CFD介紹及其在建筑通風(fēng)中的應(yīng)用

■尹中偉，何 磊

■1.河南省駐馬店市大地裝飾設(shè)計(jì)工程有限公司，河南 駐馬店 463000;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249

建筑通風(fēng)即是用自然或機(jī)械的方法向某個(gè)建筑空間通入室外的空氣，或向外排出空氣的過(guò)程。建筑通風(fēng)希望增大室內(nèi)空氣流通速度，減少室內(nèi)空氣中細(xì)菌的滋生，加大空氣中氧氣的比例，讓居民的健康呼吸更有保障。因此，人們進(jìn)行建筑通風(fēng)的研究，優(yōu)化建筑的結(jié)構(gòu)。建筑通風(fēng)的主要研究方法有實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法。實(shí)驗(yàn)方法較準(zhǔn)確，但是時(shí)間長(zhǎng)，且花費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力。隨著數(shù)值模擬的不斷發(fā)展，在建筑通風(fēng)的研究中CFD得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，相比試驗(yàn)方法，CFD方法節(jié)約時(shí)間、成本低、能模擬較復(fù)雜或較理想的過(guò)程等，在建筑通風(fēng)的設(shè)計(jì)中得到了良好的應(yīng)用。

1CFD簡(jiǎn)介

CFD即英文Computational Fluid Dynamics(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))的簡(jiǎn)稱。CFD研究計(jì)算的基本定律是:動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律，把連續(xù)的計(jì)算域離散成許多個(gè)子區(qū)域(體積單元)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)在每個(gè)子區(qū)域上對(duì)控制方程組進(jìn)行數(shù)值求解，從而分析整個(gè)計(jì)算域上流體的流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)。簡(jiǎn)要地說(shuō)，CFD相當(dāng)于“虛擬”地在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而模擬真實(shí)的流體流動(dòng)。隨著CFD計(jì)算方法和物理模型的不斷改進(jìn)和完善，以及計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的不斷增強(qiáng)，許多成熟的商業(yè)化CFD軟件在不同行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

2 CFD常用軟件

自1981年英國(guó)CHAM公司首先推出求解流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的PHOENICS軟件以來(lái)，國(guó)際軟件產(chǎn)業(yè)迅速形成了通稱為CFD軟件的產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)。下面著重介紹國(guó)內(nèi)科研院所和高校引進(jìn)的5種軟件。

(1)PHOENICS。1981年即投放市場(chǎng)，可以說(shuō)是CFD/NHT商用軟件的鼻祖，對(duì)以后開發(fā)的商用軟件有著比較大的影響。

(2)FLUENT。是繼PHOENICS軟件后投放市場(chǎng)的第二個(gè)基于有限容積法的軟件，采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，可以計(jì)算不可壓縮與可壓縮流動(dòng)、定常與非定常流動(dòng)、燃燒過(guò)程、含有粒子/液滴的蒸發(fā)、多組份介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程等。

(3)FIDAP。是世界上首先使用有限元方法的CFD軟件?？梢杂?jì)算層流與湍流、單相與兩相流、可壓縮及不可壓縮流、凝固與熔化、牛頓流體及非牛頓流體的流動(dòng)問(wèn)題等。

(4)CFX。是第一個(gè)發(fā)展和使用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù)的商業(yè)化軟件?？捎?jì)算多相流、不可壓縮及可壓縮流動(dòng)、耦合傳熱問(wèn)題、粒子運(yùn)輸過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)、氣體燃燒、熱輻射等。

(5)STAR－CD。是全球第一個(gè)采用完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)和有限體積方法來(lái)研究工業(yè)領(lǐng)域中復(fù)雜流動(dòng)的流體分析商用軟件包?？梢杂?jì)算牛頓流體及非牛頓流體的流動(dòng)、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、亞音速及超音速流動(dòng)、多孔介質(zhì)中的流動(dòng)、換熱等問(wèn)題。

在建筑通風(fēng)領(lǐng)域應(yīng)用較多的是Phoenics和FIuent。Phoenics軟件與外界建模軟件接口方面比較強(qiáng)，可以借助于CAD、3DmAX的工具建立模擬對(duì)象的空間模型，然后通過(guò)Phoenics的輸入接口導(dǎo)入分析域中。針對(duì)建筑通風(fēng)特點(diǎn)，F(xiàn)1uent軟件公司了推出了Airpak軟件，在保證計(jì)算結(jié)論可靠性的基礎(chǔ)上大大改善了FIuent軟件的易用性。

3 CFD在建筑通風(fēng)中的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)外建筑通風(fēng)的CFD研究開展了大量工作，涉及通風(fēng)設(shè)計(jì)的主要有以下幾個(gè)方面:

3.1 在建筑自然通風(fēng)中的應(yīng)用

空氣壓差的作用產(chǎn)生空氣流動(dòng)，這就形成了風(fēng)。如果建筑物的開口(門或窗)處存在空氣壓差，就會(huì)形成自然通風(fēng)。一般地，在單位時(shí)間內(nèi)，從窗口進(jìn)入室內(nèi)的氣流越多，室內(nèi)的通風(fēng)效果相應(yīng)地就越好。

Nikas等［1］對(duì)建筑自然通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究表明:室內(nèi)的自然通風(fēng)情況除了和建筑開口的幾何現(xiàn)狀有關(guān)外，風(fēng)速的方向和大小也是一個(gè)很重要的影響因素。Calautit J K等［2］根據(jù)按比例縮小的風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD分析探討自然通風(fēng)條件下某風(fēng)塔的通風(fēng)性能，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果和CFD模擬吻合很好。

孫迎龍等［3］對(duì)光伏連棟玻璃溫室自然通風(fēng)的條件下進(jìn)行了室內(nèi)溫度場(chǎng)三維CFD模擬和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)溫度場(chǎng)模擬和試驗(yàn)結(jié)果吻合，驗(yàn)證了模型的可行性。余元波等［4］采用CFD模擬了不同通風(fēng)腔頂部和下部開口尺寸及窗戶開啟角度、尺寸等參數(shù)下，通風(fēng)腔開口和外窗自然通風(fēng)流量系數(shù)、外窗進(jìn)風(fēng)溫度所受影響。

3.2 在建筑機(jī)械通風(fēng)中的應(yīng)用

機(jī)械通風(fēng)的可靠性高、降溫效果好、可控性強(qiáng)，在環(huán)境要求比較苛刻的建筑得到了廣泛的應(yīng)用。Harral等［5］采用修正的k－ε模型對(duì)無(wú)牲畜強(qiáng)制通風(fēng)的畜舍流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明該模型與實(shí)際情況符合較好;張?zhí)熘龋?］用簡(jiǎn)化的CFD模型對(duì)高密度迭層籠養(yǎng)蛋雞舍流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了相應(yīng)的雞舍內(nèi)流場(chǎng)的分布。張忠杰等［7］運(yùn)用CFD研究倉(cāng)儲(chǔ)糧堆不同通風(fēng)條件下溫度場(chǎng)的分布情況，得到了倉(cāng)儲(chǔ)糧堆隨季節(jié)溫度變化的模擬結(jié)果。王遠(yuǎn)成等［8］基于多孔介質(zhì)理論，借助CFD對(duì)糧堆內(nèi)部熱濕耦合過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到了糧堆內(nèi)部水分遷移和熱量的規(guī)律。

3.3 在建筑混合通風(fēng)中的應(yīng)用

混合通風(fēng)具有自然和機(jī)械通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足空氣品質(zhì)高的要求而又環(huán)保節(jié)能。它設(shè)置了控制系統(tǒng)，能自動(dòng)及時(shí)地切換自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)以減少能耗。Yingchun Ji等［9］介紹了位于杭州的一個(gè)使用了混合通風(fēng)系統(tǒng)的低能耗建筑設(shè)計(jì)模擬和測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)混合通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的。侯素娟［10］通過(guò)CFD建立了10層的中庭結(jié)構(gòu)的建筑模型，得到了中庭空間內(nèi)混合通風(fēng)的氣流規(guī)律。劉小波［11］以混合通風(fēng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，借助FLUENT對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了系統(tǒng)中速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布情況。

3.4 在建筑置換通風(fēng)中的應(yīng)用

置換通風(fēng)是近年興起的一種新的送風(fēng)方式，與混合通風(fēng)不同的是置換通風(fēng)從房間一側(cè)送入新鮮空氣，而由另一側(cè)排出污濁空氣。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)能將室內(nèi)的污染物和余濕、余熱帶走，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。王翔等［12］介紹了上海世博會(huì)膜結(jié)構(gòu)屋頂展廳的置換通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)，采用CFD軟件對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行了模擬及優(yōu)化。

3.5 在建筑通風(fēng)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的通風(fēng)設(shè)計(jì)根據(jù)半理論半經(jīng)驗(yàn)和少量的實(shí)驗(yàn)來(lái)完成，一般方案選擇優(yōu)化都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定，可靠性低。CFD的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，CFD模擬可以清晰地看出建筑內(nèi)的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)或濃度場(chǎng)的分布，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)流體的運(yùn)動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，從而不斷修正，使工程設(shè)計(jì)擺脫了對(duì)經(jīng)驗(yàn)的盲從，提高了設(shè)計(jì)效率。CFD模擬技術(shù)可以預(yù)測(cè)單個(gè)房間或者建筑的每個(gè)部分的詳細(xì)流體參數(shù)，能夠詳細(xì)地分析在通風(fēng)空間的污染物分布和氣流形式。因此，CFD在通風(fēng)工程界被稱為現(xiàn)場(chǎng)模擬工具。

4 結(jié)論

隨著建筑形式的復(fù)雜程度變高，CFD模擬在建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)中起到越來(lái)越重要的作用。本文簡(jiǎn)要介紹了CFD技術(shù)及常用軟件，給出了CFD模擬在建筑通風(fēng)中的應(yīng)用情況。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，CFD在建筑通風(fēng)工程中已被應(yīng)用于高大空間氣流組織研究、置換通風(fēng)熱環(huán)境研究、潔凈房間的氣流組織研究、污染物排除特性的研究、輻射空調(diào)的換熱特性研究等。相信不久的將來(lái)，CFD技術(shù)會(huì)在建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)中得到更加廣泛的應(yīng)用。

［1］Nikas K S，Nikolopoulos N，Nikolopoulos A.Numerical study of a naturally cross－ ventilated building.Energy and Buildings，2010，42(4):422－434.

［2］Calautit J K，Hughes B R.Wind tunnel and CFD study of the natural ventilation performance of a commercialmulti－ directional wind tower.Building and Environment，2014.

［3］孫迎龍，王新忠.光伏玻璃溫室自然通風(fēng)條件下的 CFD模擬驗(yàn)證.農(nóng)機(jī)化研究，2015，4:043.

［4］余元波，譚洪衛(wèi)，莊智等.新型建筑光伏幕墻和外窗自然通風(fēng)設(shè)計(jì).建筑節(jié)能，2014(10).

［5］Harral B B，Boon C R.Comparison of predicted andmeasured air flow patterns in amechanically ventilated livestock building without animals.Journal of Agricultural Engineering Research，1997，66(3):221 －228.

［6］張?zhí)熘煊?，黃之棟等.高密度迭層籠養(yǎng)蛋雞舍內(nèi)氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15(增刊):38 －43.

［7］張忠杰，李瓊，楊德勇等.準(zhǔn)靜態(tài)倉(cāng)儲(chǔ)糧堆溫度場(chǎng)的CFD模擬.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2010(4):46－50.

［8］王遠(yuǎn)成，段海峰，張來(lái)林.就倉(cāng)通風(fēng)時(shí)糧堆內(nèi)部熱濕耦合傳遞過(guò)程的數(shù)值預(yù)測(cè).河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，30(6):75－79.

［9］Ji Y，Lomas K J，CookmJ.Hybrid ventilation for low energy building design in south China.Building and Environment，2009，44(11):2245 －2255.

［10］侯素娟.混合通風(fēng)對(duì)高層住宅建筑中庭內(nèi)氣流特性的影響研究.湖南:湖南大學(xué)，2010.

［11］劉小波.建筑混合通風(fēng)的模擬研究.湖南:湖南大學(xué)，2005.

［12］王翔，王亮.高大空間膜結(jié)構(gòu)屋頂展廳置換通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì).暖通空調(diào)，2012，42(5):47 －50.