CFD在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用PPT課件

1、一、自然通風(fēng)的原理一、自然通風(fēng)的原理 二、自然通風(fēng)在當(dāng)代建筑中的重要性二、自然通風(fēng)在當(dāng)代建筑中的重要性 三、自然通風(fēng)的整體設(shè)計(jì)三、自然通風(fēng)的整體設(shè)計(jì) 四、深圳地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)的自然通風(fēng)條件四、深圳地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)的自然通風(fēng)條件 五、建筑通風(fēng)與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)五、建筑通風(fēng)與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) 六、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（六、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFDCFD）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介 七、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（七、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFDCFD）在國(guó)內(nèi)、外的發(fā)展動(dòng)態(tài)）在國(guó)內(nèi)、外的發(fā)展動(dòng)態(tài) 八、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（八、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFDCFD）在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用）在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 九、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（九、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFDCFD

2、）在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)）在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用用 主要內(nèi)容主要內(nèi)容第1頁(yè)/共45頁(yè)一、自然通風(fēng)的原一、自然通風(fēng)的原理理自然通風(fēng)的動(dòng)力:風(fēng)壓和熱壓風(fēng)壓:自然通風(fēng)的風(fēng)壓就是建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面 的壓力差. “穿堂風(fēng)”就是利用風(fēng)壓在建筑內(nèi)部產(chǎn)生的空氣流動(dòng)。 熱壓:當(dāng)室內(nèi)外空氣存在密度差時(shí)而形成動(dòng)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(jìn)排風(fēng)口高度差越大，則熱壓作用越強(qiáng)。 第2頁(yè)/共45頁(yè)問(wèn)題：是利用風(fēng)壓還是熱壓的作用來(lái)進(jìn)行自然通風(fēng)設(shè)計(jì)？ 非常復(fù)雜，風(fēng)壓和熱壓什么時(shí)候相互加強(qiáng)，什么時(shí)候相互削弱還不能完全預(yù)知。 一般來(lái)說(shuō)，建筑進(jìn)深小的部位、室外區(qū)域多利用風(fēng)壓； 進(jìn)深較大的部位、高層

3、建筑豎向多利用熱壓來(lái)達(dá)到通風(fēng)的效果。第3頁(yè)/共45頁(yè)一般來(lái)說(shuō)，建筑進(jìn)深小的部位、空曠區(qū)域多利用風(fēng)壓， 如單體建筑室內(nèi)、小區(qū)等區(qū)域（見(jiàn)下圖）：第4頁(yè)/共45頁(yè)該套戶(hù)型建筑前后壓差較大，易于通過(guò)風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)第5頁(yè)/共45頁(yè)該戶(hù)型建筑圖：第6頁(yè)/共45頁(yè) 這兩個(gè)圖形是上述戶(hù)型的自然通風(fēng)模擬圖，可以看出：該戶(hù)型自然通風(fēng)狀況很理想，空氣齡都在3分鐘左右，完全可以通過(guò)自然通風(fēng)來(lái)滿(mǎn)足室內(nèi)的舒適度要求。第7頁(yè)/共45頁(yè) 而進(jìn)深較大的部位、高層建筑豎向自然通風(fēng)多利用熱壓的作用，如： Stack ventilation第8頁(yè)/共45頁(yè)二、自然通風(fēng)在當(dāng)代建筑中的重要二、自然通風(fēng)在當(dāng)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(fēng)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(yè)/共45頁(yè)該戶(hù)型室內(nèi)空氣齡較小，空氣新鮮第10頁(yè)/共45頁(yè)該戶(hù)型室內(nèi)空氣齡很大，空氣不新鮮第11頁(yè)/共45頁(yè)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(dòng)比較順暢。第12頁(yè)/共45頁(yè)該小區(qū)整體空氣齡比較大，空氣流動(dòng)不順暢。第13頁(yè)/共45頁(yè)二、節(jié)省開(kāi)啟空調(diào)的時(shí)間 當(dāng)室外空氣溫濕度較低時(shí)自然通風(fēng)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(dá)到人體熱舒適。 人們?cè)诓煌淖匀煌L(fēng)狀態(tài)下，其熱舒適范圍是不一樣的：在自然通風(fēng)良

5、好的狀態(tài)下，溫度不高于280C,相對(duì)濕度不大于80%時(shí)，感覺(jué)舒適；在自然通風(fēng)不暢時(shí)，溫度高于260C時(shí)，就會(huì)感覺(jué)悶熱。 第14頁(yè)/共45頁(yè)三、自然通風(fēng)的整體設(shè)三、自然通風(fēng)的整體設(shè)計(jì)計(jì) 自然通風(fēng)分五個(gè)層次：區(qū)域自然通風(fēng)、城市自然通風(fēng)、小區(qū)自然通風(fēng)和室內(nèi)自然通風(fēng)。其整體設(shè)計(jì)步驟一般為： 1、確定大氣候的自然通風(fēng)潛力： 2、建筑微環(huán)境的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)與評(píng)估： 3、建筑單體室內(nèi)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)與評(píng)估第15頁(yè)/共45頁(yè)3.1 3.1 確定大氣候的自然通風(fēng)潛確定大氣候的自然通風(fēng)潛力力 大氣候區(qū)域自然通風(fēng)潛力分析，即區(qū)域及城市自然通風(fēng)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(fēng)速分布和風(fēng)向（風(fēng)玫瑰圖）、宏

6、觀氣溫分布、太陽(yáng)輻射照度、室外空氣濕度等來(lái)確定該地區(qū)氣候的自然通風(fēng)潛力。即有必要收集建筑所在地區(qū)的氣象參數(shù)的逐時(shí)變化情況資料并進(jìn)行分析。第16頁(yè)/共45頁(yè)3.2 3.2 建筑微環(huán)境（小區(qū)）的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)與建筑微環(huán)境（小區(qū)）的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)與評(píng)估評(píng)估 設(shè)計(jì)步驟：定性設(shè)計(jì)、模擬預(yù)測(cè)、修改設(shè)計(jì) 定性設(shè)計(jì)：根據(jù)建筑小區(qū)周?chē)L(fēng)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(jìn)行建筑小區(qū)的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)。 模擬預(yù)測(cè)：一般采用CFD技術(shù) 修改設(shè)計(jì)：根據(jù)模擬結(jié)果，進(jìn)行小區(qū)規(guī)劃修改 模擬預(yù)測(cè)：一般采用CFD技術(shù)第17頁(yè)/共45頁(yè)3.3 3.3 建筑單體室內(nèi)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)與評(píng)估 設(shè)計(jì)步驟：定性設(shè)計(jì)、模擬

7、預(yù)測(cè)、修改設(shè)計(jì)、模擬預(yù)測(cè) 定性設(shè)計(jì)：根據(jù)建筑小區(qū)自然通風(fēng)潛力，進(jìn)行建筑平、立面設(shè)計(jì)，包括：戶(hù)型平面布局與分隔、開(kāi)窗位置、開(kāi)窗面積的大小的設(shè)計(jì)。確定室內(nèi)自然通風(fēng)方案和設(shè)計(jì)氣流路徑。 模擬預(yù)測(cè)：一般采用CFD技術(shù) 設(shè)計(jì)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(jì)； 模擬預(yù)測(cè)：一般采用CFD技術(shù) 第18頁(yè)/共45頁(yè)四、深圳地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)的自然通風(fēng)條四、深圳地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)的自然通風(fēng)條件件 u 深圳地區(qū)59月，每月都有10天以上的時(shí)間，具備采用自然通風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(lái)講，在最熱份，均有30%以上的天數(shù)，具備采用自然通風(fēng)降溫的室外溫度條件，但室外風(fēng)速相對(duì)較小，大部分在1.01.5m/s左右，因此其自然通風(fēng)條件不及沿海地區(qū)。 第19頁(yè)/共45頁(yè) 五、建筑通風(fēng)與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)五、建筑通風(fēng)與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù) 自然通風(fēng)的研究方法可分為兩類(lèi)：實(shí)驗(yàn)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(dāng)廣泛。 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)（特別是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，CFD）對(duì)于建筑設(shè)計(jì)起著重要作用?；谟?jì)算流體動(dòng)力學(xué)的模擬計(jì)算軟件，可以給我們提供很多用以預(yù)測(cè)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(jìn)建筑設(shè)計(jì)提供了良好的參考。

9、第20頁(yè)/共45頁(yè)六、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（六、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFDCFD）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介 CFD是英文Computational Fluid Dynamics（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，CFD相當(dāng)于“虛擬”地在計(jì)算機(jī)上做實(shí)驗(yàn)，用以模擬仿真實(shí)際的流體流動(dòng)情況。 總體而言，CFD通?？杀硎鰹橄聢D所示的過(guò)程： u建立數(shù)學(xué)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(dòng)畫(huà)等。第21頁(yè)/共45頁(yè)根據(jù)數(shù)學(xué)物理模型編制CFD軟件計(jì)算機(jī)運(yùn)算第22頁(yè)/共45頁(yè)Why CFD模型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)：周期長(zhǎng)，價(jià)

10、格昂貴，受自然條件限制第23頁(yè)/共45頁(yè)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(shí)條件第24頁(yè)/共45頁(yè)常用CFD軟件 PHOENICS FLUENT AIRPAK CFX STARCD FIDAP多達(dá)數(shù)十種商用CFD軟件，常用：第25頁(yè)/共45頁(yè)七、七、CFD CFD 在國(guó)內(nèi)、外的發(fā)展動(dòng)態(tài)在國(guó)內(nèi)、外的發(fā)展動(dòng)態(tài) 1933年，英國(guó)人Thom首次用手搖計(jì)算機(jī)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(duì)通風(fēng)房間內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行模擬。 之后短短的20多年內(nèi)，CFD技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的研究和應(yīng)用進(jìn)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(wèn)題的有力工具。 第26頁(yè)/共45頁(yè) 國(guó)外的CFD技術(shù)發(fā)展較快，目前國(guó)內(nèi)也有一些大學(xué)或科研機(jī)構(gòu)在對(duì)此進(jìn)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(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)CFD的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究都處于領(lǐng)先水平，我國(guó)的清華大學(xué)等也有較為獨(dú)特的研究方向，而深圳市建筑科學(xué)研究院主要從事應(yīng)用方面的研究。下面簡(jiǎn)要介紹。第27頁(yè)/共45頁(yè)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(dòng)態(tài)：u 室內(nèi)空氣流動(dòng)的簡(jiǎn)化模擬；u 室內(nèi)外空氣流動(dòng)的大渦模擬：目前已經(jīng)開(kāi)始嘗試用于建筑小區(qū)

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

13、頁(yè)八、八、CFDCFD在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：1、建筑外環(huán)境的模擬設(shè)計(jì)2、建筑內(nèi)環(huán)境的模擬設(shè)計(jì)第30頁(yè)/共45頁(yè)8.1 8.1 建筑外環(huán)境的模擬設(shè)計(jì)建筑外環(huán)境的模擬設(shè)計(jì) 建筑外環(huán)境對(duì)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(fēng)、小區(qū)熱環(huán)境等問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注。 采用CFD可以方便地對(duì)建筑外環(huán)境進(jìn)行模擬分析，從而設(shè)計(jì)出合理的建筑風(fēng)環(huán)境。 下述為利用CFD對(duì)某建筑小區(qū)的自然通風(fēng)模擬設(shè)計(jì)過(guò)程。 第31頁(yè)/共45頁(yè)小區(qū)初始設(shè)計(jì)的自然通風(fēng)模擬結(jié)果風(fēng)速圖風(fēng)壓圖空氣齡圖小區(qū)規(guī)劃圖第32頁(yè)/共45頁(yè)對(duì)小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改后的模擬結(jié)果：風(fēng)速圖風(fēng)壓圖空氣齡圖第33頁(yè)/共

14、45頁(yè)結(jié)論： 進(jìn)行了這些改進(jìn)之后，建筑凹槽部位空氣齡明顯下降，建筑自然通風(fēng)狀況明顯改善。第34頁(yè)/共45頁(yè)8.2 8.2 建筑室內(nèi)環(huán)境的模擬設(shè)計(jì)建筑室內(nèi)環(huán)境的模擬設(shè)計(jì) 采用CFD技術(shù)可以對(duì)建筑戶(hù)型和房間進(jìn)行自然通風(fēng)和熱舒適性模擬，通過(guò)改進(jìn)建筑外窗的位置、大小、室內(nèi)空間分隔等，保證住戶(hù)在室外氣象條件滿(mǎn)足自然通風(fēng)的時(shí)間段能夠利用自然通風(fēng)來(lái)滿(mǎn)足室內(nèi)的熱舒適性要求，以達(dá)到節(jié)約能源和提高人體舒適性的目的。 下述是對(duì)深圳市剛設(shè)計(jì)好的一套住房的自然通風(fēng)模擬設(shè)計(jì)過(guò)程。第35頁(yè)/共45頁(yè)初始設(shè)計(jì)戶(hù)型的自然通風(fēng)模擬結(jié)果：?jiǎn)栴}：兩個(gè)次臥（最下部的兩個(gè)房間）的自然通風(fēng)效果不好，室內(nèi)空氣齡偏大。風(fēng)速圖空氣齡圖第36頁(yè)/

15、共45頁(yè)修改后的模擬結(jié)果：風(fēng)速圖空氣齡圖修改方法：在兩個(gè)次臥兩側(cè)的外墻上各增開(kāi)了一面外窗。第37頁(yè)/共45頁(yè)修改前的建筑圖修改后的建筑圖第38頁(yè)/共45頁(yè)結(jié)論：結(jié)論： 增開(kāi)了一面外窗后，兩個(gè)次臥增開(kāi)了一面外窗后，兩個(gè)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(yè)/共45頁(yè)九、九、CFDCFD在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用這方面的應(yīng)用也主要有兩個(gè)方面：1、通風(fēng)空調(diào)空間的氣流組織設(shè)計(jì)2、建筑設(shè)備性能的研究改進(jìn)第40頁(yè)/共45頁(yè)9.1 9.1 通風(fēng)空調(diào)空間的氣流組織設(shè)通風(fēng)空調(diào)空間的氣流組織設(shè)計(jì)計(jì) 通風(fēng)空調(diào)空間的氣流組織直接影響到其通風(fēng)空調(diào)的效果，借助CFD可以預(yù)測(cè)仿真氣流分布、溫度分布、熱舒適性等，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)。 通風(fēng)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(chē)、列車(chē)及其它需要空調(diào)的特殊空間。 下圖為利用CFD設(shè)計(jì)的某體育