測成本最低較低較昂貴最高

  預測周期最短較短較長最長

  結果的完備性簡略簡略最詳細較詳細

  結果的可靠性差差較好最好

  適用性1機械通風,且與實際射流條件有關2機械和自然通風,

  3一定條件機械和自然通風4機械和自然通風

3 CFD模擬模擬 -三.什麼是CFD

  什麼是CFD?簡單地說,CFD就是利用計算機求解流體流動的各種守恆控制偏微分方程組的技術,這其中將涉及流體力學(尤其是湍流力學)、計算方法乃至計算機圖形處理等技術。

  因問題的不同,CFD技術也會有所差別,如可壓縮氣體的亞音速流動、不可壓縮氣體的低速流動等。對於暖通空調領域內的流動問題,多為低速流動,流速在10m/s以下;流體溫度或密度變化不大,故可將其看作不可壓縮流動,不必考慮可壓縮流體高速流動下的激波等複雜現象。從此角度而言,此應用範圍內的CFD和數值傳熱學NHT(Numerical Heat Transfer)等同。另外,暖通空調領域內的流體流動多為湍流流動,這又給解決實際問題帶來很大的困難。由於湍流現象至今沒有完全得到解決,目前HVAC內的一些湍流現象主要依靠湍流半經驗理論來解決。

  總體而言,CFD通常包含如下幾個主要環節:建立數學物理模型、數值演算法求解、結果可視化。

3.1建立數學物理模型

  建立數學物理模型是對所研究的流動問題進行數學描述,對於暖通空調工程領域的流動問題而言,通常是不可壓流體的粘性流體流動的控制微分方程。另外,由於暖通空調領域的流體流動基本為湍流流動,所以要結合湍流模型才能構成對所關心問題的完整描述,便於數值求解。

  如下式為粘性流體流動的通用控制微分方程,隨著其中的變數f的不同,如f代錶速度、焓以及湍流參數等物理量時,上式代表流體流動的動量守恆方程、能量守恆方程以及湍流動能和湍流動能耗散率方程。基於該方程,即可求解工程中關心的流場速度、溫度、濃度等物理量分佈。

3.2數值演算法求解

  上述的各微分方程相互耦合,具有很強的非線性特徵,目前只能利用數值方法進行求解。這就需要對實際問題的求解區域進行離散。數值方法中常用的離散形式有:有限容積,有限差分,有限元。目前這三種方法在暖通空調工程領域的CFD技術中均有應用。總體而言,對於暖通空調領域中的低速,不可壓流動和傳熱問題,採用有限容積法進行離散的情形較多。它具有物理意義清楚,總能滿足物理量的守恆規律的特點。離散后的微分方程組就變成了代數方程組,表現為如下形式 可見,通過離散之後使得難以求解的微分方程變成了容易求解的代數方程,採用一定的數值計算方法求解式表示的代數方程,即可獲得流場的離散分佈。從而模擬關心的流動情況。

3.3結果可視化

  上述代數方程求解后的結果是離散后的各網格節點上的數值,這樣的結果不直觀,難以為一般工程人員或其他相關人員理解。因此將求解結果的速度場、溫度場或濃度場等表示出來就成了CFD技術應用的必要組成部分。通過計算機圖形學等技術,就可以將我們所求解的速度場和溫度場等形象、直觀地表示出來。如下圖2所示即為某會議室側送風時的速度場和溫度場。其中顏色的暖冷表示溫度高低,矢量箭頭的大小表示速度大小。

  可見,通過可視化的后處理,可以將單調繁雜的數值求解結果形象直觀地表示出來,甚至便於非專業人士理解。如今,CFD的后處理不僅能顯示靜態的速度、溫度場圖片,而且能顯示流場的流線或跡線動畫,非常形象生動。

4 CFD模擬模擬 -四 CFD用於解決以下幾類暖通空調工程的問題

4.1通風空調空間氣流組織設計

  通風空調空間的氣流組織直接影響到其通風空調效果,藉助CFD可以預測模擬其中的空氣分佈詳細情況,從而指導設計。通風空調空間通常又可分為:普通建築空間,如住宅、辦公室、高大空間等;特殊空間,如潔凈室、客車、列車及其它需要空調的特殊空間。如圖3為利用CFD設計的某體育館高大空間和某空調客車內部的氣流組織結果,由此說明了CFD技術在通風空調空間氣流組織設計方面的應用。圖中用色調的暖冷表示溫度的高低,矢量箭頭的長短表示速度的大小,將空調空間內的流場形象直觀地表示出來。

4.2建築外環境分析設計

  建築外環境對建築內部居者的生活有著重要的影響,所謂的建築小區二次風、小區熱環境等問題日益受到人們的關注。採用CFD可以方便地對建築外環境進行模擬分析,從而設計出合理的建築風環境。而且,通過模擬建築外環境的風流動情況,還可進一步指導建築內的自然通風設計等。

4.3建築設備性能的研究改進

  暖通空調工程的許多設備,如風機、蓄冰槽、空調器等,都是通過流體工質的流動而工作的,流動情況對設備性能有著重要的影響。通過CFD模擬計算設備內部的流體流動情況,可以研究設備性能,從而改進其更好地工作,降低建築能耗,節省運行費用。

5 CFD模擬模擬 -五.國內外研究動態

  CFD在暖通空調工程的應用始於1974年,國外在這方面發展較快,目前國內也有一些大學或科研機構在對此進行研究。就其研究方向而言,主要可分為兩方面:基礎研究和應用研究。目前,美國、歐洲、日本等發達國家對CFD的基礎和應用研究都處於領先水平,中國的清華大學等也有較為獨特的研究方向。下面簡要介紹。

5.1基礎研究方面

  目前CFD在暖通空調工程的應用基礎研究方面,主要有如下新動態:

  (1)室內空氣流動的簡化模擬:美國MIT,從描述空調風口入流邊界條件的方法、湍流模型等方面進行研究,以對室內空氣流動進行簡化模擬;中國清華大學,研究空調風口入流邊界條件的新方法、湍流模型以及數值演算法,建立室內空氣流動數值模擬的簡捷體系;

  2)室內外空氣流動的大渦模擬:美國MIT、日本東京大學,研究大渦模擬這一高級湍流數值模擬技術在室內外空氣流動模擬中的應用,目前已經開始嘗試用於建築小區和自然通風模擬等;

  (3)室內空氣流動模擬和建築能耗的耦合模擬:美國MIT,通過將簡化的CFD模擬方法和建築能耗計算耦合對建築環境進行設計;

5.2應用研究方面

  (1)自然通風的數值模擬:美國MIT、香港大學等,主要藉助大渦模擬工具研究自然通風問題;

  (2)置換通風的數值模擬:美國MIT、丹麥Aalborg大學、中國清華大學等,如地板置換通風、座椅送風等;

  (3)高大空間的數值模擬:中國清華大學等,以體育場館為主的高大空間的氣流組織設計及其與空調負荷計算的關係研究;

  (4)VOC散發的數值模擬:美國MIT等,藉助CFD研究室內有機散發污染物在室內的分佈,研究室內IAQ問題;

  (5)潔凈室的數值模擬:中國清華大學等;對型式比較固定的潔凈室空調氣流組織形式進行數值模擬,指導工程設計;

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