1、CFD 技术及其应用师奇威 贾代勇 杜雁霞(解放军理工大学 )摘 要 综述计算流体力学的基本概况及其在暖通空调中的应用 ,概括计算流体力学的研究成果并对今后的发展做出展望。关键词 计算流体力学 暖通空调 模型 空气品质 置换通风CFD TECHNIQUE AND ITS APPL ICATIONShi Qiwei Jia Daiyong Du Yanxia( PLA University of Science and Technology)ABSTRACT Summarizes basic general situation of CFD , as well as its applicatio
2、n to HVAC ,generalizes its research achievement and makes further expectation for its future development .KEY WORDS CFD HVAC Model IAQ Permutation ventilationCFD1 是英文 Computational Fluid Dynamics(计算流体动力学 )的简称 ,是一门用数值计算方法直接求解流动主控方程 ( Euler 或 Navier2Stokes 方程 )以发现各种流动现象规律的学科。简单地说 ,CFD 相当于“虚拟”地在计算机做实验
3、,模拟仿真实际的流体流动情况。其基本原理是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组 ,得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布从而近似模拟流体流动情况。CFD 可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测 ,从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。在暖通空调工程中的应用主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动情况。以预测室内空气分布为例 ,目前在暖通空调工程中采用的方法主要有四种 :射流公式 , Zonal model , CFD 以及模型实验。CFD 具有成本低、周期短、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点 ,故备受青睐。1 CF
4、D 应用步骤 (图 1)图 1 CFD 计算主要环节第 5 卷 第 6 期 2 0 0 5 年 12 月 制 冷 与 空 调REFRIGERA TION AND AIR - CONDITION IN G Vol . 5 , No . 6December 2005 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/1. 1 建立数学物理模型建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述 。对于暖通空调工程领域的流动问题而言 ,通常是不可压缩粘性流体流动的控制微分方程。
5、由于暖通空调领域的流体流动基本为湍流流动 ,所以要结合湍流模型才能构成对所关心问题的完整描述 ,便于数值求解。如式 (1) 为粘性流体流动的通用控制微分方程 ,随着其中的变量 f 的不同 ,如 f 代表速度、焓以及湍流参数等物理量时 ,上式代表流体流动的动量守恒方程、能量守恒方程以及湍流动能和湍流动能耗散率方程。基于该方程 ,即可求解工程中关心的流场速度、温度、浓度等物理量分布 2 。99 t ( ) + div ( uv - pgrad ) = S (1)式中 : 为密度 , uv为速度矢量 , 为 的有效交换系数 , S 为源项。1. 2 数值算法求解上述的各微分方程相互耦合 ,有较强的非
6、线性特征 ,目前只能利用数值方法进行求解 ,这就需要对实际问题的求解区域进行离散。数值方法中常用的离散形式有 :有限容积、有限差分、有限元。目前这三种方法在暖通空调工程领域的 CFD 技术中均有应用。总体而言 ,对于暖通空调领域中的低速、不可压流动和传热问题 ,采用有限容积法进行离散的情形较多 ,具有物理意义清楚 ,能满足物理量的守恒规律的特点。离散后的微分方程组就转变成以下代数方程组 2 :ap p = aE E + aW W + aN N +aS S + a T T + aB B + b (2a)或者 :aP P = 6 anb nb + b (2b)式中 , a 为离散方程的系数 , f
7、 为各网格节点的变量值 , b 为离散方程的源项。下标 P , E ,W ,N ,S , T和 B 分别表示本网格、东边网格、西边网格、北边网格、南边网格、上面网格和下面网格处的值 ,或者以 nb 表示 P 的相邻 6 个节点。1. 3 结果可视化上述代数方程求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值 ,这样的结果不直观。因此将求解结果的速度场、温度场或浓度场等表示出来就成为CFD 技术应用的必要组成部分。通过计算机图形学等技术 3 ,就可以将求解的速度场和温度场等形象、直观地表示出来。如图 2 为某会议室侧送风时的速度场 ,其中 ,矢量箭头的大小表示速度大小。图 2 某会议室侧送风形成的速度分
8、布场2 CFD 在空调设计中的应用2. 1 高大空间空调气流组织设计 4 大空间建筑指的是顶棚高、容积大的建筑 ,如体育馆、博物馆、科技馆等 ,这类建筑的空调系统控制的环境范围大 ,气流复杂 ;人员变化大 ,容易出现温度分层、上下温度梯度大的现象。此外 ,受建筑造型的影响 ,送风口和回风口位置受限 ,大风量送风时易形成水平方向温度分布不均问题。针对高大空间空调气流组织设计的问题 ,目前 ,暖通界的主要手段是用 CFD 技术进行气流数值分析与模拟实验相结合。由于气流数值分析能够考虑室内的各种可能的内扰、边界条件和初始条件 ,因而能全面反映室内的气流分布情况 ,从而得到最优的气流组织方案。模拟实验
9、主要用来对重要的数据进行验证 ,或者进行必要的修正。因此 ,气流数值分析和模拟实验的结合是一种较好的气流组织设计方法。通风空调空间的气流组织直接影响到其通风空调效果 ,借助 CFD 可以预测仿真其中的空气分布详细情况 ,进而指导设计。2. 2 建筑外环境分析设计建筑外环境对建筑内部居者的生活产生重要的影响 ,所谓的建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到关注。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空气流动情况 ,还可进一步指导建筑内的自然通风设计等。51 第 6 期 师奇威等 :CFD 技术及其应用 1994-2007 Ch
10、ina Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/2. 3 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 ,都是通过流体工质的流动而工作的 ,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 ,从而降低建筑能耗 ,节省运行费用。2. 4 置换通风问题置换通风是近年来采用较多的一种新的送风方式 ,与传统的混合通风不同 ,置换通风的原理是新鲜空气从房间一侧进入 ,依靠推移排代作用而将污浊空气由另一侧排出。这种空调系统将
11、空气从房间的下部送入 ,靠室内发热体的热力作用 ,使新鲜空气以较小的扰动 ,流经工作区 ,带走室内的余热余湿和污染物质 ,上升的空气从上部的回风口排出。由于房间的空气分层分布 ,使得污染物浓度也呈竖向梯度分布 ,工作区易于保持洁净和热舒适性。置换通风存在的问题 ,一方面在于人体周围的上升气流将低区的空气带入呼吸区 ,污染物被同时带至工作区 ,而降低工作区空气的洁净度。另一方面 ,由于在地板附近送风 ,当空气温度较低 ,风速相对较高时 ,可能产生因吹风而引起的局部不适感。采用 CFD 方法建立数学模型 ,研究置换通风 ,可以克服实验研究中出现的运行费用高、实验条件受限等缺陷。2. 5 人体舒适性
12、问题人体热舒适性指的是人对热环境表示满意的意识状态 ,通过研究人体对热环境的主观热反应得到人体热舒适的环境参数组合的最佳范围和允许范围 ,以及实现这一条件的控制、调节方法。影响人体热舒适的环境参数有四个 :空气温度、气流速度、空气的相对湿度和平均辐射温度 ;人的自身参数有两个 :衣服热阻和劳动强度。国际上 ,采用CFD 研究人体热舒适的有 :日本的 Shuzo Muraka2mi 等人采用 CFD 技术进行数值模拟 ,利用暖体假人做试验验证模拟结果 ,以研究“不同气流组织”下人体周围的流场和温度场 ;日本 Flakt . K. K5 在CFD 程序中加入了 PM V 等热舒适性指标的计算模式
13、,并利用热辐射、温度、风速等空间分布对空间热舒适性做原则。在国内 ,姚润明等将人体热舒适性指标 PM V / PPD 模型与建筑动态热模拟及计算流体动力学模拟相结合 ,对通风房间进行了室内气候以及热舒适性的模拟与分析 ,取得了良好的效果。2. 6 室内空气品质问题室内空气品质是目前暖通空调界日益关注的问题 。良好的空气品质是空气中的污染物浓度不超过公认的权威机构所确定的有害物浓度指标 ,并且处于这种空气品质中的绝大多数人对此没有表示不满意。对室内空气品质的评价采用主观方式、客观方式或主、客观相结合的方式。客观评价的依据 ,是人们受到的影响与各种污染物浓度、种类、作用时间的关系 ,它利用空气龄、
14、换气效率、通风效能系数等概念和方法 ;主观评价则是通过对室内人员的问询获得 ,即利用人体的感官器官对环境进行描述和评价。利用 CFD 技术研究室内空气品质问题 ,主要是通过求解偏微分方程 ,得到室内各个位置的风速、温度、相对湿度、污染物浓度、空气龄等参数 ,从而评价通风换气效率、热舒适和污染物排除效率等。3 CFD 的发展状况与前景3. 1 CFD 研究方向 6 CFD 在暖通空调工程的应用始于 1974 年 ,国外在这方面发展较快 ,目前国内也有一些大学或科研机构在对此进行研究。就研究方向而言 ,主要可分为两方面 :基础研究和应用研究。目前 ,美国、欧洲、日本等发达国家对 CFD 的基础和应
15、用研究都处于领先水平 ;20 世纪 70 年代末 80 年代初 ,我国的一些高校、研究机构开始 CFD 技术的应用研究(清华大学等有较为独特的研究方向 ) ,20 年来 ,研究的范围从以室内空气分布以及建筑物内烟气流动规律的模拟为主 ,逐渐扩展到室外及建筑小区绕流乃至大气扩散问题 ,并已形成一些可以解决实际问题的软件。从软件工程的角度来看 ,求解 (核心计算 )的部分与国外先进水平差距不大 ,主要差距表现在前处理即几何造型与网格生成技术、后处理即科学计算可视化部分。开展 CFD 方面的研究尚有大量工作要做 ,表现为 :继续加强算法理念方面的基础研究 ;研究网络自动生成技术 ;研究科学计算可视化
16、技术 ;用 CFD 技术开展本行业中的应用研究。3. 2 CFD 技术动态 7 1) 室内空气流动的简化模拟美国 M IT 从描述空调风口入流边界条件的方61 制 冷 与 空 调 第 5 卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/法、湍流模型等方面进行研究 ,对室内空气流动进行 简化模拟 ;我国清华大学研究空调风口入流边界条件的新方法、湍流模型以及数值算法 ,建立室内空气流动数值模拟体系 ;2) 室内外空气流动的大涡模拟美国 M IT、日本东京大学研究大涡
17、模拟这一高级湍流数值模拟技术在室内外空气流动模拟中的应用 ,目前已经开始尝试用于建筑小区和自然通风模拟等 ;3) 室内空气流动和建筑能耗的耦合模拟美国 M IT 通过将简化的 CFD 模拟方法和建筑能耗计算耦合对建筑环境进行设计 ;3. 3 CFD 技术发展成就暖通空调制冷行业是 CFD 技术应用领域之一。我国暖通空调制冷行业对 CFD 的应用研究开展了大量的工作 ,取得了许多成果。通风空调设计方案优化及预测 ;传热传质设备的 CFD 分析 ,如各种换热器、冷却塔的 CFD 分析 ;射流技术的 CFD 分析 ,如空调送风的各种末端设备等 ;冷库库房及制冷设备的 CFD 分析 ;流体机械及流体元
18、件 ,如泵、风机等旋转机械内流动和各种阀门的 CFD 分析等 ;空气品质及建筑热环境的 CFD 方法评价、预测 ;建筑火灾烟气流动及防排烟系统的 CFD分析 ;锅炉燃烧 (油、气、煤 )规律的 CFD 分析 ;城市风与建筑物及室内空气品质的相互影响过程的 CFD 分析 ;管网水力计算的数值方法。参 考 文 献1 谢华 ,刘中平 . 通风、空调设计中的 CFD 技术 . 应用技术 ,2004 , (1) :35 372 陶文铨 . 数值传热学 (第一版 ) . 陕西 :西安交通大学出版社 ,1988 ,431 4393 陶建兴 ,杨亚东 ,孙庆宽 . CFD 仿真技术在空调房间温度场研究中的应用
19、 . 暖通空调 ,2002 ,32 (2) :95 984 赵彬 ,李先庭 ,彦启森 . 用 CFD 方法指导通风空调设计 . 制冷与空调 ,2001 , (5) :10 155 Flakt K K ,谭洪卫 ,等 . 空调设计中的 CFD 应用 . 现代空调 ,1999 , (1) :85 896 钟英杰 ,都晋燕 ,张雪梅 . CFD 在现代工业中的应用 . 浙江工业大学学报 ,2003 ,31 (3) :286 2897 张智力 ,吴喜平 . CFD 基本及其在暖通空调领域中的运用 . 能源技术 . 2002 ,23 (1) :8 1171 第 6 期 师奇威等 :CFD 技术及其应用 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/
