第七 章 CFD仿真模拟

一．初识CFD

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"地在计算机做实验，用以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。

　　1933年，英国人Thom首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程，CFD由此而生。1974年，丹麦的Nielsen首次将CFD用于暖通空调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟。之后短短的20多年内，CFD技术在暖通空调工程中的研究和应用进行得如火如荼。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有力工具。

二．为什么用CFD

　　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3000～20000美元，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，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方法确实具有不可比拟的优点，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方法可作为解决暖通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1四种暖通空调房间空气分布的预测方法比较

比较项目     1射流公式     2 ZONAL MODEL      3CFD       4模型实验

房间形状复杂程度          简单      较复杂            基本不限   基本不限

•对经验参数的依赖性       几乎完全    很依赖           一些     不依赖

•预测成本                 最低         较低            较昂贵         最高

 预测周期                   最短         较短            较长         最长

•结果的完备性             简略         简略            最详细       较详细

•结果的可靠性              差          差              较好        最好

• 适用性          1机械通风，且与实际射流条件有关    2机械和自然通风，

  3一定条件机械和自然通风4机械和自然通风

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•三．什么是CFD

•　　什么是CFD？简单地说，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，这其中将涉及流体力学（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，CFD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。由于湍流现象至今没有完全得到解决，目前HVAC内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。

　　 总体而言，CFD通常包含如下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。可表述为图1所示的过程：

•图1 CFD的过程示意

 3.1 建立数学物理模型

•　　建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述，对于暖通空调工程领域的流动问题而言，通常是不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程。另外，由于暖通空调领域的流体流动基本为湍流流动，所以要结合湍流模型才能构成对所关心问题的完整描述，便于数值求解。

                                                                   如下式为粘性流体流动的通用控制微分方程，随着其中的变量f 的不同，如f 代表速度、焓以及湍流参数等物理量时，上式代表流体流动的动量守恒方程、能量守恒方程以及湍流动能和湍流动能耗散率方程。基于该方程，即可求解工程中关心的流场速度、温度、浓度等物理量分布。

 3.2 数值算法求解

•　　上述的各微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法进行求解。这就需要对实际问题的求解区域进行离散。数值方法中常用的离散形式有：有限容积，有限差分，有限元。目前这三种方法在暖通空调工程领域的CFD技术中均有应用。总体而言，对于暖通空调领域中的低速，不可压流动和传热问题，采用有限容积法进行离散的情形较多。它具有物理意义清楚，总能满足物理量的守恒规律的特点。离散后的微分方程组就变成了代数方程组，表现为如下形式

                                                                                                                                            可见，通过离散之后使得难以求解的微分方程变成了容易求解的代数方程，采用一定的数值计算方法求解 (2) 式表示的代数方程，即可获得流场的离散分布。从而模拟关心的流动情况。

 3.3 结果可视化

•　　上述代数方程求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值，这样的结果不直观，难以为一般工程人员或其他相关人员理解。因此将求解结果的速度场、温度场或浓度场等表示出来就成了CFD技术应用的必要组成部分。通过计算机图形学等技术，就可以将我们所求解的速度场和温度场等形象、直观地表示出来。如下图2所示即为某会议室侧送风时的速度场和温度场。其中颜色的暖冷表示温度高低，矢量箭头的大小表示速度大小。

                                                                       可见，通过可视化的后处理，可以将单调繁杂的数值求解结果形象直观地表示出来，甚至便于非专业人士理解。如今，CFD的后处理不仅能显示静态的速度、温度场图片，而且能显示流场的流线或迹线动画，非常形象生动。

 图2a 某会议室侧送风形成的温度分布

  图2b 某会议室侧送风形成的速度分布

四．CFD在暖通空调中的应用

•了解了为什么用CFD、什么是CFD之后，我们关心的问题就是CFD如何应用于暖通空调工程。CFD主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题： 

•4.1 通风空调空间气流组织设计

　　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。如图3为利用CFD设计的某体育馆高大空间和某空调客车内部的气流组织结果，由此说明了CFD技术在通风空调空间气流组织设计方面的应用。图中用色调的暖冷表示温度的高低，矢量箭头的长短表示速度的大小，将空调空间内的流场形象直观地表示出来。

4.2 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。图4所示为利用CFD对某建筑小区的风环境模拟所得结果。图中色调暖冷和箭头长短均表示速度的大小。

4.3 建筑设备性能的研究改进

　　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，从而改进其更好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。如图5所示为对某蓄冰槽冬季用于蓄热以提高其利用率的CFD分析结果，图中显示的蓄热某时刻的槽内水温分布。由图可见此时槽内流动分层，没有明显的掺混流动，可以保证较好的蓄热和取热效果。

                       图3a 某体育馆空调送风速度分布图

•图3b 某空调客车内部空气气流组织图

                      图4 某小区外风环境模拟结果 

                      图5 蓄冰槽蓄热动态过程分析 

五．国内外研究动态

•　　CFD在暖通空调工程的应用始于1974年，国外在这方面发展较快，目前国内也有一些大学或科研机构在对此进行研究。就其研究方向而言，主要可分为两方面：基础研究和应用研究。目前，美国、欧洲、日本等发达国家对CFD的基础和应用研究都处于领先水平，我国的清华大学等也有较为独特的研究方向。下面简要介绍。 

•5.1 基础研究方面

　　目前CFD在暖通空调工程的应用基础研究方面，主要有如下新动态：

　　(1) 室内空气流动的简化模拟：美国MIT，从描述空调风口入流边界条件的方法、湍流模型等方面进行研究，以对室内空气流动进行简化模拟；中国清华大学，研究空调风口入流边界条件的新方法、湍流模型以及数值算法，建立室内空气流动数值模拟的简捷体系；

　2) 室内外空气流动的大涡模拟：美国MIT、日本东京大学，研究大涡模拟这一高级湍流数值模拟技术在室内外空气流动模拟中的应用，目前已经开始尝试用于建筑小区和自然通风模拟等；

　　(3) 室内空气流动模拟和建筑能耗的耦合模拟：美国MIT，通过将简化的CFD模拟方法和建筑能耗计算耦合对建筑环境进行设计；

  5.2 应用研究方面

　　(1) 自然通风的数值模拟：美国MIT、大学等，主要借助大涡模拟工具研究自然通风问题；

　　(2) 置换通风的数值模拟：美国MIT、丹麦Aalborg大学、中国清华大学等，如地板置换通风、座椅送风等；

　　(3) 高大空间的数值模拟：中国清华大学等，以体育场馆为主的高大空间的气流组织设计及其与空调负荷计算的关系研究；

　　 (4) VOC散发的数值模拟：美国MIT等，借助CFD研究室内有机散发污染物在室内的分布，研究室内IAQ问题；

　　(5) 洁净室的数值模拟：中国清华大学等；对型式比较固定的洁净室空调气流组织形式进行数值模拟，指导工程设计；

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