CFD在暖通空調(diào)中的應(yīng)用

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　　摘要：本文對(duì)CFD技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，介紹其使用方法和步驟，為設(shè)計(jì)人員在暖通設(shè)計(jì)中應(yīng)用CFD技術(shù)提供參考。

　　關(guān)鍵詞：CFD技術(shù)；數(shù)值模擬；暖通空調(diào)；氣流組織

　　前言

　　為制定出最佳的通風(fēng)空調(diào)方案，暖通工作者都希望在設(shè)計(jì)階段就能預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣的分布情況。而目前在暖通空調(diào)領(lǐng)域中采用的方法主要有四種：射流公式法、Zonal Model、模型實(shí)驗(yàn)和CFD[1].

　　射流公式法是最經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單的室內(nèi)空氣分布預(yù)測(cè)方法，對(duì)于實(shí)際空調(diào)房間的復(fù)雜氣流形式模擬誤差很大。Zonal Model模擬得到的實(shí)際上還是一種相對(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(wèn)題。模型實(shí)驗(yàn)是最可靠的方法，但是搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃馁Y很大，周期很長(zhǎng)，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。且它對(duì)于整個(gè)流場(chǎng)的速度、溫度分布缺乏全面深刻的了解，這些都限制了它的推廣和使用。

　　CFD具有模擬設(shè)備簡(jiǎn)單、投資低、計(jì)算速度決、計(jì)算空間不受限制、完整的資料獲取、并且可以模擬各種工況，是其它三種方法所不具備的。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步，CFD技術(shù)已成為現(xiàn)代建筑領(lǐng)域一個(gè)重要的研究課題。

　　1、CFD技術(shù)

　　CFD是英文Computaional Fluid Dynamics（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）的簡(jiǎn)稱，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD可以看做是在流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程）控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬，是進(jìn)行“三傳”（傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞）及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心和重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于熱能動(dòng)力、航空航天、機(jī)械、土木水利、環(huán)境化工等諸多工程領(lǐng)域。暖通空調(diào)制冷行業(yè)是 CFD 技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一[2].

　　1933年，英國(guó)人Thom首次數(shù)值求解了二維粘性流體偏微分方程，標(biāo)志著CFD的誕生；1974年，丹麥的P.V.Nielsen利用流函數(shù)和渦旋公式求解封閉二維流動(dòng)方程，采用k-ε流體湍流模型模擬室內(nèi)空氣流動(dòng)情況，首次將CFD技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)工程。隨后10多年，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家出于節(jié)約能源和提高社會(huì)工作效率的考慮，都投入大量人力、物力、財(cái)力來(lái)進(jìn)行這方面的研究，并且取得了一定的成果[3].短短的 20 多年內(nèi)，CFD 技術(shù)在暖通空調(diào)工程中的研究和應(yīng)用也進(jìn)行地如火如荼。如今，CFD 技術(shù)逐漸成為廣大空調(diào)工程師和建筑師解決分析工程問(wèn)題的強(qiáng)有力工具。

　　美國(guó)是使用CFD技術(shù)較早的國(guó)家之一。1986年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)對(duì)世界范圍內(nèi)用CFD模擬室內(nèi)空氣流動(dòng)的發(fā)展情況進(jìn)行了總結(jié)，并成立了專門(mén)研究機(jī)構(gòu)，致力于室內(nèi)空氣流動(dòng)的研究。美國(guó)ASHARE協(xié)會(huì)于1989年成立了研究用CFD方法預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣流動(dòng)的研究機(jī)構(gòu)，比較完整的研究了CFD方法模擬室內(nèi)空氣流動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題。日本是另一個(gè)使用CFD技術(shù)較成功的國(guó)家。數(shù)值模擬技術(shù)在日本建筑環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代初[4].

　　2、CFD技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用

　　2.1 CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域

　　CFD 主要可用于解決以下幾類暖通空調(diào)工程的問(wèn)題：

　　1.通風(fēng)空調(diào)房間氣流組織設(shè)計(jì)

　　借助CFD可以預(yù)測(cè)仿真通風(fēng)空調(diào)空間的氣流分布詳細(xì)情況。氣流數(shù)值分析能夠考慮室內(nèi)各種可能的內(nèi)擾、邊界條件和初始條件，因而它能全面地反映室內(nèi)的氣流分布情況，從而便于發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的氣流分布方案，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)使其達(dá)到良好的通風(fēng)空調(diào)效果。

　　2.建筑外環(huán)境分析設(shè)計(jì)

　　建筑外環(huán)境對(duì)建筑內(nèi)部居住者的生活有重要的影響，建筑小區(qū)二次風(fēng)、小區(qū)熱環(huán)境等問(wèn)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(guò)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[5].

　　3.室內(nèi)空氣品質(zhì)研究

　　利用CFD技術(shù)研究室內(nèi)空氣品質(zhì)問(wèn)題，主要是通過(guò)模擬得到室內(nèi)各個(gè)位置的風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、污染物濃度等參數(shù)，從而評(píng)價(jià)通風(fēng)換氣效率、熱舒適和污染物排除效率等。