CFD在暖通空調(diào)中的應用

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　　摘要：本文對CFD技術在暖通空調(diào)中的應用進行了闡述，介紹其使用方法和步驟，為設計人員在暖通設計中應用CFD技術提供參考。

　　關鍵詞：CFD技術；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空調(diào)方案，暖通工作者都希望在設計階段就能預測室內(nèi)空氣的分布情況。而目前在暖通空調(diào)領域中采用的方法主要有四種：射流公式法、Zonal Model、模型實驗和CFD[1].

　　射流公式法是最經(jīng)濟簡單的室內(nèi)空氣分布預測方法，對于實際空調(diào)房間的復雜氣流形式模擬誤差很大。Zonal Model模擬得到的實際上還是一種相對“精確”的集總結果，且在機械通風中的應用還存在較多問題。模型實驗是最可靠的方法，但是搭建實驗模型耗資很大，周期很長，而對于不同的條件，可能還需要多個實驗，耗資更多，周期也長達數(shù)月以上。且它對于整個流場的速度、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具有模擬設備簡單、投資低、計算速度決、計算空間不受限制、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)濟發(fā)展、科技進步，CFD技術已成為現(xiàn)代建筑領域一個重要的研究課題。

　　1、CFD技術

　　CFD是英文Computaional Fluid Dynamics（計算流體動力學）的簡稱，通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD可以看做是在流動基本方程（質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程）控制下對流動的數(shù)值模擬，是進行“三傳”（傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞）及燃燒、多相流和化學反應研究的核心和重要技術，廣泛應用于熱能動力、航空航天、機械、土木水利、環(huán)境化工等諸多工程領域。暖通空調(diào)制冷行業(yè)是 CFD 技術應用的重要領域之一[2].

　　1933年，英國人Thom首次數(shù)值求解了二維粘性流體偏微分方程，標志著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方程，采用k-ε流體湍流模型模擬室內(nèi)空氣流動情況，首次將CFD技術應用于空調(diào)工程。隨后10多年，世界各發(fā)達國家出于節(jié)約能源和提高社會工作效率的考慮，都投入大量人力、物力、財力來進行這方面的研究，并且取得了一定的成果[3].短短的 20 多年內(nèi)，CFD 技術在暖通空調(diào)工程中的研究和應用也進行地如火如荼。如今，CFD 技術逐漸成為廣大空調(diào)工程師和建筑師解決分析工程問題的強有力工具。

　　美國是使用CFD技術較早的國家之一。1986年美國國家標準協(xié)會對世界范圍內(nèi)用CFD模擬室內(nèi)空氣流動的發(fā)展情況進行了總結，并成立了專門研究機構，致力于室內(nèi)空氣流動的研究。美國ASHARE協(xié)會于1989年成立了研究用CFD方法預測室內(nèi)空氣流動的研究機構，比較完整的研究了CFD方法模擬室內(nèi)空氣流動的相關問題。日本是另一個使用CFD技術較成功的國家。數(shù)值模擬技術在日本建筑環(huán)境工程領域的應用始于20世紀70年代初[4].

　　2、CFD技術在暖通空調(diào)領域的應用

　　2.1 CFD在暖通空調(diào)中的主要應用領域

　　CFD 主要可用于解決以下幾類暖通空調(diào)工程的問題：

　　1.通風空調(diào)房間氣流組織設計

　　借助CFD可以預測仿真通風空調(diào)空間的氣流分布詳細情況。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，進而指導設計使其達到良好的通風空調(diào)效果。

　　2.建筑外環(huán)境分析設計

　　建筑外環(huán)境對建筑內(nèi)部居住者的生活有重要的影響，建筑小區(qū)二次風、小區(qū)熱環(huán)境等問題日益受到人們的關注。采用CFD可以方便地對建筑外環(huán)境進行模擬分析，從而設計出合理的建筑風環(huán)境。而且，通過模擬建筑外環(huán)境的風流動情況，還可進一步指導建筑內(nèi)的自然通風設計等[5].

　　3.室內(nèi)空氣品質(zhì)研究

　　利用CFD技術研究室內(nèi)空氣品質(zhì)問題，主要是通過模擬得到室內(nèi)各個位置的風速、溫度、相對濕度、污染物濃度等參數(shù)，從而評價通風換氣效率、熱舒適和污染物排除效率等。