CFD在暖通工程中的应用
2 建筑外1 环境的
评价分析和自 然通风设计
CFD在暖通工程中的应用
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特殊1空间内
环境的分析
和设计
用CFD方法也可对特殊空间的流体流动和传热数值模拟。图5所示为某 客车空间内夏季空调送风形成的温度场分布进行计算的结果。由图可 见，借助CFD模拟所得结果，可以形象直观地分析该空间内的空气分布 是否符合人体热舒适的要求，借此知道和优化其空调系统设计。
研究表明，虽然湍流运动十分复杂，但是它仍然遵循连续介质运动的特征 和一般力学规律，因此，雷诺提出用时均值概念来研究湍流运动的方法，导出 了以时间平均速度场为基础的雷诺时均方程。从雷诺方程可以看出，由于湍流 运动采用了时均方法，在运动方程中出现了雷诺应力，从而增加了方程中的未 知量。因此需要补充新的关系式才能求解。如果补充的关系式是一个代数方程， 而不需要补充任何附加的微分方程来求解时均流场，则称这种模型为零方程模 型；
工程领域。相比传统的模型实验和经验公式预测流体的流动和传热而
言,CFD技术具有众多优点, 逐渐受到人们的青睐, PPT模板下载：/moban/ 行业PPT模板：/hangye/
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PPT素 材 下 载 ： /sucai/
与瞬时值的连续方程相比， 多出了三个脉动量乘积的导 数的时均值
经过一系列推导后，连续方程可化为：
对不可压湍流运动，时均运动和脉 动运动的连续方程和瞬时运动的连 续方程具有相同的形式。
CFD处理过程——求解器
湍流模型
二、雷诺方程
对流 单位质量流体压力差
项
对于不可压缩粘性流动，在不考虑质量力的情况下，N-S方程具有下列形式：
CFD在暖通工程中的应用
建筑内环境的 设计和优化分 析
由两工况中心的计算结果对比可见，工况1确实出现了冷风下坠的现象，容易造成吹风感，调 整风口出风方向斜向上的工况2改善了室内的气流组织，速度温度分布较为合理，而采用传统 的射流理论分析无法做出类似分析，对于冬季也可采用不同方案得到合理的气流组织形式，由 此可见CFD对室内环境的气流设计方面有着独特的优点。
非定常项
黏性力项
利用不可压流瞬时运动的连续方程，可推导不可压缩流体作湍流运动时的时均运动方程（雷诺方程）为：
雷诺方程与N-S方程在形式上是相同的，在粘性应力（雷诺应力）项中多出了附加的湍流应力项。
CFD处理过程——求解器
湍流模型 三、普朗特混合长度理论（零方程模型）
从雷诺方程可以看出，由于湍流运动采用了时均方法，在运动方程中出现了雷诺应力，从而增加了方 程中的未知量，因此需要补充新的关系式才能求解。如果补充的关系式是一个代数方程，而不需要补充 任何附加的微分方程来求解时均流场，则称这种模型为零方程模型；
CFD在暖通工程中的应用
2 建筑外1 环境的
评价分析和自 然通风设计
用CFD方法对建筑外来流风绕流作用下的风环境进行数值模拟，可以 了解建筑室外环境的优劣，以及知道自然通风设计。图4为某建筑室外 风环境的模拟结果。由图可知，我们可以根据该建筑外来空气流动情 况合理组织自 然通风，而如果采用模型实验对该问题进行研究的话， 则存在周期长，价格昂贵的缺陷，无法适应工程需要。
现为求解固定几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关
的其它方程, 并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据。
CFD 最早运用于汽车制造业、航天事业及核工业,用离散方程解决空气
动力学中的流体力学问题。直到1974 年丹麦学者PVNilsen首次将CFD
技术用于计算室内空气流动, 数值模拟技术开始应用于暖通空调( HVAC）
CFD处理过程——求解器
a.建立数学物理模型（湍流模型）
一般而言，湍流运动物理上近乎无穷多尺度漩涡流动和数学上的强烈非线 性，使得理论实验和数值模拟都很难解决湍流问题。虽然N-S方程能够准确地 描述湍流运动地细节，但求解这样一个复杂的方程会花费大量的精力和时间。 在实际求解过程中，往往采用平均N-S方程来描述工程和物理学问题中遇到的 湍流运动。当我们对三维非定常随机不规则的有旋湍流流动的N-S方程平均后， 得到相应的平均方程，此时平均方程中增加了六个未知的雷诺应力项 ，从而 形成了湍流基本方程的不封闭问题（通俗讲就是解不了）。
在CFD中所的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 空调工程领域内的流体流动一般满足连续性方程、动量方程和能量方程, 且通 常是不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程（N-S方程）。 黏性流动方程（N-S方程）
CFD处理过程——求解器
黏性流动方程（N-S方程）
a.建立数学物理模型（确定控制方程）
3
4
整个研究设计所花的时 间减少;可方便地用于 那些无法实现具体测量 的场合, 如高温、危险 的环境
根据模拟数据, 可 以全方位的控制过 程和优化设计。
B 软件使用原理介绍
CFD处理过程
前处理
a.几何模型 b.划分网格
a.确定CFD方法的控制方程（N-S方程）
一
般 结 构
求解器
b.选择离散型方法进行离散（有限容积/差分，有限元） c.选用数值计算方法
PPT背 景 图 片 ： /beijing/ PPT图 表 下 载 ： /tubiao/
优 秀 PPT下 载 ： /xiazai/ PPT教 程 ： /powerpoint/
Word教 程 ： /word/
将流域离散成为网格时，网格生成包括 结构和拓扑确定，然后在该拓扑上生成 网格。然而，这些网格块可能是对接的， 连续的，非连续的或者重叠的。网格必 须满足最低的网格质量要求，如正交性 （尤其是在边界上），相对网格间距 （最大值不能超过15%到20%），网格扭 曲率等等。
CFD处理过程——求解器
a.建立数学物理模型（确定控制方程）
CFD在暖通工程中的应用
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建筑设1备内流体
流动和传热分析、 指导设计设备
设备内的流动和传热也是暖通空调工程领域常见的问题。借助CFD可 以对风机，冷藏柜，蓄冰槽等建筑设备内的流体流动和传热问题进行 数值分析。3MW主控热设计仿真计算案例
Excel教 程 ： /excel/
资 料 下 载 ： /ziliao/
PPT课 件 下 载 ： /kejian/
范 文 下 载 ： /fanwen/
试 卷 下 载 ： /shiti/
CFD在暖通工程中的应用
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建筑设1备内流体
流动和传热分析、 指导设计设备
设备内的流动和传热也是暖通空调工程领域常见的问题。借助CFD可 以对风机，冷藏柜，蓄冰槽等建筑设备内的流体流动和传热问题进行 数值分析。3MW主控热设计仿真计算案例
从下方往上流的空气，在经过中 隔板的孔后沿着斜面方向往斜上 方流，在靠近电源处附近空气流 量较小且速度较低。
教 案 下 载 ： /jiaoan/ PPT论 坛 ：
尤其是随着计算机技
术和数值模拟技术的发展, CFD已被广泛用于解决工程中的实际题。
CFD技术优势
1
2
更细致地分析、研究 流体的流动、物质和 能量的传递等过程;
较容易地改变实验条 件、参数, 以获取大 量在传统实验中很难 得到的信息资料
c.选用数值计算方法
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。
CFD处理过程——后处理
a.图形后视化
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。右图所示即 为某会议室侧送风时的速度场与温度 场。（颜色的暖冷表示温度高低，矢 量箭头的大小表示速度大小。）
气流组织设计是通风空调系统的关键, 合理的气流组织可以达到满意的空 调效果, 并且节省能耗。图1 为某会议室变风量系统侧送风示意图。由于 变风量系统在部分负荷下送风速度很小, 对于这种侧送风情形很可能出现 冷风下坠现象, 于是利用STACH-3 对夏季两种不同气流组织工况做了模拟 对比分析，如表2所示。
d.输入相关参数
后处理
速度场、温度场、压力场以及其他 参数的计算机可视化及动画处理
CFD处理过程——前处理
a.几何模型
b.划分网格
首先，利用CAD软件几何造型对需要流 动分析的对象进行建模。其次，为了 便于分析，还需对几何模型近似与简 化便。同时，还应该对实施仿真的流 域范围做一个确定,流域的部分边界应 与几何模型曲面保持一致。（注：建 模过程中通常需要考虑网格生成的结 构和拓扑。）
CFD处理过程——求解器
湍流模型 一、湍流运动的连续方程
由于湍流流动中各物理量都具有某种统计特征的规律，所以基本方程中任一瞬间物理量都可用 平均物理量和脉动物理量之和来代替，并且可以对整个方程进行时间平均的运算。 在湍流运动 中，瞬时运动的速度应满足粘性流体的基本方程。其连续方程为：
经过时均运算后，可压缩湍流运动的连续方程为
计算流体力学在工程中的应用
目录
List
A CFD背景介绍 B 软件使用原理介绍 C 在暖通工程中的应用 D CFD模型性能优化对比
A CFD背景介绍
CFD背景介绍
计算流体D)是基于计算
机技术的一种数值计算工具, 用于求解流体的流动和传热问题。具体表
可见，通过可视化的后处理，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，甚至非专业人士也可 理解。