CFD仿真与暖通空调工程的完美融合

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。

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。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。   

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。将求解结果的速度场、温度场、压力场等表示出来是CFD技术应用的必要组成部分。通过计算机图形学（数据可视化）等技术，就可以将我们所求解的速度场和温度场等形象、直观地表示出来。可见，通过可视化的后处理，可以将单调繁杂的数值求解结果形象直观地表示出来，甚至便于非专业人士理解。如今，CFD的后处理不仅能显示静态的速度、温度场图片，而且能显示流场的流线或迹线动画，非常形象生动。

1、组织设计

通风空调空间的气流组织直接影响到其通风空调效果，借助CFD可以仿真预测其中的空气分布详细情况，从而指导设计。通风空调空间通常又可分为:普通建筑空间：如住宅、办公室、电影院、商场等;特殊空间：如洁净室、客车、列车及其它需要空调的特殊空间。下图为利用CFD设计的某大型博物馆内部的气流组织和湿度模拟结果，由此说明了CFD技术在通风空调空间气流组织设计方面的应用。图中用色调的暖冷表示温度的高低，矢量箭头的长短表示速度的大小，将空调空间内的流场形象直观地表示出来。

   

整体气流结构体                            湿度随气流运输图

    

2、环境分析

建筑外环境对建筑内部居者的生活有着重要的影响，所谓的建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。采用CFD可以方便地对建筑外环境进行模拟分析，从而设计出合理的建筑风环境。而且，通过模拟建筑外环境的风流动情况，还可进一步指导建筑内的自然通风设计。图2为某公共建群外流场分析图。

3、性能研究

暖通空调工程的许多设备如风机、蓄冰槽、空调器等，都是通过流体质的流动而工作的，流动情况对设备性能有着重要的影响。通过CFD模拟计算设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，从而改进其更好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。图3为FFU导流板下方气流均匀性的CFD模拟分析图。