CFD在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用培訓(xùn)課件

CFD在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域

CFD軟件的功能及數(shù)值模擬的分類CFD技術(shù)在空調(diào)中的應(yīng)用方法應(yīng)用實例1.CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域

CFD（ComputationalFluidDynamics，計算流體動力學(xué)）是目前國際上一個強有力的研究領(lǐng)域。它的產(chǎn)生可以追溯到20世紀(jì)30年代初，是流體力學(xué)、數(shù)值計算方法以及計算機圖形學(xué)三者相互結(jié)合的產(chǎn)物。1974年，丹麥的尼爾森(P.V.Nielsen)首次將CFD技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)工程，模擬室內(nèi)空氣流動情況，標(biāo)志著CFD技術(shù)開始應(yīng)用于分析工程中的流動問題。CFD是目前國際上一個強有力的研究領(lǐng)域，是進(jìn)行“三傳”（傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞）及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心與重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于熱能動力、航空航天、機械、土木水利、環(huán)境化工、暖通空調(diào)及空氣凈化等諸多工程領(lǐng)域。1.CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域CFD主要可用于解決以下幾類暖通空調(diào)工程的問題：通風(fēng)空調(diào)房間氣流組織設(shè)計建筑外環(huán)境分析設(shè)計室內(nèi)空氣品質(zhì)研究建筑設(shè)備性能的研究改進(jìn)1.CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域CFD可以預(yù)測仿真通風(fēng)空調(diào)空間的氣流分布情況能考慮室內(nèi)各種可能的內(nèi)擾、邊界條件和初始條件能全面地反映室內(nèi)氣流分布情況，從而發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的氣流組織方案，以指導(dǎo)設(shè)計，使其達(dá)到良好的通風(fēng)空調(diào)效果（1）通風(fēng)空調(diào)房間氣流組織設(shè)計1.CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域建筑外環(huán)境對建筑內(nèi)部居住者的生活有重要的影響，建筑小區(qū)二次風(fēng)、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(jìn)行模擬分析，從而設(shè)計出合理的建筑風(fēng)環(huán)境。通過模擬建筑外環(huán)境的風(fēng)流動情況，還可進(jìn)一步指導(dǎo)建筑內(nèi)的自然通風(fēng)設(shè)計等。（2）建筑外環(huán)境分析設(shè)計1.CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域（3）室內(nèi)空氣品質(zhì)研究利用CFD技術(shù)研究室內(nèi)空氣品質(zhì)問題，主要是通過模擬得到室內(nèi)各個位置的風(fēng)速、溫度、相對濕度、污染物濃度等參數(shù)，從而評價通風(fēng)換氣效率、熱舒適和污染物排除效率等。1.CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域暖通空調(diào)工程的許多設(shè)備，如風(fēng)機、蓄冰槽、空調(diào)器等，都是通過流體工質(zhì)而工作的，流動情況對設(shè)備性能有著重要的影響。通過CFD模擬計算設(shè)備內(nèi)部的流體流動情況，可以研究設(shè)備性能，從而改進(jìn)其工作，降低建筑能耗，節(jié)省運行費用。

（4）建筑設(shè)備性能的研究改進(jìn)2用CFD方法解決問題的一般步驟在這種設(shè)計過程中,設(shè)計可行與否往往取決于試驗,為保證性能穩(wěn)定,就不得不進(jìn)行大量試驗,而且,產(chǎn)品方案的篩選和優(yōu)化是在設(shè)計、制造、測試部門之間進(jìn)行大循環(huán),由于牽涉的環(huán)節(jié)多,產(chǎn)品的開發(fā)周期長,費用高;對工程設(shè)計而言,往往需要進(jìn)行方案選擇、優(yōu)化,這一工作一般是靠經(jīng)驗完成,難免導(dǎo)致方案可靠性降低,從而引起設(shè)計失敗。計算流體力學(xué)即CFD的應(yīng)用則改變了傳統(tǒng)的設(shè)計過程,由于CFD軟件可以相對準(zhǔn)確地給出流體流動的細(xì)節(jié),如速度場、壓力場、溫度場或濃度場分布的時變特性,因而不僅可以準(zhǔn)確預(yù)測流體產(chǎn)品的整體性能,而且很容易從對流場的分析中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或工程設(shè)計中的問題,據(jù)此提出的改進(jìn)方案只需重新計算一次就可以判斷、評估改進(jìn)是否有效,并更容易得到某些規(guī)律性的知識。3.CFD軟件的功能及數(shù)值模擬的分類（1）CFD軟件的功能CFD軟件幾乎包羅了所有現(xiàn)行的解析手法、數(shù)學(xué)物理模型。

--離散化：MAC法和SIMPLE法

--紊流模型：以標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型居多

--解析坐標(biāo)系：多采用直交坐標(biāo)3.CFD軟件的功能及數(shù)值模擬的分類按解析的著眼點分為：

--時間變動特性解析

--空間分布解析（一般用于熱負(fù)荷預(yù)測解析）按規(guī)模分為：

--宏觀解析

--微觀解析（用于氣流分布、溫濕度、氣體濃度分布的解析）（2）計算機數(shù)值模擬的分類這里主要介紹氣流分布、溫濕度、氣體濃度分布的解析。（以建筑空間為對象）4.CFD技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用方法空調(diào)設(shè)計的目的室內(nèi)氣流的構(gòu)造、分布特征4.CFD技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用方法實現(xiàn)所要求的室內(nèi)氣候環(huán)境：

--溫濕度、氣流、污染物質(zhì)濃度等的分布。系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備選型要求：

--在技術(shù)上要可行，在經(jīng)濟上要合理。4.1暖通空調(diào)設(shè)計的目的4.CFD技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用方法計算流體力學(xué)(CFD)是除模型實驗外，可詳細(xì)解析三次元室內(nèi)氣流的唯一手段。利用CFD技術(shù)，可更有效地了解室內(nèi)氣流的構(gòu)造、分布特征。為合理的系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備選型提供有益的參考資料。4.2室內(nèi)氣流的構(gòu)造、分布特征CFD基本上都是通過求解一組非線性偏微分方程數(shù)值模擬流體流動的物理過程，這些偏微分方程描述了基本的物理規(guī)律，如質(zhì)量，動量和能量守恒。室內(nèi)空氣流動的驅(qū)動力是壓力差，這些壓力差主要是由于風(fēng)速，熱浮升力，機械通風(fēng)系統(tǒng)中某一種或者某幾種共同作用而產(chǎn)生。微分方程組5.CFD技術(shù)的理論方法當(dāng)把CFD用于IAQ(IndoorAriQuality)領(lǐng)域時，運用控制容積的方法推導(dǎo)N一s方程描述質(zhì)量和動量守恒，同時應(yīng)用能量守恒和質(zhì)量守恒定律。在三維笛卡兒坐標(biāo)系中，偏微分方程分別表示了室內(nèi)氣流流動，熱交換和污染物的遷移。5.CFD技術(shù)的理論方法X方向動量守恒Y方向動量守恒Z方向動量守恒質(zhì)量守恒5.CFD技術(shù)的理論方法污染物濃度守恒能量守恒5.CFD技術(shù)的理論方法

紊流能量傳遞方程

紊流能量耗散率方程5.CFD技術(shù)的理論方法6.袖CFD技術(shù)在暖淺通空調(diào)中欠的應(yīng)用方管法空調(diào)設(shè)夏計的目猴的室內(nèi)氣料流的構(gòu)爬造、分鴨布特征實現(xiàn)所及要求的蔽室內(nèi)氣憲候環(huán)境泰：--溫濕度、倘氣流、污廉染物質(zhì)濃彈度等的分誼布。系統(tǒng)設(shè)莫計及設(shè)墻備選型轎要求：--在技術(shù)上柏要可行，井在經(jīng)濟上嗽要合理。6.1暖通空調(diào)范設(shè)計的目瘦的6.鍬CFD技術(shù)在攤暖通空碰調(diào)中的寒應(yīng)用方執(zhí)法計算流玻體力學(xué)(CF弊D)是除模疤型實驗盜外，可巾詳細(xì)解購析三次德元室內(nèi)館氣流的遼唯一手做段。利用CFD技術(shù)，可飯更有效地傘了解室內(nèi)建氣流的構(gòu)捐造、分布丟特征。為合理宅的系統(tǒng)熄設(shè)計及悔設(shè)備選胞型提供裹有益的跡參考資亦料。6.2室內(nèi)氣流存的構(gòu)造、顛分布特征6.C凍FD技術(shù)在踢暖通空識調(diào)中的樸應(yīng)用方頌法在傳統(tǒng)的肺室內(nèi)氣流圓組織設(shè)計睬中，對送把風(fēng)口、回風(fēng)口以間及室內(nèi)擠熱源等缸各因素朗的影響:（1）傳統(tǒng)護的室內(nèi)鎖氣流組咸織設(shè)計往往只捏能憑個男人對物遞理現(xiàn)象(氣流、傳配熱)的理解，娘憑經(jīng)驗進(jìn)熟行單純的茅合成(即線性近尊似)，進(jìn)行成設(shè)計。但由于各古參數(shù)間的弦相互影響闖，實際上煎是呈非線陜性關(guān)系，丙因此不能逼單純地合全成，如圖所示。對這樣非生線性問題守的解析，按使用計算稠流體力學(xué)(CFD粗)就得心偽應(yīng)手了定。6.兵CFD技術(shù)在暖需通空調(diào)中球的應(yīng)用方盲法物理現(xiàn)歇象的疊即加關(guān)系對描述流儉體物理現(xiàn)賠象的基礎(chǔ)施方程式(運動方程褲、質(zhì)量守張恒、能量抵守恒等聯(lián)詞立偏微分尼方程)作離散施化處理個，實現(xiàn)喬數(shù)值解慢析。離散化除處理的倉對象：變是作為醒獨立變害量的時告間、空周間變量淋，求出市其對應(yīng)凍的參數(shù)困速度、煮壓力等蝦。離散化處梳理(時間、嫁空間的蛾分割)：直接左與計算描機的能香力(計算速度億、內(nèi)存容潤量)相關(guān)。分割(時間間衰隔、計饑算格子)：越細(xì)致，對計叫算機的旋能力要悠求就越期高(解析精洪度也就蜜相對高)。（2）計算梁流體力固學(xué)6.傭CFD技術(shù)在暖漲通空調(diào)中稍的應(yīng)用方蛾法常見空調(diào)稱設(shè)計中的搭流體解析疼問題：大補都為紊流崇問題。對紊流毀現(xiàn)象用原計算機字直接計枕算從計嗚算時間碌、計算傾機內(nèi)存右容量上吧近于不品可能。紊流模型狡：在工程株上，著眼碧于流場的披主流。在伍對微小渦縫流構(gòu)造忽幅略的前提置下，近似習(xí)的將瞬時專變化的紊急流部分作預(yù)時間平均思化處理，羞從而產(chǎn)生阻了紊流模混型。（3）暖通漆空調(diào)設(shè)危計中的弄流體解棒析問題6.晨CFD技術(shù)在璃暖通空揚調(diào)中的去應(yīng)用方肥法室內(nèi)氣流鄉(xiāng)豐組織設(shè)計缺過程中應(yīng)欺考慮的因延素紊流部右分的時愚間平均聯(lián)化處理巨：有各糖種方法區(qū)，如導(dǎo)乏入渦粘邪性系數(shù)店的方法撲，即半煙經(jīng)驗型K-ε方程式做紊流模撫型--K為紊流能傭量--ε為紊流消送失率--由k、ε求出渦殃粘性系腎數(shù)CFD的解析流程：--解析范圍洪確定黨計算蕉格子劃分CFD解析。6.C昆FD技術(shù)在暖星通空調(diào)中美的應(yīng)用方暴法CFD解析流韻程將解析范畢圍分割成里微小計算即格子。計算格揚子的分尚類：--直交(構(gòu)造型)--非直交(非構(gòu)造朽型)型格子①計算格難子劃分6.C伶FD技術(shù)在暖船通空調(diào)中擱的應(yīng)用方搞法對解析范副圍做直交般格子分割疑。有時可德能會使貪用過多科的格子屋，雖然姥浪費計枯算機的夕內(nèi)存容寧量，但哨解析的暖穩(wěn)定性祝較佳。計算格厲子分割移類型直交型格頓子的特點庸：6.肆CFD技術(shù)在暖械通空調(diào)中灣的應(yīng)用方電法適用于尾復(fù)雜的漢形狀。配置的飄自由度弓大，可黨根據(jù)需暢要自由創(chuàng)調(diào)整格更子大小笑，這樣斧就節(jié)約扮了計算傳機的內(nèi)叮存容量爹。解析的賽穩(wěn)定性海欠佳，蜻收斂所瓶需時間順長。計算格子幅分割類型非直交害型格子樹的特點年：6.C脆FD技術(shù)在終暖通空晨調(diào)中的灰應(yīng)用方咳法此外，寶利用復(fù)酬數(shù)的直理交系格繼子構(gòu)成廚的復(fù)合踏系格子尚也得到纏廣泛利廉用。非直交酒型應(yīng)用美實例6.園CFD技術(shù)在短暖通空掃調(diào)中的餃應(yīng)用方晴法物理模式欲：對應(yīng)于握各種物理太現(xiàn)象(層流，低以雷諾數(shù)/高雷諾數(shù)絡(luò)紊流等)的物理模拉式被不斷逮開發(fā)出來翼。物理模式縫的選擇：戀根據(jù)解析厲對象做合聲理的選擇累。對解析對限象進(jìn)行合叫理的分析蹲，適當(dāng)?shù)啬x擇對稱僵面，可簡鍬化解析范輝圍，節(jié)約裳計算機的銜內(nèi)存容量菜和計算時般間。②解析物理登模式6.疼CFD技術(shù)在茄暖通空兆調(diào)中的折應(yīng)用方完法解析范喬圍的形關(guān)狀確定蘋后，邊杜界條件螺主要有泊室內(nèi)空裝調(diào)負(fù)荷(包括墻疫面的傳攀熱)，送、回歌風(fēng)口的設(shè)急置，吹出氧、吸入條漫件等。其中太陽降輻射熱負(fù)迎荷條件的屯確定較麻濱煩。通過敗別的途徑違將熱負(fù)荷媽條件解析躍后作為CFD的傳熱柏邊界條如件。邊界條件盤設(shè)定：妥痰善與否，縮慧會左右CFD的解析的紋正確性、纖效率及精浩度。CFD解析的關(guān)瘡鍵問題：臺如何明確舌解析對象棗，選擇具廣有代表性答的解析要肺素是CFD解析的用關(guān)鍵問炒題。③邊界條覺件的設(shè)靈定6.階CFD技術(shù)在暖船通空調(diào)中憲的應(yīng)用方愚法④邊界條豎件的設(shè)阿定需注嘴意的問妥題1）空調(diào)方嬌式、空調(diào)叢負(fù)荷作為耕邊界條件帶時的不確租切性許多CFD解析，為魄了簡化邊要界條件，言減少輸入卷條件，往波往將空調(diào)襪負(fù)荷作為把固定的邊鋒界條件，扯但嚴(yán)格地貧說，室內(nèi)罰空調(diào)負(fù)荷疼是受室內(nèi)福氣流、溫摸度分布影巖響的。6.C期FD技術(shù)在暖置通空調(diào)中包的應(yīng)用方殿法當(dāng)解析對俗象空間是幻玉獨立空間承時，解析長范圍、邊蠻界條件的居確定是較篇容易的。當(dāng)解析對聚象是半開嚴(yán)放空間(如中庭開牽放空間)，與其他沉空間相接要時，就要小求對相互借影響加以你考慮。受計算憲機容量隸、能力消、時間赤等的限婚制，對木全域進(jìn)貓行解析嘆是困難商的，且廳在經(jīng)濟財、技術(shù)絮上也是奏不合理簡的。2）邊界條溝件的變動筆處理處理方唐法：做合理的功變動處理蔬，人為地刺設(shè)定一些莖邊界條件率。例如在言半開放空險間邊界上偽將風(fēng)速、觸溫度或壓趴力等做假妄定。6.含CFD技術(shù)在暖扣通空調(diào)中客的應(yīng)用方兵法CFD解析時需趟將解析對閣象空間分銷割成微小猜計算格子獄。計算格笛子分割鉤的粗細(xì)擋又受計理算機容擔(dān)量、能躲力、時廣間所限政。尤其此是對大含空間來否說，要債描述噴棕口送風(fēng)版口這樣那的小物那體。對脾其周邊制做相應(yīng)烘的格子撲分割，亮則是不磚經(jīng)濟、嗎不現(xiàn)實撥的，甚鉛至有時火是不可戀能的。伸因此，渡將其模泄式化是紡一種有趕效的方誼法。3）邊界條橫件的模式棒化常用的蟻實用方我法：將這騙些送風(fēng)護口在自在由空間燈條件下汪對其流舍體力學(xué)招特性做靠另外單四獨解析睬，然后途將其作籃為解析翅空間中躬這些送妥風(fēng)口位墨置處的著邊界。6.C茫FD技術(shù)在鬼暖通空諸調(diào)中的跡應(yīng)用方斜法需詳細(xì)兵閱讀CFD應(yīng)用軟件追說明及實利例。雖然市都場上出撕售的通芝用CFD軟件在柴操作性儉上越來蒜越簡單聲，即使寺不懂CFD、不懂暖敲通空調(diào)也仆可操作，潤但是如果戒解析的輸呆入邊界條熄件不妥，冶將不可能跌得到正確襯的所期待優(yōu)的結(jié)果。正確地確孤定輸入邊嘉界條件，礦不僅需要歡對CFD有一定套的了解繳，也需拴要具備—定的空調(diào)歌專業(yè)