【完整版】计算流体力学在暖通空调领域上的应用

计算流体力学在工程领域上的应用

姓名：刘志强 班级：建环103班 学号：1002060322

计算流体力学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，它是流体力学的一个分支，用于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他方程，并通过计算机模拟活的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。实际上CFD用于多种加工过程。目前，计算流体力学主要应用于热能动力、航空航天、机械、土木水力、环境化工等工程领域，近些年，暖通空调行业也日益成为CFD技术应用的重要领域。

计算流体力学在暖通空调领域的应用最早可以追溯到1974年，当时丹麦的 Nielsen 首次将CFD用于暖通空调 (HVAC) 工程领域【6】，对通风房间内的空气流动进行模拟。简单地说，CFD相当于\虚拟\地在计算机上做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况，故CFD是现代模拟仿真技术的一种。它在暖通空调(HVAC)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。相比传统的模型实验和经验公式预测液体的流动和传热而言，CFD技术具有成本低、速度快、资料完备等优点。故其逐渐受到人们的青睐，尤其是随着计算机技术和数值模拟技术的发展，CFD已被广泛应用于解决工程中的实际问题。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。

CFD 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。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，可看作不可压缩流动。从此角度而言，此应用范围内的 CFD 和数值传热学等同。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，目前暖通空调中的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。

HVAC领域的流动问题满足连续性方程，动量方程和能量方程，通常用不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程。又因为HVAC领域的流体流动基本为湍流流动，所以从工程应用的角度而言，需要采用适当的湍流模型模拟湍流流动才能实现对所研究问题的完整描述，以便于数值求解。目前在房间空气流动中最普

遍采用的是 k ? e 模型，它属于两方程模型．对于一般工程，也可采用新的零方程模型。

CFD在HVAC工程中的具体应用主要有：

第一，通风空调空间气流组织设计。通风空调空间的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，并且节省能源。借助CFD可以预测仿真空调房间内的空气分布详细情况，可以指导气流组织的设计。

第二，建筑外环境对建筑内部居住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方法对建筑外来流风绕流作用下的风环境进行模拟，可以了解建筑室外环境的优劣，指导自然通风设计，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。

第三，建筑设备性能的研究改进。暖通空调工程的许多设备内的流动和传热也是 HVAC 领域中常见的问题。借助 CFD 可以对风机、蓄冰槽、空调器、冷藏柜等建筑设备内的流体流动和传热问题进行数值分析，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。

目前我国在暖通空调方面的研究主要可分为两方面：基础研究和应用研究。 第一，基础研究方面，(1)室内空气流动的简化模拟：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；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：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：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。

第二，应用研究方面，(1)自然通风的数值模拟：香港大学等，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：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：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：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。

这些就是计算流体力学在暖通空调方面的应用了。