建筑行业流体仿真技术与应用

建筑行业流体仿真技术与应用姓名：宋述军公司：安世亚太科技（北京）有限公司职务：客户支持经理主要内容建筑行业的现状与发展方向CFD在建筑行业的应用室外风环境模拟室内自然通风的模拟室内空调系统运行效果分析大空间空调系统的辅助设计建筑风载的预测大型建筑的消防性能化设计CFD在建筑行业的应用前景建筑行业的现状与发展方向建筑行业的发展伴随着人类活动的整个历程目前中国的建筑行业正处于快速发展期:从住宅到商业地产，从小型建筑到大型公共建筑，从地上综合体到地下功能建筑等等未来的发展方向：在空间上向地下和空中发展向绿色建筑靠拢向智能化建筑发展高密度建筑群体超高超大的建筑体绿色建筑-气候适应性建筑智能化建筑高密度建筑群体tttANSYSFLUENTANSYSFLUENT是世界上最知名、功能最全面的CFD软件，因其丰富的物理模型使其应用广泛，因其用户界面友好、算法健壮、新用户容易上手等优点一直在用户中有着良好的口碑。ANSYSCFXANSYSCFX是世界上第一个全面采用全隐式耦合算法的大型商业CFD软件，算法先进、物理模型丰富使其在结果精确性、计算稳定性、计算速度和灵活性上都有优异的表现。ANSYSAirpakANSYSAirpak是面向供暖通风和空调(HVAC)领域工程师的专业人工环境系统分析软件。可以精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象，并依照ISO7730标准提供舒适度、PMV、PPD等衡量室内空气质量（IAQ）的技术指标。ANSYSCFD核心产品提供建筑行业完美解决方案室外风环境模拟《中国绿色建筑评价标准》对室外风环境有严格的要求：建筑物周围人行区距地1.5m高处，风速ν<5m/s，风速放大系数<2，严寒、寒冷地区冬季保证除迎风面之外的建筑物前后压差不大于5Pa，且有利于夏季、过渡季自然通风，住区不出现漩涡和死角。中国香港采用AVA（AirVentilationAssessment）体系来评估建筑物周围风环境。室内自然通风的模拟梯度风：Zg=10mh>380m后，风速可认为趋于均匀，大小等于h=380m处的风速室外风环境模拟室外风环境模拟室外风环境模拟—污染物的扩散室内环境舒适度指标通常的舒适性评价对应以下这些评价指标：预测平均热感觉指数[

PredictedMeanVote(PMV)]不适人员比例[

Percentageofdissatisfiedpersons(PDD)]相对湿度[

RelativeHumidity(RH)]平均空气龄[

MeanAgeofAir(MAA)]预测平均热感觉指数预测平均热感觉指数：PredictedMeanVote(PMV)PMV是由丹麦工科大学的Fanger教授在1967年发表的热舒适方程式所提出的温冷感指标。其中涉及室温、平均辐射温度、相对湿度、平均风速、着衣量和人体作业量六个变量。使用从-3(冷感)～0(中间感受)～+3（热感）共七个阶段的舒适性评价。ISO标准中，PMV在±0.5以内状态为推荐热舒适状态。预测平均热感觉指数预测平均热感觉指数：PredictedMeanVote(PMV)定义式：各变量说明M ：体表面的代谢率[W/m2]，其基本单位1Met=58.15[W/m2]。睡眠时约0.8[Met]，办公室工作时约1.2[Met]。平均成人体表面机约1.7[m2]，此时办公室工作的场合，代谢量约120[W]。W ：人体所做的机械功[W/m2]。通常取0。H ：体表面的对流、辐射的热损失[W/m2]Ec ：皮肤上的散热和出汗散热量[W/m2]Cres ：呼吸中的显热损失量[W/m2]Eres ：呼吸中的潜热损失量[W/m2]不适人员比例（PPD）不适人员比例：Percentageofdissatisfiedpersons(PDD)PPD指得是，对在一特定环境感到不适人员的比例。定义式ISO标准中，PDD小于10%的状态为推荐热舒适状态。相对湿度：RelativeHumidity(RH)相对湿度：RelativeHumidity(RH)相对湿度指得是，水蒸气分压力同当前温度下饱和水蒸气压力之比。定义式水的饱和蒸汽压计算公式使用JIS采用的SONNTANG公式

水蒸气的分压力即，(压力)×(水蒸气的摩尔分数)PH2O ：水蒸气分压力[Pa]Psat ：饱和水蒸气压[Pa]T：水蒸气温度[K]P ：圧力[Pa]Xv ：水蒸气的摩尔分数平均空气龄(MAA)平均空气龄：MeanAgeofAir（MAA）空气龄是指新鲜空气由进口进入某一空间并到达某一点所需要的时间，有时也称为驻留时间或空气寿命。由于流动的不稳定性，流入室内某一点的空气，其进入系统的时间也不相同。空气年龄是一个随机变量，服从一定的概率分布。所以，空气年龄的意义是指所有可能到达该点的空气的年龄的平均值。

室内自然通风的模拟建筑室内自然通风是指依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压，促使空气流动，使得建筑室内外空气交换。自然通风不但可以保证建筑室内获得新鲜空气，带走多余的热量，而且又不需要消耗动力，节省能源，节省设备投资和运行费用，因而是一种经济有效的通风方法。室外自然风吹向建筑物时，在建筑物的迎风面形成正压区，背风面形成负压区，利用两者之间的压差进行室内通风，就是风压通风。热压通风则是因为室内外温度差引起空气的密度差而产生的空气流动：当室内空气温度高于室外时，使室外空气由建筑物的下部进入室内，而从建筑物的上部排到室外；而当室外温度高于室内时，则气流流向相反。自然通风的形式：贯流式通风；单面通风；风井或者中庭通风绿色建筑大力提倡在夏季和过渡季采用自然通风，以达到节约能源的目的，提高经济效益。大型商场的自然通风流线（温度值）空气速度矢量温度分布云图体育馆和剧院的热舒适度评价Phipps温室及热带植物园：自然对流与太阳辐射室内空调系统运行效果分析HVAC分析目的空气流动状态温度分布空气新鲜度污染物分布热舒适度……如何在最节能的情况下实现建筑物内部空间的气流速度、温度、湿度、粉尘以及有害物浓度等物理量的调控措施办公室设计空气流动状态空气平均寿命温度分布温度分布大型数据中心医院病房空气平均寿命空气流动状态仓储式商场空气平均寿命(s)温度分布(K)会议室大空间空调系统的辅助设计大空间公共建筑是一种为大量人群的公共活动服务的，能提供较大室内空间的建筑类型。大空间公共建筑不应拘泥于某一特定建筑类型，也不限制其结构跨度，它可以是单一的空间，如体育馆、音乐厅、礼堂，也可以是复合建筑体的一个组成部分，如文化中心、商业建筑的中庭或门厅。大空间空调系统的设计是一个复杂的系统工程，不但要考虑项目的外部条件，包括地理位置、气候条件、能源构成等；而且还要考虑内部空间的气流组织、温度分布和相关空调设备的选择及运行管理等。由于大空间建筑的地位重要、构造复杂、投资巨大，因此要求设计阶段就能清晰的了解空调系统的运行情况，因而有必要使用CFD进行数值模拟，在设计阶段纠正不必要的错误。大空间空调系统的辅助设计Yoyogi体育场双月牙穹顶的设计布达佩斯歌剧院体育场鸟瞰图体育场的速度场流线图，颜色代表温度在剧院座位区和乐队区有高达5°C的差异大空间空调系统的辅助设计音乐厅舞台顶排风口舞台上下两排喷口回风口音乐池送风口座椅送风口舞台上侧回风口舞台回风口侧台送风口舞台温度分布目标区域温度分布音乐厅室内环境模拟分析复杂建筑室内环境分析，用于指导暖通设计建筑风载的预测意义向结构专业提供平均和极限工况下的风载荷，为阻力减震系统设计提供依据特别是高层超高层建筑的风载荷对建筑物的影响更大。由于城市梯度风的影响，高层超高层在风载荷下其顶端能够产生明显的偏移优化建筑物的气动外形与ANSYSMECHANICAL联合进行流固耦合分析建筑风载的预测迪拜帆船酒店伦敦大教堂表面压力分布伦敦大教堂建筑风载的预测上海铁路南站风荷载及静动力响应研究上海铁路南站风荷载及静动力响应研究通过适当降低悬挑部分的高度以研究几何参数变化对平均风荷载的影响,数值模拟结果说明,适当降低悬挑高度可以显著减小悬挑部分的平均风荷载大型公共建筑的消防性能化设计防火安全设计火焰在建筑物内的扩展方式热烟气和有毒气体在建筑物内的扩散路径建筑物内空间走向防火隔断门的布置ANSYSCFD特色丰富的火灾模拟模型气、液、固三种状态的燃烧物的燃烧反应烟生成、着火、爆炸和爆燃有毒有害气体的浓度分布能与人员疏散分析相结合120s240s360s480s600s720s某图书馆火灾烟气发展云图随着我国经济的飞速发展，建筑物的功能越来越多样化，建筑物的设计越来越趋于概念化，大量新理论、新技术、新材料、新工艺及新设计理念在建筑消防设计中被广泛应用。因此，完全套用指令性规范已不能较好地满足目前的建筑设计要求。例如：展览厅、体育馆、具有高大空间的厂房、大剧场、仓库、机场航站楼等建筑进行设计时，经常出现与现行规范条文不相符合情况，显然对这类建筑进行实物的火灾试验是不可能的，建筑消防安全设计评估便应运而生。消防性能化的背景评价设计效果和火灾危害

对超出规范的建筑进行合理消防设计，设计效果成了其最重要的评价指标，应用所有可能的方法去对建筑的火灾危险和将要导致的后果进行定性、定量的预测与评估。人员安全

在火灾中的各类人员的安全，包括居住者、工作人员、顾客、消防人员等，通常这是大部分建筑物防火安全的主要目标。要达到该目标，应当根据烟气的流动特点和人员的行为特点，保证所有人员能在有效安全时间内撤离起火建筑。消防性能化的目的©2009PERAChina场景设计

确定火灾发生的位置，火源功率，烟气释放率，人员数量及分布状况。CFD烟气模拟危险到来时间的预测，需要分析在所设计的防排烟系统作用下，火灾产生的热烟气在建筑空间内的运动特性。人员疏散模拟即建筑物内发生火灾时，所有人员能否有足够的时间疏散到安全的地点，疏散过程中不应受到火灾及烟气的危害消防性能化判定消防性能化的流程消防性能化设计案例铁道某客运专线调度所大厅Steps：专业的人员疏散模拟软件模拟人群在正常及紧急情况下的移动机场展览馆博物馆办公楼火车站地铁购物中心体育馆隧道……易用一般设计人员可方便使用正常状况紧急疏散Steps应用案例：地铁站高峰期人群流动模拟t=00:00:18地铁进站t=00:00:20人流下车t=00:00:26人流出站t=00:00:49进站口拥堵t=00:01:59分流与换乘t=00:02:27疏散完毕铁道某客运专线调度所大厅人流疏散看台走道、坡道，楼梯休息厅、水平走廊、出入口最大单位人流流量（人/m·s）0.941.33人员类型步行速度（m/s）形体尺寸（肩宽m×背厚m×身高m）看台走道、坡道，楼梯休息厅、水平走廊、出入口上行下行男人0.650.781.300.4×0.3×1.7女人0.550.661.100.4×0.28×1.6出入通道边界层宽度（cm）楼梯墙壁间15扶手中线间9音乐厅座椅，体育馆长