暖通空调新技术CFD

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。
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。
CFD算例一：正方形封闭空腔内自然对流数值模拟
模拟对象为三维封闭方腔内的 自然流动。空腔的高长宽比均 为1。方腔西面为冷等温面， 温度为0ºC。东面为热等温面 。其他面均为绝热面。普朗特 数Pr＝0.1
方腔自然对流
流动的典型特性是在方腔中间出现了一个大涡。 传热主要是由热壁和冷壁之间的热传导引起的，等温线几乎是垂直。
z y
x
人字形屋顶房间模型及网格划分示意图
1）进口水平流速u=1m/s 房间中下部形成一大的 漩涡，流速平稳，流线 呈闭合状。有利于房间 内气体的混合，使气体 温度更加均匀。
x-z截面气流分布
x-z截面气流分布
2）进口水平流速u=4m/s
出口速度较大，气流到 达对面墙壁时速度还没 有较大衰减，因此在房 间上部产生了两个涡流 。同时下部涡流比前者 变小。气流比较紊乱， 流速不平稳，对房间内 的气流分布不利。
计算流体力学即CFD 的应用则改变了传统的设计过程,由于 CFD 软件可以相对准确地给出流体流动的细节,如速度场、压 力场、温度场或浓度场分布的时变特性 ,因而不仅可以准确预 测流体产品的整体性能,而且很容易从对流场的分析中发现产 品或工程设计中的问题,据此提出的改进方案只需重新计算一 次就可以判断、评估改进是否有效,并更容易得到某些规律性 的知识。
1）S=40cm时的x-z面流场分布 2）S＝100cm时的x-z面流场分布
进入热源间的冷空气较少， 无法有效抑制住热气流扩散。
进入两热源间的冷气流较大， 对热源上升气流形成较好抑制。
CFD算例五：体育馆内速度场数值模拟
L1=40m，L2=20m，L3=20m，L4=50m。 送风口均匀分布在体育馆顶棚上，一排(x方向上)有六个送风口 ，一共有九排（z方向上）。一共有54个送风口。尺寸均为 0.5m×0.6m。回风口则均匀分布在两边观众席上。
CFD 结构
Fluent 软件的主要特点
Fluent 软件的结构： 前处理 求解器 后处理
前处理：Fluent 软件中采用GAMBIT 作为专用的前处理软 件,使网格可以有多种形状。 二维流动－－生成三角形和矩形网格; 三维流动－－可以生成四面体、六面体、三角柱和金字 塔等网格;
求解器：Fluent 软件的核心部分是纳维- 斯托克斯方程组的 求解模块。用压力校正法作为低速不可压流动的计算方法, 包括SIMPLE、SIMPLER、SIMPLEC、PISO 等。 采用有限体积法离散方程,其计算精度和稳定性都优于传统 编程中使用的有限差分法。离散格式为对流项二阶迎风插 值格式——QUICK格式，其数值耗散较低,精度高且构造简 单。
⑥空气品质及建筑热环境的CFD 方法评、预测; ⑦建筑火灾烟气流动及防排烟系统的CFD 分析; ⑧锅炉燃烧(油、气、煤) 规律的CFD 分析; ⑨通风除尘领域,如工业通风系统,各种送排风罩的CFD 分 析,静电除尘器、旋风除尘器、重力沉降室内气粒分离过程 的CFD 分析; ⑩城市风(或建筑小区微气候) 与建筑物及室内空气品质的 相互影响过程的CFD 分析; ⑾管网水力计算的数值方法。
方腔自然对流
涡逐渐变成了椭圆 ，分裂成两个涡。 对流和传导共同作用 。
方腔自然对流
涡分别向左壁和右壁移动，并在方腔中间出现了第三个涡传热机制。 为对流占统治地位，等温线在方腔中央逐渐变得水平，并且只在热壁 和冷壁附近的薄边界层内保持垂直。
CFD算例二：人字形屋顶房间内速度场数值模拟
计算模型： 长宽高尺寸为3m×3m×3.5m 网格数为80×60×80
后处理：Fluent 软件的后处理模块具有三维显示功能来展 现各种流动特性,并能以动画功能演示非定常过程,从而以直 观的形式展示模拟效果,便于进一步的分析。
Flunt湍流模型
是CFD 软件的主要组成部分。Fluent 软件配有各种层次的湍流 模型:
◆ 代数模型 ◆ 一方程模型 ◆ 二方程模型 ◆ 湍应力模型 ◆ 大涡模拟等。 应用最广泛的二方程模型是k－ε模型,软件中收录有标准k－ε模 型、RNG k－ε及其几种修正模型。
x=1.5m x方向中心断面
y=1.5m y方向中心断面
CFD算例四：双热源置换通风速度场数值模拟
长、宽、高为4m×3m×3.6m的房间模型，冷风从房间下部的 0.5m×3.0m的矩形送风口送入室内，送风速度0.2m/s，送风温 度21ºC。回风口位于房间的顶部，尺寸为0.4m×0.4m。在房间 底部开有两个热源送风口，两热源送风口尺寸均为0.3m×0.4m 。热源送风速度为0.3m/s，送风温度40ºC。
CFD在暖通领域应用情况
①通风空调设计方案优化及预测,如长沙世界之窗中心剧场(大 剧院) 空调设计方案的数值预测(仿真) 、高大空间气流组织、 置换通风方式的数值模拟、洁净室气流分布的数值模拟等; ②传热传质设备的CFD 分析,如各种换热器、冷却塔的CFD 分析; ③射流技术的CFD 分析,如空调送风的各种末端设备等; ④冷库库房及制冷设备的CFD 分析; ⑤流体机械及流体元件,如泵、风机等旋转机械内流动的CFD 分析,各种阀门的CFD 分析等;
暖通空调新技术CFD
2020年4月28日Байду номын сангаас期二
CFD简介
CFD (Computational Fluid Dynamics ,即计算流体动力学,简称 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（尤其是湍流流动）、计 算方法、计算机图形处理等技术。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和重要技术,广泛应用于热能动力、航 空航天、机械、土木水利、环境化工等诸多工程领域,暖通空 调制冷行业是CFD 技术应用的重要领域之一。
整个体育馆比赛大厅面积约为4236.07m2。 总冷负荷为1694.4kW。送风温差取6℃。 近似算得每个送风口送风速度约为3.6m/s。
体育馆比赛大厅网格划分
体育馆比赛大厅x-y面流场分布
两边观众席处没有脑后风现象。观众席上风速分布比较均匀。 风速在0.1m/s－0.3m/s之间变化。送风较容易到达观众席。垂 直方向上的速度分布基本均匀。赛场上水平方向速度维持在 ±0.1m/s之间。
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
能量守恒 污染物浓度守恒
紊流模型
2 用CFD 方法解决问题的一般步骤
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。
x-y面局部放大图
存在问题：在左右两边上部看台顶部的送风口送出的风 直接从上部看台排出，因此此处速度较大，并且也不经 济。可以采用减少此处的送风量或设置多风口小风量的 方式。
CFD算例三：单热源置换通风速度场数值模拟
3m×3m×3m的房间模型。冷风从房间下部的0.5m×2.0m的矩形 送风口送入室内。 回风口位于房间的顶部，尺寸0.4m×0.4m 。 在房间底部开有两个热源送风口，主热源送风口尺寸为 0.4m×0.4m。
送风温度21ºC，速度0.2m/s，热源送风温度40ºC，速度0.35m/s。
CFD作用
(1)利用CFD方法可以对室内空气流动形成速度场、温度场 、湿度场以及有害物浓度场等进行模拟和预测，从而可以 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，这对于保证良好的房间空调系统气流组织 设计方案、提高室内空气品质以及减少建筑物能耗都有着 重要的指导意义; (2)利用CFD技术也能对建筑外部的空气流动情况进行模拟 和预测，有助于建筑师进行建筑设计时全面考虑建筑物周 围的微气候。 (3)对于暖通空调工程中其他的一些流动问题，也可以用 CFD方法进行模拟，可以较快地提供给研究者详细的有关 资料，避免大量昂贵复杂的实验。