計(jì)算流體動力學(xué)在建筑環(huán)境工程上的應(yīng)用分析

張愛龍

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，并在工程建筑、航空航天、能源、石油化工等眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。通過計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)流體流動與換熱模擬。在分析計(jì)算流體動力學(xué)的基礎(chǔ)上，從建筑外環(huán)境分析設(shè)計(jì)、通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織設(shè)計(jì)、建筑物與外環(huán)境傳熱計(jì)算、建筑設(shè)備性能研究等方面對計(jì)算流體動力學(xué)在建筑環(huán)境工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究。關(guān)鍵字：計(jì)算流體動力學(xué)；CFD；建筑環(huán)境

中圖分類號：TU71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-3520（2013）-12-0194-01

一、計(jì)算流體動力學(xué)概述

計(jì)算流體動力學(xué)即Computational Fluid Dynamics ，簡稱為CFD，是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值計(jì)算技術(shù)發(fā)展而來的一種先進(jìn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對流體流動及換熱模擬，在航空航天、能源、石油化工、建筑工程等眾多領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用。在建筑領(lǐng)域應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)，可以對小區(qū)建筑物是空氣流動、室內(nèi)通風(fēng)、室內(nèi)供熱制冷設(shè)備布置、建筑物與外界環(huán)境換熱等狀況進(jìn)行模擬與研究，從而提高建筑設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性及合理性，打造宜居環(huán)境。

（一）計(jì)算流體動力學(xué)分析方法

計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上，對實(shí)際流體流動狀況進(jìn)行模擬仿真。其技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基本原理為：通過數(shù)值求解控制流體流動微分方程，獲得流體流動流場在區(qū)域范圍內(nèi)離散分布狀況。計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)分析方法主要分為三個環(huán)節(jié)，分別為數(shù)學(xué)物理模型構(gòu)建、數(shù)值算法求解與結(jié)果可視化。

1.數(shù)學(xué)物理模型構(gòu)建。針對所需要研究的流動問題，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行描述與研究。在建筑環(huán)境領(lǐng)域，其流體流動問題主要是進(jìn)行不可壓流體粘性流體流動控制微分方程求解，為此，可以建立湍流模型并進(jìn)行數(shù)值求解。如下公式為粘性流體流動控制微分方程：

在方程中，S代表源項(xiàng)，Γ代表擴(kuò)散系數(shù)，p代表密度，其變量φ所代表的物理量不同，其方程含義不同。在應(yīng)用該方程的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行建筑工程環(huán)境中溫度、濃度、流場速度等物理量分布。

2.數(shù)值算法求解。考慮到粘性流體流動控制微分方程具有較強(qiáng)的非線性特征，只能應(yīng)用數(shù)值方法進(jìn)行求解。為此，應(yīng)對求解區(qū)域進(jìn)行離散處理，一般采取有限元、有限差分、有限容積等離散形式。在進(jìn)行不可壓流動與傳熱問題研究時所采取有限容積法進(jìn)行離散。通過離散，可以獲得代數(shù)方程并進(jìn)行求解，獲得流場離散分布。

3.結(jié)果可視化。單純進(jìn)行方程求解無法讓一般工作人員進(jìn)行理解，應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)將速度場、溫度場等進(jìn)行模擬描述，通過計(jì)算機(jī)圖形，直觀表達(dá)出模擬結(jié)果。在可視化處理后，可以將復(fù)雜數(shù)值以直觀圖像進(jìn)行顯示，便于非專業(yè)工作人員理解。當(dāng)前，應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)，可以生成靜態(tài)速度圖、靜態(tài)溫度場圖，并可以描繪出流場軌跡。

（二）計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)優(yōu)勢

在建筑環(huán)境工程中，其建筑群風(fēng)環(huán)境預(yù)測、室內(nèi)熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、設(shè)備性能等均是通過試驗(yàn)方式來實(shí)現(xiàn)，如進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)等，其試驗(yàn)存在著一定缺陷，且試驗(yàn)周期較長。應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬，其成本較低，速度較快，且模擬真實(shí)度較高，其模擬準(zhǔn)確性有保障。應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)可以生成可視化結(jié)果，可以為建筑設(shè)計(jì)及優(yōu)化發(fā)揮指導(dǎo)意義。

二、計(jì)算流體動力學(xué)在建筑環(huán)境工程中的應(yīng)用

（一）建筑外環(huán)境分析設(shè)計(jì)。在建筑工程中，其外環(huán)境對建筑內(nèi)居住者生活存在著很大影響，尤其是建筑設(shè)計(jì)較為密集的區(qū)域，其小區(qū)熱環(huán)境問題與二次風(fēng)問題逐漸受到人們的重視。應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)，可以對建筑外環(huán)境進(jìn)行仿真模擬，為建筑設(shè)計(jì)提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)建筑風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)的合理性與科學(xué)性。在仿真模擬建筑外環(huán)境風(fēng)流動分布狀況的基礎(chǔ)上，還可以對建筑內(nèi)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)提出意見。按照模擬獲得風(fēng)速大小，進(jìn)行住宅建筑風(fēng)荷載承受值計(jì)算，有助于優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（二）通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織設(shè)計(jì)。通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織是建筑環(huán)境設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，其空調(diào)空間氣流組織直接關(guān)系著通風(fēng)空調(diào)效果，如空調(diào)空間氣流組織質(zhì)量較好，則室內(nèi)空調(diào)溫度及速度能夠滿足建筑環(huán)境設(shè)計(jì)的要求，反之，則不能實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)目標(biāo)。為此，在進(jìn)行建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工之前，應(yīng)進(jìn)行空調(diào)空間氣流組織的設(shè)計(jì)與預(yù)測。在傳統(tǒng)方法中，多是選擇典型送回風(fēng)方式的氣流組織狀況研究，其精度及應(yīng)用范圍難以滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)，可以通過模擬仿真對建筑物內(nèi)部空氣氣流分布及溫度分布情況進(jìn)行描述，可以實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)通風(fēng)效果及空氣質(zhì)量的評價，指導(dǎo)通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織設(shè)計(jì)工作。

（三）建筑物及外環(huán)境傳熱計(jì)算。在建筑工程中，其建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所具備的熱工性能會對室內(nèi)熱環(huán)境造成直接影響。如隔熱保溫性較差的圍護(hù)結(jié)構(gòu)其建筑室內(nèi)熱環(huán)境表現(xiàn)為冬冷夏熱。為此，在工程施工中應(yīng)綜合分析室內(nèi)與室外熱交換等情況。通過應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)，結(jié)合數(shù)值傳熱學(xué)，可以對建筑流固耦合進(jìn)行傳熱計(jì)算，根據(jù)研究結(jié)果，合理選擇建筑圍護(hù)材料，有效控制建筑室內(nèi)熱環(huán)境，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

（四）建筑設(shè)備性能研究。在建筑工程施工中，會應(yīng)用到多種設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、空調(diào)等，其設(shè)備運(yùn)行均是通過流體工質(zhì)流動來實(shí)現(xiàn)，流體流動狀況直接影響著設(shè)備性能，如流道設(shè)置良好，其流體流動阻力較小，可以降低設(shè)備噪音，節(jié)約能耗等。應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)，可以對設(shè)備內(nèi)部流體流動狀況進(jìn)行模擬研究，在研究結(jié)果上分析設(shè)備性能，改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用的綜合效益。

三、結(jié)語

計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)流體流動與換熱模擬，在航空航天、能源、石油化工、建筑工程等眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)分析主要分為數(shù)學(xué)物理模型構(gòu)建、數(shù)值算法求解與結(jié)果可視化三個環(huán)節(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中展示出較大優(yōu)勢。從建筑外環(huán)境分析設(shè)計(jì)、通風(fēng)空調(diào)空間氣流組織設(shè)計(jì)、建筑物與外環(huán)境傳熱計(jì)算、建筑設(shè)備性能研究四個方面對建筑環(huán)境工程中計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究。實(shí)踐證明，通過計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，可以有效提高建筑環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)建筑施工綜合效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]李康吉. 建筑室內(nèi)環(huán)境建模、控制與優(yōu)化及能耗預(yù)測[D].浙江大學(xué)，2013.

[2]陳雪宇，黃曉家，謝水波，沃留杰，譚斌. 計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）在建筑排水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 給水排水，2009，11：204-208.

[3]鄧保慶. 環(huán)境工程專業(yè)CFD課程教學(xué)的應(yīng)用初探[J]. 中國科技信息，2010，07：201-202+211.

[4]徐揚(yáng). 建筑環(huán)境中風(fēng)能利用的模擬研究[D].山東建筑大學(xué)，2012.