CFD在暖通空调领域的应用

CFD在暖通空调领域的应用CFD在暖通空调中的主要应用领域

CFD软件的功能及数值模拟的分类CFD技术在空调中的应用方法应用实例1.CFD在暖通空调中的主要应用领域

CFD（ComputationalFluidDynamics，计算流体动力学）是目前国际上一个强有力的研究领域。它的产生可以追溯到20世纪30年代初，是流体力学、数值计算方法以及计算机图形学三者相互结合的产物。1974年，丹麦的尼尔森(P.V.Nielsen)首次将CFD技术应用于空调工程，模拟室内空气流动情况，标志着CFD技术开始应用于分析工程中的流动问题。CFD是目前国际上一个强有力的研究领域，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与重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工、暖通空调及空气净化等诸多工程领域。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：通风空调房间气流组织设计建筑外环境分析设计室内空气品质研究建筑设备性能的研究改进1.CFD在暖通空调中的主要应用领域CFD可以预测仿真通风空调空间的气流分布情况能考虑室内各种可能的内扰、边界条件和初始条件能全面地反映室内气流分布情况，从而发现最优的气流组织方案，以指导设计，使其达到良好的通风空调效果（1）通风空调房间气流组织设计1.CFD在暖通空调中的主要应用领域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。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。（2）建筑外环境分析设计1.CFD在暖通空调中的主要应用领域（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。1.CFD在暖通空调中的主要应用领域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。

（4）建筑设备性能的研究改进2用CFD方法解决问题的一般步骤在这种设计过程中,设计可行与否往往取决于试验,为保证性能稳定,就不得不进行大量试验,而且,产品方案的筛选和优化是在设计、制造、测试部门之间进行大循环,由于牵涉的环节多,产品的开发周期长,费用高;对工程设计而言,往往需要进行方案选择、优化,这一工作一般是靠经验完成,难免导致方案可靠性降低,从而引起设计失败。计算流体力学即CFD的应用则改变了传统的设计过程,由于CFD软件可以相对准确地给出流体流动的细节,如速度场、压力场、温度场或浓度场分布的时变特性,因而不仅可以准确预测流体产品的整体性能,而且很容易从对流场的分析中发现产品或工程设计中的问题,据此提出的改进方案只需重新计算一次就可以判断、评估改进是否有效,并更容易得到某些规律性的知识。3.CFD软件的功能及及数值模拟的的分类（1）CFD软件的功能CFD软件几乎包罗罗了所有现行行的解析手法法、数学物理理模型。--离散化：MAC法和SIMPLE法--紊流模型：以以标准K-ε模型居多--解析坐标系：：多采用直交交坐标3.CFD软件的功能及及数值模拟的的分类按解析的着眼眼点分为：--时间变动特性性解析--空间分布解析析（一般用于于热负荷预测测解析）按规模分为：：--宏观解析--微观解析（用用于气流分布布、温湿度、、气体浓度分分布的解析））（2）计算机数值值模拟的分类类这里主要介绍绍气流分布、、温湿度、气气体浓度分布布的解析。（以建筑空间间为对象）4.CFD技术在暖通空空调中的应用用方法空调设计的目目的室内气流的构构造、分布特特征4.CFD技术在暖通空空调中的应用用方法实现所要求的的室内气候环环境：--温湿度、气流流、污染物质质浓度等的分分布。系统设计及设设备选型要求求：--在技术上要可可行，在经济济上要合理。。4.1暖通空调设计计的目的4.CFD技术在暖通空空调中的应用用方法计算流体力学学(CFD)是除模型实验验外，可详细细解析三次元元室内气流的的唯一手段。。利用CFD技术，可更有有效地了解室室内气流的构构造、分布特特征。为合理的系统统设计及设备备选型提供有有益的参考资资料。4.2室内气流的构构造、分布特特征CFD基本上都是通通过求解一组组非线性偏微微分方程数值值模拟流体流流动的物理过过程，这些偏偏微分方程描描述了基本的的物理规律，，如质量，动动量和能量守守恒。室内空气流动动的驱动力是是压力差，这这些压力差主主要是由于风风速，热浮升升力，机械通通风系统中某某一种或者某某几种共同作作用而产生。。微分方程组5.CFD技术的理论方方法当把CFD用于IAQ(IndoorAriQuality)领域时，运用用控制容积的的方法推导N一s方程程描描述述质质量量和和动量量守守恒恒，同同时时应应用用能量量守守恒恒和质量量守守恒恒定律律。。在在三三维维笛笛卡卡儿儿坐坐标标系系中中，，偏偏微微分分方方程程分分别别表表示示了了室室内内气气流流流流动动，，热热交交换换和和污污染染物物的的迁迁移移。。5.CFD技术术的的理理论论方方法法X方向向动动量量守守恒恒Y方向向动动量量守守恒恒Z方向向动动量量守守恒恒质量量守守恒恒5.CFD技术术的的理理论论方方法法污染染物物浓浓度度守守恒恒能量量守守恒恒5.CFD技术术的的理理论论方方法法紊流流能能量量传传递递方方程程紊流流能能量量耗耗散散率率方方程程5.CFD技术术的的理理论论方方法法6.CFD技术术在在暖暖通通空空调调中中的的应应用用方方法法空调调设设计计的的目目的的室内内气气流流的的构构造造、、分分布布特特征征实现现所所要要求求的的室室内内气气候候环环境境：：--温湿湿度度、、气气流流、、污污染染物物质质浓浓度度等等的的分分布布。。系统统设设计计及及设设备备选选型型要要求求：：--在技技术术上上要要可可行行，，在在经经济济上上要要合合理理。。6.1暖通通空空调调设设计计的的目目的的6.CFD技术术在在暖暖通通空空调调中中的的应应用用方方法法计算算流流体体力力学学(CFD)是除除模模型型实实验验外外，，可可详详细细解解析析三三次次元元室室内内气气流流的的唯唯一一手手段段。。利用CFD技术，可更有有效地了解室室内气流的构构造、分布特特征。为合理的系统统设计及设备备选型提供有有益的参考资资料。6.2室内气流的构构造、分布特特征6.CFD技术在暖通空空调中的应用用方法在传统的室内内气流组织设设计中，对送送风口、回风口以及室内内热源等各因因素的影响:（1）传统的室内内气流组织设设计往往只能凭个个人对物理现现象(气流、传热)的理解，凭经经验进行单纯纯的合成(即线性近似)，进行设计。。但由于各参数数间的相互影影响，实际上上是呈非线性性关系，因此此不能单纯地地合成，如图所示。对这样非线性性问题的解析析，使用计算算流体力学(CFD)就得心应手了了。6.CFD技术在暖通空空调中的应用用方法物理现象的叠叠加关系对描述流体物物理现象的基基础方程式(运动方程、质质量守恒、能能量守恒等联联立偏微分方方程)作离散化处理理，实现数值值解析。离散化处理的的对象：是作作为独立变量量的时间、空空间变量，求求出其对应的的参数速度、、压力等。离散化处理(时间、空间的的分割)：直接与计算算机的能力(计算速度、内内存容量)相关。分割(时间间隔、计计算格子)：越细，对计计算机的能力力要求就越高高(解析精度也就就相对高)。（2）计算流体力力学6.CFD技术在暖通空空调中的应用用方法常见空调设计计中的流体解解析问题：大大都为紊流问问题。对紊流现象用用计算机直接接计算从计算算时间、计算算机内存容量量上近于不可可能。紊流模型：在在工程上，着着眼于流场的的主流。在对对微小涡流构构造忽略的前前提下，近似似的将瞬时变变化的紊流部部分作时间平平均化处理，，从而产生了了紊流模型。。（3）暖通空调设设计中的流体体解析问题6.CFD技术在暖通空空调中的应用用方法室内气流组织织设计过程中中应考虑的因因素紊流部分的时时间平均化处处理：有各种种方法，如导导入涡粘性系系数的方法，，即半经验型型K-ε方程式紊流模模型--K为紊流能量--ε为紊流消失率率--由k、ε求出涡粘性系系数CFD的解析流程：--解析范围确定定计计算格子划分分CFD解析。6.CFD技术在暖通空空调中的应用用方法CFD解析流程将解析范围分分割成微小计计算格子。计算格子的分分类：--直交(构造型)--非直交(非构造型)型格子①计算格子划分分6.CFD技术在暖通空空调中的应用用方法对解析范围做做直交格子分分割。有时可能会使使用过多的格格子，虽然浪浪费计算机的的内存容量，，但解析的稳稳定性较佳。。计算格子分割割类型直交型格子的的特点：6.CFD技术在暖通空空调中的应用用方法适用于复杂的的形状。配置的自由度度大，可根据据需要自由调调整格子大小小，这样就节节约了计算机机的内存容量量。解析的稳定性性欠佳，收敛敛所需时间长长。计算格子分割割类型非直交型格子子的特点：6.CFD技术在暖通空空调中的应用用方法此外，利用复复数的直交系系格子构成的的复合系格子子也得到广泛泛利用。非直交型应用用实例6.CFD技术在暖通空空调中的应用用方法物理模式：对对应于各种物物理现象(层流，低雷诺诺数/高雷诺数紊流流等)的物理模式被被不断开发出出来。物理模式的选选择：根据解解析对象做合合理的选择。。对解析对象进进行合理的分分析，适当地地选择对称面面，可简化解解析范围，节节约计算机的的内存容量和和计算时间。。②解析物理模式式6.CFD技术在暖通空空调中的应用用方法解析范围的形形状确定后，，边界条件主主要有室内空空调负荷(包括墙墙面的的传热热)，送、、回风风口的的设置置，吹吹出、、吸入入条件件等。。其中太太阳辐辐射热热负荷荷条件件的确确定较较麻烦烦。通通过别别的途途径将将热负负荷条条件解解析后后作为为CFD的传热热边界界条件件。边界条条件设设定：：妥善善与否否，会会左右右CFD的解析析的正正确性性、效效率及及精度度。CFD解析的的关键键问题题：如如何明明确解解析对对象，，选择择具有有代表表性的的解析析要素素是CFD解析的的关键键问题题。③边界条条件的的设定定6.CFD技术在在暖通通空调调中的的应用用方法法④边界条条件的的设定定需注注意的的问题题1）空调调方式式、空空调负负荷作作为边边界条条件时时的不不确切切性许多CFD解析，，为了了简化化边界界条件件，减减少输输入条条件，，往往往将空空调负负荷作作为固固定的的边界界条件件，但但严格格地说说，室室内空空调负负荷是是受室室内气气流、、温度度分布布影响响的。。6.CFD技术在在暖通通空调调中的的应用用方法法当解析析对象象空间间是独独立空空间时时，解解析范范围、、边界界条件件的确确定是是较容容易的的。当解析析对象象是半半开放放空间间(如中庭庭开放放空间间)，与其其他空空间相相接时时，就就要求求对相相互影影响加加以考考虑。。受计算算机容容量、、能力力、时时间等等的限限制，，对全全域进进行解解析是是困难难的，，且在在经济济、技技术上上也是是不合合理的的。2）边界界条件件的变变动处处理处理方方法：：做合理理的变变动处处理，，人为为地设设定一一些边边界条条件。。例如如在半半开放放空间间边界界上将将风速速、温温度或或压力力等做做假定定。6.CFD技术在在暖通通空调调中的的应用用方法法CFD解析时时需将将解析析对象象空间间分割割成微微小计计算格格子。。计算格格子分分割的的粗细细又受受计算算机容容量、、能力力、时时间所所限。。尤其其是对对大空空间来来说，，要描描述喷喷口送送风口口这样样的小小物体体。对对其周周边做做相应应的格格子分分割，，则是是不经经济、、不现现实的的，甚甚至有有时是是不可可能的的。因因此，，将其其模式式化是是一种种有效效的方方法。。3）边界界条件件的模模式化化常用的的实用用方法法：将这这些送送风口口在自自由空空间条条件下下对其其流体体力学学特性性做另另外单单独解解析，，然后后将其其作为为解析析空间间中这这些送送风口口位置置处的的边界界。6.CFD技术在在暖通通空调调中的的应用用方法法需详细细阅读读CFD应用软软件说说明及及实例例。虽然市市场上上出售售的通通用CFD软件在在操作作性上上越来来越简简单，，即使使不懂懂CFD、不懂懂暖通通空调调也可可操作作，但但是如如果解解析的的输入入边界界条件