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1、基于基于 CFDCFD 模拟的大型公共建筑通风模拟的大型公共建筑通风空调系统研究空调系统研究课题名称： 基于 CFD 模拟的大型公共建筑通风空调系统研究 课题承担单位（盖章）： 中国建筑第七工程局有限公司 课题起止时间： 2013 年 01 月至 2014 年 06 月 课题验收时间： 2014 年 07 月 目目 录录1 1 绪绪 论论.1 11.1 选题背景 .11.2 计算流体力学（CFD）在通风空调中应用 .21.3 国内外研究现状 .61.3 本文研究的内容和目标 .82 2 CFDCFD 发展概况与原理分析发展概况与原理分析.9 92.1 计算流体力学的发展历史.92.2 物理现象
2、的数学描述.112.3 计算方法及求解过程.142.4 总结.203 3 工程原设计方案通风空调系统工程原设计方案通风空调系统 CFDCFD 模拟研究模拟研究 .21213.1 建筑设计概况 .213.2 展厅原设计方案夏季 CFD 模拟计算.223.3 展厅原设计方案冬季 CFD 模拟计算.273.4 总结.304 4 工程现状通风空调系统工程现状通风空调系统 CFDCFD 模拟研究模拟研究 .32324.1 展厅现状夏季 CFD 模拟计算.324.2 展厅现状冬季 CFD 模拟计算.384.3 总结.425 5 分层空调方案空调系统分层空调方案空调系统 CFDCFD 模拟研究模拟研究 .4
3、4445.1 分层空调改进方案设计计算.445.2 分层空调的 CFD 模拟计算.465.3 本章小结.546 6 结论结论 .55556.1 主要研究结论.556.2 课题研究心得.5601 1 绪绪 论论1.11.1 选题背景选题背景目前，国内外大型公共建筑的建设数量越来越多，公共建筑对通风空调系统的要求也越来越高。大型公共建筑一般指建筑面积 2万平方米以上且采用中央空调的办公建筑、商业建筑、旅游建筑、科教文卫建筑、通信建筑以及交通运输等公共建筑用房。 CFD(ComputationalFluidDynamics,即计算流体动力学,简称CFD)是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行“三传
4、”(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。在1998 年全国暖通空调制冷学术年会上设有一个 CFD 专题小组,之后基于 CFD 模拟通风空调系统的研究就越来越突出。近几年来，随着计算机大容量化和高速度化以及 CFD 的发展，应用 CFD 技术模拟预测大型公共建筑空调系统的气流组织、热舒适性以及优化设计方案成为可能。大型公共建筑空调系统由于受到初投资昂贵、设计复杂等条件的限制，我国尚缺乏各种空调设计方案在大型公共建筑中采用的应用实例。因此，结合淮
5、北恒大名都二期主体及配套工程二标段工程项目原设计院设计有回风管道空调系统和无回风管道空调系统现状以及改进方案分层空调系统三种方案，利用专业软件 Airpak2.1 对其空调系统的热舒适性与气流组织开展了模拟研究，以期研究结果能对实际空调工程设计具有指导价值。11.21.2 计算流体力学（计算流体力学（CFDCFD）在通风空调中应用）在通风空调中应用1.2.11.2.1 初识初识 CFDCFD CFD 是英文 Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，CFD 相当于“虚拟”地在计算机上做实验，用以
6、模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，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。可以认为 CFD 是现代模拟仿真技术的一种。CFD 是目前国际上一个被极为关注的研究领域，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。 CFD 就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的技术，这其中涉及流体力学（尤其是湍流力学）、计算方法乃至计算机图形处理等技术。因问题的不同，CF
7、D 技术也会有所差别，如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动等。对于暖通空调领域内的流动问题，多为低速流动，流速在 10m/s 以下；流体温度或密度变化不大，故可将其看作不可压缩流动，不必考虑可压缩流体高速流动下的激波等复杂现象。从此角度而言，此应用范围内的 CFD 和数值传热学 NHT（Numerical Heat Transfer）等同。另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，这又给解决实际问题带来很大的困难。由于湍流现象理论求解至今没有完全得到解决，目前 HVAC 领域内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。 2总体而言，CFD 通常包含如下几个主要环节：建立数学物理
8、模型、数值算法求解、结果可视化。1.2.21.2.2 CFDCFD 的模拟优势的模拟优势CFD 是一种模拟仿真技术，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。 由于建筑空间越来越向复杂化、多样化和大型化发展，实际空调通风房间的气流组织形式变化多样，而传统的射流理论分析方法采用的是基于某些标准或理想条件理论分析或试验得到的射流公式对空调送风口射流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测，势必会带来较大的误差。并且，射流分析方法只能给出室内
9、的一些集总参数性的信息，不能给出设计人员所需的详细资料，无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求；Zonal model 是将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参数如温度、浓度相等，而区域间存在热质交换，通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布以及流动情况，因此模拟得到的实际上还只是一种相对“精确”的集总结果，且在机械通风中的应用还存在较多问题；模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，搭建实验模型耗资很大，有文献指出单个实验通常耗资 300020000 美元，而对于不同的条件，可能还需要多个实
10、验，耗资更多，周期也长达数月以上，难于在工程设计中广泛采用。 另一方面，CFD 具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种3不同的工况等独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐。由表 1-1 给出的四种室内空气分布预测方法的对比可见，就目前的三种理论预测室内空气分布的方法而言，CFD 方法确实具有无法比拟的优点，且由于当前计算机技术的发展，CFD 方法的计算周期和成本完全可以为工程应用所接受。尽管 CFD 方法还存在可靠性和对实际问题的可算性等问题，但这些问题已经逐步得到发展和解决。因此，CFD 方法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
11、布情况。 进一步而言，对于室外空气流动以及其它设备内的流体流动的模拟预测，一般只有模型实验或 CFD 方法适用。表 1-1 的比较同样表明了 CFD 方法比模型实验的优越性。故此，CFD 方法可作为解决空调工程的流动和传热传质问题的强有力工具而推广应用。表 1-1 四种通风空调房间空气分布的预测方法比较1.2.31.2.3 CFDCFD 在空调工程中的应用在空调工程中的应用CFD 主要可用于解决以下几类空调工程的问题： （1）通风空调空间气流组织设计 4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，从而指导设计。通风空调空间通常又可分为：普通
12、建筑空间，如住宅、办公室、高大空间等；特殊空间，如洁净室、客车、列车及其它需要空调的特殊空间。 （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有着重要的影响，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。 （3）建筑设备性能的研究改进 通风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，从而改进其
13、更好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。 在 2002 年全国暖通空调制冷学术年会上设有一个 CFD 专题小组，对 CFD 模型及应用技术开展讨论。CFD 在 HVAC 领域研究及应用可概括为两方面： a) 模型及计算方法的研究； b) CFD 的应用。 会上提出了在辐射条件下如何计算室内的空气的温度分布、壁面和空气的换热、壁面的温度分布的多种模型，提出如何简化已有的 CFD 模型，在微机上准确计算包括高大空间气流组织在内的各种通风空调热环境问题。 5应用 CFD 模拟大空间气流组织，在国内湖南大学龚光彩教授在 1997 年进行过“高大空间横向隔断气流的计算机仿真”，1998 年进行“高大空间纵向隔断气流的数值仿真”；清华大学赵彬博士在 2000 年进行过“人民大会堂空调气流组织现状的数值模拟与改进”；同济大学谭良才博士后在 2000 年，进行“高大空间恒温空调气流组织设计方法
