優(yōu)點(diǎn)

CFD是一種模擬仿真技術(shù)，在暖通空調(diào)工程中的應(yīng)用主要在于模擬預(yù)測(cè)室內(nèi)外或設(shè)備內(nèi)的空氣或其他工質(zhì)流體的流動(dòng)情況。以預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣分布為例，目前在暖通空調(diào)工程中采用的方法主要有四種：射流公式，Zonal model，CFD以及模型實(shí)驗(yàn)。

由于建筑空間越來(lái)越向復(fù)雜化、多樣化和大型化發(fā)展，實(shí)際空調(diào)通風(fēng)房間的氣流組織形式變化多樣，而傳統(tǒng)的射流理論分析方法采用的是基于某些標(biāo)準(zhǔn)或理想條件理論分析或試驗(yàn)得到的射流公式對(duì)空調(diào)送風(fēng)***流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進(jìn)行預(yù)測(cè)，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)較大的誤差。并且，射流分析方法只能給出室內(nèi)的一些集總參數(shù)性的信息，不能給出設(shè)計(jì)人員所需的詳細(xì)資料，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)者詳細(xì)了解室內(nèi)空氣分布情況的要求；

Zonal model是將房間劃分為一些有限的宏觀區(qū)域，認(rèn)為區(qū)域內(nèi)的相關(guān)參數(shù)如溫度、濃度相等，而區(qū)域間存在熱質(zhì)交換，通過建立質(zhì)量和能量守恒方程并充分考慮了區(qū)域間壓差和流動(dòng)的關(guān)系來(lái)研究房間內(nèi)的溫度分布以及流動(dòng)情況，因此模擬得到的實(shí)際上還只是一種相對(duì)"精確"的集總結(jié)果，且在機(jī)械通風(fēng)中的應(yīng)用還存在較多問題。

模型實(shí)驗(yàn)雖然能夠得到設(shè)計(jì)人員所需要的各種數(shù)據(jù)，但需要較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)周期和昂貴的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃馁Y很大，有文獻(xiàn)指出單個(gè)實(shí)驗(yàn)通常耗資3000~20000美元，而對(duì)于不同的條件，可能還需要多個(gè)實(shí)驗(yàn)，耗資更多，周期也長(zhǎng)達(dá)數(shù)月以上，難于在工程設(shè)計(jì)中廣泛采用。

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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，故其逐漸受到人們的青睞。由表1給出的四種室內(nèi)空氣分布預(yù)測(cè)方法的對(duì)比可見，就目前的三種理論預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣分布的方法而言，CFD方法確實(shí)具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，且由于當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD方法的計(jì)算周期和成本完全可以為工程應(yīng)用所接受。盡管CFD方法還存在可靠性和對(duì)實(shí)際問題的可算性等問題，但這些問題已經(jīng)逐步得到發(fā)展和解決。因此，CFD方法可應(yīng)用于對(duì)室內(nèi)空氣分布情況進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，從而得到房間內(nèi)速度、溫度、濕度以及有害物濃度等物理量的詳細(xì)分布情況。

進(jìn)一步而言，對(duì)于室外空氣流動(dòng)以及其它設(shè)備內(nèi)的流體流動(dòng)的模擬預(yù)測(cè)，一般只有模型實(shí)驗(yàn)或CFD方法適用。表1的比較同樣表明了CFD方法比模型實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性。故此，CFD方法可作為解決暖通空調(diào)工程的流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)問題的強(qiáng)有力工具而推廣應(yīng)用。

比較項(xiàng)目：

介紹

什么是CFD?簡(jiǎn)單地說，CFD就是利用計(jì)算機(jī)求解流體流動(dòng)的各種守恒控制偏微分方程組的技術(shù)，這其中將涉及流體力學(xué)(尤其是湍流力學(xué))、計(jì)算方法乃至計(jì)算機(jī)圖形處理等技術(shù)。

因問題的不同，CFD技術(shù)也會(huì)有所差別，如可壓縮氣體的亞音速流動(dòng)、不可壓縮氣體的低速流動(dòng)等。對(duì)于暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)的流動(dòng)問題，多為低速流動(dòng)，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(dòng)，不必考慮可壓縮流體高速流動(dòng)下的激波等復(fù)雜現(xiàn)象。從此角度而言，此應(yīng)用范圍內(nèi)的CFD和數(shù)值傳熱學(xué)NHT(Numerical Heat Transfer)等同。另外，暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)的流體流動(dòng)多為湍流流動(dòng)，這又給解決實(shí)際問題帶來(lái)很大的困難。由于湍流現(xiàn)象至今沒有完全得到解決，目前HVAC內(nèi)的一些湍流現(xiàn)象主要依靠湍流半經(jīng)驗(yàn)理論來(lái)解決。

總體而言，CFD通常包含如下幾個(gè)主要環(huán)節(jié)：建立數(shù)學(xué)物理模型、數(shù)值算法求解、結(jié)果可視化。

建立數(shù)學(xué)物理模型是對(duì)所研究的流動(dòng)問題進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，對(duì)于暖通空調(diào)工程領(lǐng)域的流動(dòng)問題而言，通常是不可壓流體的粘性流體流動(dòng)的控制微分方程。另外，由于暖通空調(diào)領(lǐng)域的流體流動(dòng)基本為湍流流動(dòng)，所以要結(jié)合湍流模型才能構(gòu)成對(duì)所關(guān)心問題的完整描述，便于數(shù)值求解。

如下式為粘性流體流動(dòng)的通用控制微分方程，隨著其中的變量f的不同，如f代表速度、焓以及湍流參數(shù)等物理量時(shí)，上式代表流體流動(dòng)的動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率方程。基于該方程，即可求解工程中關(guān)心的流場(chǎng)速度、溫度、濃度等物理量分布。

上述的各微分方程相互耦合，具有很強(qiáng)的非線性特征，目前只能利用數(shù)值方法進(jìn)行求解。這就需要對(duì)實(shí)際問題的求解區(qū)域進(jìn)行離散。數(shù)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(diào)工程領(lǐng)域的CFD技術(shù)中均有應(yīng)用?？傮w而言，對(duì)于暖通空調(diào)領(lǐng)域中的低速，不可壓流動(dòng)和傳熱問題，采用有限容積法進(jìn)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恒規(guī)律的特點(diǎn)。離散后的微分方程組就變成了代數(shù)方程組，表現(xiàn)為如下形式可見，通過離散之后使得難以求解的微分方程變成了容易求解的代數(shù)方程，采用一定的數(shù)值計(jì)算方法求解式表示的代數(shù)方程，即可獲得流場(chǎng)的離散分布。從而模擬關(guān)心的流動(dòng)情況。

上述代數(shù)方程求解后的結(jié)果是離散后的各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值，這樣的結(jié)果不直觀，難以為一般工程人員或其他相關(guān)人員理解。因此將求解結(jié)果的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)或濃度場(chǎng)等表示出來(lái)就成了CFD技術(shù)應(yīng)用的必要組成部分。通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)，就可以將我們所求解的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)等形象、直觀地表示出來(lái)。如下圖2所示即為某會(huì)議室側(cè)送風(fēng)時(shí)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。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(diào)繁雜的數(shù)值求解結(jié)果形象直觀地表示出來(lái)，甚至便于非專業(yè)人士理解。如今，CFD的后處理不僅能顯示靜態(tài)的速度、溫度場(chǎng)圖片，而且能顯示流場(chǎng)的流線或跡線動(dòng)畫，非常形象生動(dòng)。

解決問題

CFD用于解決以下幾類暖通空調(diào)工程的問題。

通風(fēng)空調(diào)空間的氣流組織直接影響到其通風(fēng)空調(diào)效果，借助CFD可以預(yù)測(cè)仿真其中的空氣分布詳細(xì)情況，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)。通風(fēng)空調(diào)空間通常又可分為：普通建筑空間，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(diào)的特殊空間。如圖3為利用CFD設(shè)計(jì)的某體育館高大空間和某空調(diào)客車內(nèi)部的氣流組織結(jié)果，由此說明了CFD技術(shù)在通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。圖中用色調(diào)的暖冷表示溫度的高低，矢量箭頭的長(zhǎng)短表示速度的大小，將空調(diào)空間內(nèi)的流場(chǎng)形象直觀地表示出來(lái)。

建筑外環(huán)境對(duì)建筑內(nèi)部居者的生活有著重要的影響，所謂的建筑小區(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(duì)建筑外環(huán)境進(jìn)行模擬分析，從而設(shè)計(jì)出合理的建筑風(fēng)環(huán)境。而且，通過模擬建筑外環(huán)境的風(fēng)流動(dòng)情況，還可進(jìn)一步指導(dǎo)建筑內(nèi)的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)等。

暖通空調(diào)工程的許多設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、蓄冰槽、空調(diào)器等，都是通過流體工質(zhì)的流動(dòng)而工作的，流動(dòng)情況對(duì)設(shè)備性能有著重要的影響。通過CFD模擬計(jì)算設(shè)備內(nèi)部的流體流動(dòng)情況，可以研究設(shè)備性能，從而改進(jìn)其更好地工作，降低建筑能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

研究

CFD在暖通空調(diào)工程的應(yīng)用始于1974年，國(guó)外在這方面發(fā)展較快，目前國(guó)內(nèi)也有一些大學(xué)或科研機(jī)構(gòu)在對(duì)此進(jìn)行研究。就其研究方向而言，主要可分為兩方面：基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。目前，美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)CFD的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究都處于領(lǐng)先水平，我國(guó)的清華大學(xué)等也有較為獨(dú)特的研究方向。下面簡(jiǎn)要介紹。

目前CFD在暖通空調(diào)工程的應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面，主要有如下新動(dòng)態(tài)：

(1)室內(nèi)空氣流動(dòng)的簡(jiǎn)化模擬：美國(guó)MIT，從描述空調(diào)風(fēng)口入流邊界條件的方法、湍流模型等方面進(jìn)行研究，以對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬；中國(guó)清華大學(xué)，研究空調(diào)風(fēng)口入流邊界條件的新方法、湍流模型以及數(shù)值算法，建立室內(nèi)空氣流動(dòng)數(shù)值模擬的簡(jiǎn)捷體系；

2)室內(nèi)外空氣流動(dòng)的大渦模擬：美國(guó)MIT、日本東京大學(xué)，研究大渦模擬這一高級(jí)湍流數(shù)值模擬技術(shù)在室內(nèi)外空氣流動(dòng)模擬中的應(yīng)用，目前已經(jīng)開始嘗試用于建筑小區(qū)和自然通風(fēng)模擬等；

(3)室內(nèi)空氣流動(dòng)模擬和建筑能耗的耦合模擬：美國(guó)MIT，通過將簡(jiǎn)化的CFD模擬方法和建筑能耗計(jì)算耦合對(duì)建筑環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)；

(1)自然通風(fēng)的數(shù)值模擬：美國(guó)MIT、香港大學(xué)等，主要借助大渦模擬工具研究自然通風(fēng)問題；

(2)置換通風(fēng)的數(shù)值模擬：美國(guó)MIT、丹麥Aalborg大學(xué)、中國(guó)清華大學(xué)等，如地板置換通風(fēng)、座椅送風(fēng)等；

(3)高大空間的數(shù)值模擬：中國(guó)清華大學(xué)等，以體育場(chǎng)館為主的高大空間的氣流組織設(shè)計(jì)及其與空調(diào)負(fù)荷計(jì)算的關(guān)系研究；

(4)VOC散發(fā)的數(shù)值模擬：美國(guó)MIT等，借助CFD研究室內(nèi)有機(jī)散發(fā)污染物在室內(nèi)的分布，研究室內(nèi)IAQ問題；

(5)潔凈室的數(shù)值模擬：中國(guó)清華大學(xué)等；對(duì)型式比較固定的潔凈室空調(diào)氣流組織形式進(jìn)行數(shù)值模擬，指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)；