CFD在建筑設(shè)計中的應(yīng)用PPT課件

1、一、自然通風的原理一、自然通風的原理 二、自然通風在當代建筑中的重要性二、自然通風在當代建筑中的重要性 三、自然通風的整體設(shè)計三、自然通風的整體設(shè)計 四、深圳地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)的自然通風條件四、深圳地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)的自然通風條件 五、建筑通風與計算機模擬技術(shù)五、建筑通風與計算機模擬技術(shù) 六、計算流體動力學（六、計算流體動力學（CFDCFD）簡介）簡介 七、計算流體動力學（七、計算流體動力學（CFDCFD）在國內(nèi)、外的發(fā)展動態(tài)）在國內(nèi)、外的發(fā)展動態(tài) 八、計算流體動力學（八、計算流體動力學（CFDCFD）在建筑設(shè)計中的應(yīng)用）在建筑設(shè)計中的應(yīng)用 九、計算流體動力學（九、計算流體動力學（CFDCFD

2、）在暖通空調(diào)設(shè)計中的應(yīng)）在暖通空調(diào)設(shè)計中的應(yīng)用用 主要內(nèi)容主要內(nèi)容第1頁/共45頁一、自然通風的原一、自然通風的原理理自然通風的動力:風壓和熱壓風壓:自然通風的風壓就是建筑迎風面和背風面 的壓力差. “穿堂風”就是利用風壓在建筑內(nèi)部產(chǎn)生的空氣流動。 熱壓:當室內(nèi)外空氣存在密度差時而形成動力。 “煙囪效應(yīng)”就是利用熱壓作用形成的。室內(nèi)外空氣溫度差越大，進排風口高度差越大，則熱壓作用越強。 第2頁/共45頁問題：是利用風壓還是熱壓的作用來進行自然通風設(shè)計？ 非常復(fù)雜，風壓和熱壓什么時候相互加強，什么時候相互削弱還不能完全預(yù)知。 一般來說，建筑進深小的部位、室外區(qū)域多利用風壓； 進深較大的部位、高層

3、建筑豎向多利用熱壓來達到通風的效果。第3頁/共45頁一般來說，建筑進深小的部位、空曠區(qū)域多利用風壓， 如單體建筑室內(nèi)、小區(qū)等區(qū)域（見下圖）：第4頁/共45頁該套戶型建筑前后壓差較大，易于通過風壓實現(xiàn)自然通風第5頁/共45頁該戶型建筑圖：第6頁/共45頁 這兩個圖形是上述戶型的自然通風模擬圖，可以看出：該戶型自然通風狀況很理想，空氣齡都在3分鐘左右，完全可以通過自然通風來滿足室內(nèi)的舒適度要求。第7頁/共45頁 而進深較大的部位、高層建筑豎向自然通風多利用熱壓的作用，如： Stack ventilation第8頁/共45頁二、自然通風在當代建筑中的重要二、自然通風在當代建筑中的重要性性 一、新鮮自

4、然空氣，有利于人的生理和心理健康 室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)劣很大程度上取決于室外新風量。 室外空氣品質(zhì)的優(yōu)劣取決于室外氣流是否順暢。第9頁/共45頁該戶型室內(nèi)空氣齡較小，空氣新鮮第10頁/共45頁該戶型室內(nèi)空氣齡很大，空氣不新鮮第11頁/共45頁該小區(qū)除左上角空氣齡稍大外（10分鐘左右），其余區(qū)域空氣齡比較?。ㄐ∮?分鐘），空氣流動比較順暢。第12頁/共45頁該小區(qū)整體空氣齡比較大，空氣流動不順暢。第13頁/共45頁二、節(jié)省開啟空調(diào)的時間 當室外空氣溫濕度較低時自然通風可以在不消耗能源的情況下降低室內(nèi)溫度，帶走潮濕氣體，達到人體熱舒適。 人們在不同的自然通風狀態(tài)下，其熱舒適范圍是不一樣的：在自然通風良

5、好的狀態(tài)下，溫度不高于280C,相對濕度不大于80%時，感覺舒適；在自然通風不暢時，溫度高于260C時，就會感覺悶熱。 第14頁/共45頁三、自然通風的整體設(shè)三、自然通風的整體設(shè)計計 自然通風分五個層次：區(qū)域自然通風、城市自然通風、小區(qū)自然通風和室內(nèi)自然通風。其整體設(shè)計步驟一般為： 1、確定大氣候的自然通風潛力： 2、建筑微環(huán)境的自然通風設(shè)計與評估： 3、建筑單體室內(nèi)自然通風設(shè)計與評估第15頁/共45頁3.1 3.1 確定大氣候的自然通風潛確定大氣候的自然通風潛力力 大氣候區(qū)域自然通風潛力分析，即區(qū)域及城市自然通風潛力分析： 根據(jù)建筑所在地區(qū)的宏觀氣候條件，如宏觀風速分布和風向（風玫瑰圖）、宏

6、觀氣溫分布、太陽輻射照度、室外空氣濕度等來確定該地區(qū)氣候的自然通風潛力。即有必要收集建筑所在地區(qū)的氣象參數(shù)的逐時變化情況資料并進行分析。第16頁/共45頁3.2 3.2 建筑微環(huán)境（小區(qū)）的自然通風設(shè)計與建筑微環(huán)境（小區(qū)）的自然通風設(shè)計與評估評估 設(shè)計步驟：定性設(shè)計、模擬預(yù)測、修改設(shè)計 定性設(shè)計：根據(jù)建筑小區(qū)周圍風速與氣溫分布、小區(qū)地形與建筑布局（建筑高度、建筑布局、植被等）等進行建筑小區(qū)的自然通風設(shè)計。 模擬預(yù)測：一般采用CFD技術(shù) 修改設(shè)計：根據(jù)模擬結(jié)果，進行小區(qū)規(guī)劃修改 模擬預(yù)測：一般采用CFD技術(shù)第17頁/共45頁3.3 3.3 建筑單體室內(nèi)自然通風設(shè)計與評估 設(shè)計步驟：定性設(shè)計、模擬

7、預(yù)測、修改設(shè)計、模擬預(yù)測 定性設(shè)計：根據(jù)建筑小區(qū)自然通風潛力，進行建筑平、立面設(shè)計，包括：戶型平面布局與分隔、開窗位置、開窗面積的大小的設(shè)計。確定室內(nèi)自然通風方案和設(shè)計氣流路徑。 模擬預(yù)測：一般采用CFD技術(shù) 設(shè)計修改：根據(jù)模擬結(jié)果修改單體平、立面與室內(nèi)分隔設(shè)計； 模擬預(yù)測：一般采用CFD技術(shù) 第18頁/共45頁四、深圳地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)的自然通風條四、深圳地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)的自然通風條件件 u 深圳地區(qū)59月，每月都有10天以上的時間，具備采用自然通風降溫的自然條件；u 夏熱冬暖地區(qū)的沿海地區(qū)具有較好的自然通風條件，即使在最熱份，也有20%以上的天數(shù)，具備采用自然通風降溫的自然條件；u 夏熱

8、冬暖地區(qū)的內(nèi)陸地區(qū)單就氣溫來講，在最熱份，均有30%以上的天數(shù)，具備采用自然通風降溫的室外溫度條件，但室外風速相對較小，大部分在1.01.5m/s左右，因此其自然通風條件不及沿海地區(qū)。 第19頁/共45頁 五、建筑通風與計算機模擬技術(shù)五、建筑通風與計算機模擬技術(shù) 自然通風的研究方法可分為兩類：實驗法和數(shù)值模擬法，其中CFD方法就是數(shù)值模擬法的一種，目前CFD方法的應(yīng)用相當廣泛。 計算機模擬技術(shù)（特別是計算流體動力學，CFD）對于建筑設(shè)計起著重要作用?；谟嬎懔黧w動力學的模擬計算軟件，可以給我們提供很多用以預(yù)測的分析手段，使我們直觀地感受可能出現(xiàn)的氣流狀況，從而為改進建筑設(shè)計提供了良好的參考。

9、第20頁/共45頁六、計算流體動力學（六、計算流體動力學（CFDCFD）簡介）簡介 CFD是英文Computational Fluid Dynamics（計算流體動力學）的簡稱。它是伴隨著計算機技術(shù)、數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。簡單地說，CFD相當于“虛擬”地在計算機上做實驗，用以模擬仿真實際的流體流動情況。 總體而言，CFD通常可表述為下圖所示的過程： u建立數(shù)學物理模型u數(shù)值算法求解u結(jié)果可視化，如速度矢量圖、溫度分布圖、PMV（PPD)云圖、壓力分布圖等及各參數(shù)的動畫等。第21頁/共45頁根據(jù)數(shù)學物理模型編制CFD軟件計算機運算第22頁/共45頁Why CFD模型實驗?zāi)Ｐ蛯嶒灒褐芷陂L，價

10、格昂貴，受自然條件限制第23頁/共45頁Why CFD模擬仿真模擬仿真：周期短，成本低，資料完備，易于模擬真實條件第24頁/共45頁常用CFD軟件 PHOENICS FLUENT AIRPAK CFX STARCD FIDAP多達數(shù)十種商用CFD軟件，常用：第25頁/共45頁七、七、CFD CFD 在國內(nèi)、外的發(fā)展動態(tài)在國內(nèi)、外的發(fā)展動態(tài) 1933年，英國人Thom首次用手搖計算機數(shù)值求解了二維粘性流體偏微分方程，CFD由此而生。 1974年，丹麥的Nielsen首次將CFD用于暖通空調(diào)工程領(lǐng)域，對通風房間內(nèi)的空氣流動進行模擬。 之后短短的20多年內(nèi)，CFD技術(shù)在建筑設(shè)計中的研究和應(yīng)用進行得如

11、火如荼。 如今，CFD技術(shù)逐漸成為廣大建筑師和空調(diào)工程師解決分析工程問題的有力工具。 第26頁/共45頁 國外的CFD技術(shù)發(fā)展較快，目前國內(nèi)也有一些大學或科研機構(gòu)在對此進行研究。就其研究方向而言，主要可分為兩方面：基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。 目前，美國、歐洲、日本等發(fā)達國家對CFD的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究都處于領(lǐng)先水平，我國的清華大學等也有較為獨特的研究方向，而深圳市建筑科學研究院主要從事應(yīng)用方面的研究。下面簡要介紹。第27頁/共45頁7.1 7.1 基礎(chǔ)研究方基礎(chǔ)研究方面面目前CFD在應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面，主要有如下新動態(tài)：u 室內(nèi)空氣流動的簡化模擬；u 室內(nèi)外空氣流動的大渦模擬：目前已經(jīng)開始嘗試用于建筑小區(qū)

12、和自然通風模擬等；u 室內(nèi)空氣流動模擬和建筑能耗的耦合模擬：通過將簡化的CFD模擬方法和建筑能耗計算耦合對建筑環(huán)境進行設(shè)計。第28頁/共45頁7.2 7.2 應(yīng)用研究方應(yīng)用研究方面面u 自然通風的數(shù)值模擬：主要借助大渦模擬工具研究自然通風問題；u 置換通風的數(shù)值模擬：如地板置換通風、座椅送風等；u 高大空間的數(shù)值模擬：以體育場館為主的高大空間的氣流組織設(shè)計及其與空調(diào)負荷計算的關(guān)系研究；u 潔凈室的數(shù)值模擬：對型式比較固定的潔凈室空調(diào)氣流組織形式進行數(shù)值模擬，指導(dǎo)工程設(shè)計。u 有害物散發(fā)的數(shù)值模擬：借助CFD研究室內(nèi)有機散發(fā)污染物在室內(nèi)的分布，研究室內(nèi)IAQ問題；大氣環(huán)境污染模擬第29頁/共45

13、頁八、八、CFDCFD在建筑設(shè)計中的應(yīng)用在建筑設(shè)計中的應(yīng)用主要有兩個方面：1、建筑外環(huán)境的模擬設(shè)計2、建筑內(nèi)環(huán)境的模擬設(shè)計第30頁/共45頁8.1 8.1 建筑外環(huán)境的模擬設(shè)計建筑外環(huán)境的模擬設(shè)計 建筑外環(huán)境對建筑內(nèi)部居者的生活有著重要的影響，所謂的建筑小區(qū)二次風、小區(qū)熱環(huán)境等問題日益受到人們的關(guān)注。 采用CFD可以方便地對建筑外環(huán)境進行模擬分析，從而設(shè)計出合理的建筑風環(huán)境。 下述為利用CFD對某建筑小區(qū)的自然通風模擬設(shè)計過程。 第31頁/共45頁小區(qū)初始設(shè)計的自然通風模擬結(jié)果風速圖風壓圖空氣齡圖小區(qū)規(guī)劃圖第32頁/共45頁對小區(qū)規(guī)劃設(shè)計進行了修改后的模擬結(jié)果：風速圖風壓圖空氣齡圖第33頁/共

14、45頁結(jié)論： 進行了這些改進之后，建筑凹槽部位空氣齡明顯下降，建筑自然通風狀況明顯改善。第34頁/共45頁8.2 8.2 建筑室內(nèi)環(huán)境的模擬設(shè)計建筑室內(nèi)環(huán)境的模擬設(shè)計 采用CFD技術(shù)可以對建筑戶型和房間進行自然通風和熱舒適性模擬，通過改進建筑外窗的位置、大小、室內(nèi)空間分隔等，保證住戶在室外氣象條件滿足自然通風的時間段能夠利用自然通風來滿足室內(nèi)的熱舒適性要求，以達到節(jié)約能源和提高人體舒適性的目的。 下述是對深圳市剛設(shè)計好的一套住房的自然通風模擬設(shè)計過程。第35頁/共45頁初始設(shè)計戶型的自然通風模擬結(jié)果：問題：兩個次臥（最下部的兩個房間）的自然通風效果不好，室內(nèi)空氣齡偏大。風速圖空氣齡圖第36頁/

15、共45頁修改后的模擬結(jié)果：風速圖空氣齡圖修改方法：在兩個次臥兩側(cè)的外墻上各增開了一面外窗。第37頁/共45頁修改前的建筑圖修改后的建筑圖第38頁/共45頁結(jié)論：結(jié)論： 增開了一面外窗后，兩個次臥增開了一面外窗后，兩個次臥的空氣齡明顯減小，房間空氣更新鮮。的空氣齡明顯減小，房間空氣更新鮮。第39頁/共45頁九、九、CFDCFD在暖通空調(diào)設(shè)計中的應(yīng)用在暖通空調(diào)設(shè)計中的應(yīng)用這方面的應(yīng)用也主要有兩個方面：1、通風空調(diào)空間的氣流組織設(shè)計2、建筑設(shè)備性能的研究改進第40頁/共45頁9.1 9.1 通風空調(diào)空間的氣流組織設(shè)通風空調(diào)空間的氣流組織設(shè)計計 通風空調(diào)空間的氣流組織直接影響到其通風空調(diào)的效果，借助CFD可以預(yù)測仿真氣流分布、溫度分布、熱舒適性等，從而指導(dǎo)設(shè)計。 通風空調(diào)空間通常又可分為：u普通建筑空間，如住宅、辦公室、高大空間等；u特殊空間，如潔凈室、客車、列車及其它需要空調(diào)的特殊空間。 下圖為利用CFD設(shè)計的某體育