CFD在暖通空调领域的应用

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1.CFD在暖通空调中的主要应用领域•CFD（ComputationalFluidDynamics，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CFD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。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1.CFD在暖通空调中的主要应用领域（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。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2用CFD方法解决问题的一般步骤在这种设计过程中,设计可行与否往往取决于试验,为保证性能稳定,就不得不进行大量试验,而且,产品方案的筛选和优化是在设计、制造、测试部门之间进行大循环,由于牵涉的环节多,产品的开发周期长,费用高;对工程设计而言,往往需要进行方案选择、优化,这一工作一般是靠经验完成,难免导致方案可靠性降低,从而引起设计失败。计算流体力学即CFD的应用则改变了传统的设计过程,由于CFD软件可以相对准确地给出流体流动的细节,如速度场、压力场、温度场或浓度场分布的时变特性,因而不仅可以准确预测流体产品的整体性能,而且很容易从对流场的分析中发现产品或工程设计中的问题,据此提出的改进方案只需重新计算一次就可以判断、评估改进是否有效,并更容易得到某些规律性的知识。3.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-ε模型居多--解析坐标系：多采用直交坐标3.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）4.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4.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。4.1暖通空调设计的目的4.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。4.2室内气流的构造、分布特征CFD基本上都是通过求解一组非线性偏微分方程数值模拟流体流动的物理过程，这些偏微分方程描述了基本的物理规律，如质量，动量和能量守恒。室内空气流动的驱动力是压力差，这些压力差主要是由于风速，热浮升力，机械通风系统中某一种或者某几种共同作用而产生。微分方程组5.CFD技术的理论方法当把CFD用于IAQ(IndoorAriQuality)领域时，运用控制容积的方法推导N一s方程描述质量和动量守恒，同时应用能量守恒和质量守恒定律。在三维笛卡儿坐标系中，偏微分方程分别表示了室内气流流动，热交换和污染物的迁移。5.CFD技术的理论方法X方向动量守恒Y方向动量守恒Z方向动量守恒质量守恒5.CFD技术的理论方法污染物浓度守恒能量守恒5.CFD技术的理论方法紊流能量传递方程)()()(jjjijitjktjjjxuxuxuxkxxkukCxuxuxukCxxxuijjijitjtjjj221)()()(紊流能量耗散率方程5.CFD技术的理论方法6.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•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。6.1暖通空调设计的目的6.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。6.2室内气流的构造、分布特征6.CFD技术在暖通空调中的应用方法在传统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。6.CFD技术在暖通空调中的应用方法物理现象的叠加关系•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6.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。（3）暖通空调设计中的流体解析问题6.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•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-ε方程式紊流模型--K为紊流能量--ε为紊流消失率--由k、ε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。6.CFD技术在暖通空调中的应用方法CFD解析流程•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①计算格子划分6.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：6.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：6.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6.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。②解析物理模式6.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，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。③边界条件的设定6.CFD技术在暖通空调中的应用方法④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。6.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。6.CFD技术在暖通空调中的应用方法•CFD解析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。6.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、phoenics6.CFD技术在暖通空调中的应用方法7.应用实例苯浓度分布空调房间速度分布空调房间温度分布房间温度变化过程中的某时刻,制冷的横截面速分布。从图中温度梯度可知风速小于人敏感的0.5m/s,从而可以避免由于气流过猛,给人体所带来的不舒适感。制冷的横截面温度场分布可看出冷空气较热空气密度大,向下趋势明显,从而导致房间下部要比高处温降快。上海国际体操中心大剧院相对湿度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车用空调风扇的CFD模拟