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一、cfd基本原理

CFD是通過計(jì)算機(jī)模擬和數(shù)值計(jì)算方法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，解決物理問題的精確數(shù)值算法。它是流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)三者相互結(jié)合的產(chǎn)物。CFD是繼實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)和理論流體力學(xué)之后出現(xiàn)的第三種流體力學(xué)的研究方法，是十分重要的研究方法。在航空航天、土木工程、水利工程等研究領(lǐng)域都扮演著重要角色。尤其是在暖通空調(diào)和室內(nèi)外通風(fēng)等研究方法，CFD成為了最為行之有效的分析方法。

二、CFD在暖通工程的應(yīng)用

CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域CFD主要可用于解決以下幾類暖通空調(diào)工程的問題：

1.提高室內(nèi)空調(diào)效率

采用CFD分析方法可以預(yù)測(cè)氣流在房間中的流動(dòng)情況，在充分考慮室內(nèi)環(huán)境、各類邊界條件與擾動(dòng)的影響后，可全面地反映室內(nèi)的氣流分布情況，通過進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以得道一個(gè)合理的氣流分布方法，使空調(diào)的使用效率最優(yōu)。

2.建筑周邊環(huán)境分析

建筑周邊環(huán)境對(duì)居民日常生活起著舉足輕重的作用。對(duì)居民小區(qū)的風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)，是CFD分析的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域。采用CFD方法，在建筑設(shè)計(jì)階段即可對(duì)建筑周邊環(huán)境進(jìn)行分析和優(yōu)化，對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行驗(yàn)證，使建筑通風(fēng)和自然采光達(dá)到最佳效果，是小區(qū)居民生活品質(zhì)的重要保障。

3.室內(nèi)環(huán)境狀況分析

采用試驗(yàn)方法分析室內(nèi)環(huán)境狀況，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間與經(jīng)費(fèi)，而采用CFD方法進(jìn)行分析不僅可以節(jié)省時(shí)間，同時(shí)也能精確預(yù)測(cè)利房間內(nèi)的風(fēng)速、溫濕度、污染物分布等指標(biāo)，計(jì)算出通風(fēng)效率、毒害物擴(kuò)散效率和熱舒適等，進(jìn)而對(duì)室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)做出一個(gè)合理的評(píng)估。

4.暖通設(shè)備性能評(píng)估

暖通空調(diào)工程使用的大部分設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、水槽、空調(diào)等，其運(yùn)行狀態(tài)都受流質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，空氣或水的流動(dòng)情況是評(píng)價(jià)設(shè)備性能的重要指標(biāo)。通過CFD分析設(shè)備工作時(shí)的流場(chǎng)分布情況和流質(zhì)流動(dòng)情況，可有效地預(yù)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)。進(jìn)而選擇設(shè)備最佳工作狀態(tài)，降低設(shè)備能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

三、暖通空調(diào)領(lǐng)域中CFD的求解過程

暖通空調(diào)領(lǐng)域用CFD進(jìn)行模擬仿真，其主要環(huán)節(jié)無(wú)外乎包括以下幾個(gè)方面:建立數(shù)學(xué)物理模型、進(jìn)行氣流數(shù)值求解、將數(shù)值解結(jié)果可視化等。

（1）確定邊界條件與初始條件初始條件和邊界條件是控制方程有確定解的前提。初始條件是所研究對(duì)象在過程開始時(shí)刻各個(gè)求解變量的空間分布情況。對(duì)于瞬態(tài)問題必須給定初始條件，對(duì)于穩(wěn)態(tài)問題不需要初始條件。

（2）劃分計(jì)算網(wǎng)格。網(wǎng)格分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。簡(jiǎn)單說(shuō)，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間上比較規(guī)范，如對(duì)一個(gè)四邊形區(qū)域，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格多是成行成列分布的，而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間分布上沒有明顯的行線和列線。

（3）建立離散方程并求解。離散方程常用的方法有：有限容積法、有限差分法和有限元法等。選擇合適的方法，對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行離散。

四、CFD在暖通空調(diào)節(jié)能應(yīng)用情況

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人民生活水平大幅提升，城市生活對(duì)化石能源的需求量越來(lái)越大。但今年來(lái)一系列能源危機(jī)提醒我們應(yīng)當(dāng)注重能源安全問題。在建筑工程領(lǐng)域，采用CFD分析模擬，可有效減少建筑能耗，并能提高暖通設(shè)備的運(yùn)行工作效率，我國(guó)暖通工作者已認(rèn)識(shí)到CFD計(jì)算在研究和設(shè)計(jì)中的重要地位。

1.我國(guó)CFD在暖通空調(diào)節(jié)能應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我們已開始采用CFD對(duì)暖通空調(diào)節(jié)能的相關(guān)因素進(jìn)行整體的系統(tǒng)模擬分析。通過在CFD模擬中改變?cè)O(shè)備參數(shù)，就有可能優(yōu)化設(shè)備組合，改進(jìn)系統(tǒng)性能。國(guó)外已把CFD用于室內(nèi)空氣流動(dòng)與建筑能耗禍合模擬，我國(guó)清華大學(xué)也用CFD對(duì)空間氣流組織設(shè)計(jì)與空調(diào)負(fù)荷的關(guān)系進(jìn)行研究，這對(duì)建筑節(jié)能有重大意義。目前，我國(guó)在采用CFD解決建筑節(jié)能方面的研究還不是很深人，因而應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)研究和推廣的力度。

2.我國(guó)CFD應(yīng)用存在的問題

我國(guó)研究機(jī)構(gòu)很早就開始CFD模擬技術(shù)的應(yīng)用研究，研究的范圍從以室內(nèi)空氣分布以及建筑物內(nèi)煙氣流動(dòng)規(guī)律的模擬為主，逐漸擴(kuò)展到室外及建筑小區(qū)繞流乃至大氣擴(kuò)散問題，并已形成一些可以解決實(shí)際問題的軟件。所以，從總體上看，我國(guó)暖通行業(yè)中開展CFD方面研究尚有大量工作要做，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）還要建立在考慮輻射條件下計(jì)算室內(nèi)空氣的溫度分布、壁面和空氣的換熱、壁面的溫度分布的多種模型。

（2）將已有的CFD模擬技術(shù)方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，能夠在微機(jī)上較準(zhǔn)確地計(jì)算包括高大空間氣流組織在內(nèi)的各種通風(fēng)空調(diào)熱環(huán)境問題。

（3）考慮實(shí)際空調(diào)管道連接帶來(lái)的風(fēng)口出流特性變化，從而使室內(nèi)空氣流動(dòng)模擬更加準(zhǔn)確等。

（4）CFD技術(shù)在CAE工程中已表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，如果將與CAD及CAM乃至AI技術(shù)有效地結(jié)合在一起，將顯示其強(qiáng)大的生命力。

五、結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)城市化的腳步越來(lái)越快，建筑能耗逐年大幅度上升，建筑能耗問題已成為我國(guó)能源消耗的重要來(lái)源。減少不必要的建筑耗能，大力推進(jìn)建筑節(jié)能已成為建筑行業(yè)最重要的任務(wù)。將CFD技術(shù)應(yīng)用到常規(guī)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中，會(huì)對(duì)建筑的合理設(shè)計(jì)起到更有利作用。

作者:余勇 單位：四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司