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1、CFD在暖通空调领域的应用,2020/8/26,1,荆有印 ,CFD在暖通空调领域的应用,CFD在暖通空调中的主要应用领域 CFD软件的功能及数值模拟的分类 CFD技术在空调中的应用方法 应用实例,2020/8/26,2,荆有印 ,1 CFD在暖通空调中的主要应用领域,CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）是目前国际上一个强有力的研究领域。 它的产生可以追溯到20世纪30年代初，是流体力学、数值计算方法以及计算机图形学三者相互结合的产物。 1974年，丹麦的尼尔森(P.V.Nielsen)首次将CFD技术应用于空调工程，模拟室内空气流动情况，标志着C
2、FD技术开始应用于分析工程中的流动问题。 CFD是目前国际上一个强有力的研究领域，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与重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工、暖通空调及空气净化等诸多工程领域。,2020/8/26,3,荆有印 ,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：,通风空调房间气流组织设计 建筑外环境分析设计 室内空气品质研究 建筑设备性能的研究改进,2020/8/26,4,荆有印 ,1.CFD在暖通空调中的主要应用领域,CFD可以预测仿真通风空调空间的气流分布情况 能考虑室内各种
3、可能的内扰、边界条件和初始条件 能全面地反映室内气流分布情况，从而发现最优的气流组织方案，以指导设计，使其达到良好的通风空调效果,（1）通风空调房间气流组织设计,2020/8/26,5,荆有印 ,1.CFD在暖通空调中的主要应用领域,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。 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。,（2）建筑外环境分析设计,2020/8/26,6,荆有印 ,1.CFD在暖通空调中的主要应用领域,（3）室内空气品质研
4、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。,2020/8/26,7,荆有印 ,1.CFD在暖通空调中的主要应用领域,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，从而改进其工作，降低建筑能耗，节省运行费用。,（4）建筑设备性能的研究改进,2020/8/26,8,荆有印 ,2.CFD软件的功能及数值模拟的分类,（1）CFD软件的功能,CFD软件几乎包罗了所
5、有现行的解析手法、数学物理模型。 - 离散化：MAC法和SIMPLE法 - 紊流模型：以标准K-模型居多 - 解析坐标系：多采用直交坐标,2020/8/26,9,荆有印 ,2.CFD软件的功能及数值模拟的分类,按解析的着眼点分为： - 时间变动特性解析 - 空间分布解析（一般用于热负荷预测解析） 按规模分为： - 宏观解析 - 微观解析（用于气流分布、温湿度、气体浓度分布的解析）,（2）计算机数值模拟的分类,这里主要介绍气流分布、温湿度、气体浓度分布的解析。,（以建筑空间为对象）,2020/8/26,10,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,空调设计的目的 室内气流的构造、分布特征
6、,2020/8/26,11,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,实现所要求的室内气候环境： - 温湿度、气流、污染物质浓度等的分布 系统设计及设备选型要求： - 在技术上要可行，在经济上要合理。,3.1 暖通空调设计的目的,2020/8/26,12,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,计算流体力学(CFD)是除模型实验外，可详细解析三次元室内气流的唯一手段 利用CFD技术，可更有效地了解室内气流的构造、分布特征 为合理的系统设计及设备选型提供有益的参考资料,3.2 室内气流的构造、分布特征,2020/8/26,13,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,在传统
7、的室内气流组织设计中，对送风口、回风口以及室内热源等各因素的影响:,（1）传统的室内气流组织设计,往往只能凭个人对物理现象(气流、传热)的理解，凭经验进行单纯的合成(即线性近似)，进行设计。 但由于各参数间的相互影响，实际上是呈非线性关系，因此不能单纯地合成，如图所示。 对这样非线性问题的解析，使用计算流体力学(CFD)就得心应手了。,2020/8/26,14,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,物理现象的叠加关系,2020/8/26,15,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,对描述流体物理现象的基础方程式(运动方程、质量守恒、能量守恒等联立偏微分方程)作离散化处理，实
8、现数值解析。 离散化处理的对象：是作为独立变量的时间、空间变量，求出其对应的参数速度、压力等。 离散化处理(时间、空间的分割)：直接与计算机的能力(计算速度、内存容量)相关。 分割(时间间隔、计算格子)：越细，对计算机的能力要求就越高(解析精度也就相对高)。,（2）计算流体力学,2020/8/26,16,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,常见空调设计中的流体解析问题：大都为紊流问题。 对紊流现象用计算机直接计算从计算时间、计算机内存容量上近于不可能。 紊流模型：在工程上，着眼于流场的主流。在对微小涡流构造忽略的前提下，近似的将瞬时变化的紊流部分作时间平均化处理，从而产生了紊流模型
9、。,（3）暖通空调设计中的流体解析问题,2020/8/26,17,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,室内气流组织设计过程中应考虑的因素,2020/8/26,18,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,紊流部分的时间平均化处理：有各种方法，如导入涡粘性系数的方法，即半经验型K-方程式紊流模型 -K为紊流能量 -为紊流消失率 -由k、求出涡粘性系数 CFD的解析流程： -解析范围确定 计算格子划分 CFD解析。,2020/8/26,19,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,CFD解析流程,2020/8/26,20,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,
10、将解析范围分割成微小计算格子。 计算格子的分类： - 直交(构造型) - 非直交(非构造型)型格子, 计算格子划分,2020/8/26,21,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,对解析范围做直交格子分割。 有时可能会使用过多的格子，虽然浪费计算机的内存容量，但解析的稳定性较佳。,计算格子分割类型,直交型格子的特点：,2020/8/26,22,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,适用于复杂的形状。 配置的自由度大，可根据需要自由调整格子大小，这样就节约了计算机的内存容量。 解析的稳定性欠佳，收敛所需时间长。,计算格子分割类型,非直交型格子的特点：,2020/8/26,23
11、,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,此外，利用复数的直交系格子构成的复合系格子也得到广泛利用。,非直交型应用实例,2020/8/26,24,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,物理模式：对应于各种物理现象(层流，低雷诺数/高雷诺数紊流等)的物理模式被不断开发出来 物理模式的选择：根据解析对象做合理的选择 对解析对象进行合理的分析，适当地选择对称面，可简化解析范围，节约计算机的内存容量和计算时间。, 解析物理模式,2020/8/26,25,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,解析范围的形状确定后，边界条件主要有室内空调负荷(包括墙面的传热)，送、回风口的设置
12、，吹出、吸入条件等。 其中太阳辐射热负荷条件的确定较麻烦。通过别的途径将热负荷条件解析后作为CFD的传热边界条件。 边界条件设定：妥善与否，会左右CFD的解析的正确性、效率及精度。 CFD解析的关键问题：如何明确解析对象，选择具有代表性的解析要素是CFD解析的关键问题。如图1-6所示。, 边界条件的设定,2020/8/26,26,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,2020/8/26,27,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法, 边界条件的设定需注意的问题,1）空调方式、空调负荷作为边界条件时的不确切性,许多CFD解析，为了简化边界条件，减少输入条件，往往将空调负荷作为固
13、定的边界条件，但严格地说，室内空调负荷是受室内气流、温度分布影响的。,2020/8/26,28,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,当解析对象空间是独立空间时，解析范围、边界条件的确定是较容易的。 当解析对象是半开放空间(如中庭开放空间)，与其他空间相接时，就要求对相互影响加以考虑。 受计算机容量、能力、时间等的限制，对全域进行解析是困难的，且在经济、技术上也是不合理的。,2）边界条件的变动处理,处理方法：做合理的变动处理，人为地设定一些边界条件。例如在半开放空间边界上将风速、温度或压力等做假定。,2020/8/26,29,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,CFD解析
14、时需将解析对象空间分割成微小计算格子。 计算格子分割的粗细又受计算机容量、能力、时间所限。尤其是对大空间来说，要描述喷口送风口这样的小物体。对其周边做相应的格子分割，则是不经济、不现实的，甚至有时是不可能的。 因此，将其模式化是一种有效的方法。,3）边界条件的模式化,常用的实用方法：将这些送风口在自由空间条件下对其流体力学特性做另外单独解析，然后将其作为解析空间中这些送风口位置处的边界。,2020/8/26,30,荆有印 ,3.CFD技术在暖通空调中的应用方法,需详细阅读CFD应用软件说明及实例。 虽然市场上出售的通用CFD软件在操作性上越来越简单，即使不懂CFD、不懂暖通空调也可操作，但是如
15、果解析的输入边界条件不妥，将不可能得到正确的所期待的结果。 正确地确定输入边界条件，不仅需要对CFD有一定的了解，也需要具备定的空调专业知识和经验。 常用模拟软件Fluent、phoenics,2020/8/26,31,荆有印 ,4. 应用实例,（a）A截面 （b）B截面,单元房,2020/8/26,32,荆有印 ,苯浓度分布,2020/8/26,33,荆有印 ,冷库温度场实验与模拟分析,2020/8/26,34,荆有印 ,汽机房室内速度分布图,2020/8/26,35,荆有印 ,汽机房室内温度分布图,2020/8/26,36,荆有印 ,空调房间速度分布,空调房间温度分布,2020/8/26,
16、37,荆有印 ,上海国际体操中心,2020/8/26,38,荆有印 ,武汉大剧院,2020/8/26,39,荆有印 ,相对湿度,2020/8/26,40,荆有印 ,2020/8/26,41,荆有印 ,2020/8/26,42,荆有印 ,地板辐射采暖房间纵向温度分布特性曲线,工位空调温度分布,办公室工位空调,2020/8/26,43,荆有印 ,车用空调风扇的CFD模拟,2020/8/26,44,荆有印 ,2020/8/26,45,荆有印 ,“CFD”整体模拟技术优化水力模型,2020/8/26,46,荆有印 ,2020/8/26,47,荆有印 ,2020/8/26,48,荆有印 ,作业题,自选一空调房间，试进行如下工作： 进行夏季空调负荷计算 确定空调方案，选择末端设备 进行气流组织计算及数值模拟 分析模拟结果,2020/8/26,49,荆有印 ,再见,2020/8/26,50,荆有印 ,1、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。20.8.262
