第七 章 CFD仿真模拟

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

•

•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。