CFD在暖通空调中的应用

 

　　为制定出最佳的通风空调方案，暖通工作者都希望在设计阶段就能预测室内空气的分布情况。而目前在暖通空调领域中采用的方法主要有四种：射流公式法、Zonal Model、模型实验和CFD[1].

　　射流公式法是最经济简单的室内空气分布预测方法，对于实际空调房间的复杂气流形式模拟误差很大。Zonal Model模拟得到的实际上还是一种相对“精确”的集总结果，且在机械通风中的应用还存在较多问题。模型实验是最可靠的方法，但是搭建实验模型耗资很大，周期很长，而对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更多，周期也长达数月以上。且它对于整个流场的速度、温度分布缺乏全面深刻的了解，这些都限制了它的推广和使用。

　　CFD具有模拟设备简单、投资低、计算速度决、计算空间不受限制、完整的资料获取、并且可以模拟各种工况，是其它三种方法所不具备的。随着经济发展、科技进步，CFD技术已成为现代建筑领域一个重要的研究课题。

 

　　CFD是英文Computaional Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称，通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD可以看做是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟，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和重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工等诸多工程领域。暖通空调制冷行业是 CFD 技术应用的重要领域之一[2].

　　1933年，英国人Thom首次数值求解了二维粘性流体偏微分方程，标志着CFD的诞生；1974年，丹麦的P.V.Nielsen利用流函数和涡旋公式求解封闭二维流动方程，采用k-ε流体湍流模型模拟室内空气流动情况，首次将CFD技术应用于空调工程。随后10多年，世界各发达国家出于节约能源和提高社会工作效率的考虑，都投入大量人力、物力、财力来进行这方面的研究，并且取得了一定的成果[3].短短的 20 多年内，CFD 技术在暖通空调工程中的研究和应用也进行地如火如荼。如今，CFD 技术逐渐成为广大空调工程师和建筑师解决分析工程问题的强有力工具。

　　美国是使用CFD技术较早的国家之一。1986年美国国家标准协会对世界范围内用CFD模拟室内空气流动的发展情况进行了总结，并成立了专门研究机构，致力于室内空气流动的研究。美国ASHARE协会于1989年成立了研究用CFD方法预测室内空气流动的研究机构，比较完整的研究了CFD方法模拟室内空气流动的相关问题。日本是另一个使用CFD技术较成功的国家。数值模拟技术在日本建筑环境工程领域的应用始于20世纪70年代初[4].

　　2.1 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：

　　1.通风空调房间气流组织设计

　　借助CFD可以预测仿真通风空调空间的气流分布详细情况。气流数值分析能够考虑室内各种可能的内扰、边界条件和初始条件，因而它能全面地反映室内的气流分布情况，从而便于发现最优的气流分布方案，进而指导设计使其达到良好的通风空调效果。

　　2.建筑外环境分析设计

　　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。而且，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[5].

　　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。