（1）传统的室内气流组织设计
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:
• 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。
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。
室内气流组织设计过程中应考虑的因素
6. 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-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
6. CFD技术在暖通空调中的应用方法
6.2 室内气流的构造、分布特征
• 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. 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
6. CFD技术在暖通空调中的应用方法
非直交型格子的特点：
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。
1. CFD在暖通空调中的主要应用领域
（4）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。
2 用CFD 方法解决问题的一般步骤
• 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。
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。
4.CFD技术在暖通空调中的应用方法
4.1 暖通空调设计的目的
• 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. CFD技术在暖通空调中的应用方法
4.2 室内气流的构造、分布特征
• 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。
6. CFD技术在暖通空调中的应用方法
2）边界条件的变动处理
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。
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)
C2 2
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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
6. CFD技术在暖通空调中的应用方法
6.1 暖通空调设计的目的
• 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。
• 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。
简化解析范围，节约计算机的内存容量和计算时间。
6. CFD技术在暖通空调中的应用方法
③ 边界条件的设定
• 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。
• 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。
5. CFD技术的理论方法
微分方程组
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。
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、phoenics
物理现象的叠加关系
6. CFD技术在暖通空调中的应用方法
（2）计算流体力学
• 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。
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. 5 m/ s ,从而 可以避免由于气流过猛,给人体所带来的不舒适感。
5. CFD技术的理论方法
能量守恒
污染物浓度守恒
5. CFD技术的理论方法
➢ 紊流能量传递方程
(u jk) x j
x j
(
t k
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( ui x j
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➢ 紊流能量耗散率方程
(u j )
x j
x j
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t
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k
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ui x j
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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. CFD在暖通空调中的主要应用领域
（2）建筑外环境分析设计
• 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。
计算格子分割类型
6. CFD技术在暖通空Байду номын сангаас中的应用方法
非直交型应用实例
• 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。
6. CFD技术在暖通空调中的应用方法
② 解析物理模式
• 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
5. CFD技术的理论方法
当把CFD用于IAQ( Indoor Ari Quality)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
• 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。
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。
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。
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（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。
• CFD的解析流程： --解析范围确定 计算格子划分 CFD解析。