CFD技術(shù)在連通類高大空間空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

張斌

唐山市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 河北 唐山 063000

引言

當(dāng)前，設(shè)計(jì)人員的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)出節(jié)能舒適的室內(nèi)環(huán)境，而創(chuàng)造人工環(huán)境的過(guò)程中需要合理組織室內(nèi)氣流。氣流組織和環(huán)境品質(zhì)之間具有緊密的聯(lián)系，而且直接影響到能源效率。CFD技術(shù)不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)人員可以利用這項(xiàng)技術(shù)預(yù)測(cè)室內(nèi)氣流組織，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)各項(xiàng)參數(shù)，選擇最佳氣流組織形式，保障連通類高大空間空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，在最大限度上滿足人們的生活需求。

1 概述CFD技術(shù)

計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)，簡(jiǎn)稱CFD，是一種基于數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)技術(shù)的模擬技術(shù)。本技術(shù)實(shí)驗(yàn)采用虛擬計(jì)算機(jī)。模擬實(shí)際流量。通過(guò)計(jì)算可以列出流體的流動(dòng)微分方程。連續(xù)間隔中的流體流動(dòng)是平滑的。CFD技術(shù)在1974年就開始使用。由一位丹麥的工程師率先在暖通開工條件下運(yùn)用CFD技術(shù)施工。模擬通風(fēng)環(huán)境下，室內(nèi)的空氣是如何流通的。之后通過(guò)系列的創(chuàng)新和發(fā)展，建筑師﹑空調(diào)工程師在分析工程問(wèn)題時(shí)開始廣泛運(yùn)用CFD技術(shù)，可以大幅度提高暖通空調(diào)設(shè)計(jì)水平[1]。

例如在室內(nèi)空氣分布階段，利用CFD技術(shù)可以降低整體成本，同時(shí)可以提高工作效率，而且具備完善的資料，可以有效模擬?不通過(guò)的工程情況。對(duì)比其他方法，CFD技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，可以不斷縮減CFD技術(shù)計(jì)算周期和成本，適用于工程施工。但是在實(shí)際應(yīng)用CFD技術(shù)的過(guò)程中仍舊存在一些問(wèn)題，所以需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展相關(guān)技術(shù)，將會(huì)逐漸彌補(bǔ)CFD技術(shù)使用中的不足，不斷優(yōu)化CFD技術(shù)使用性能，在工程中發(fā)揮出更加重要的作用。

2 概述暖通空調(diào)系統(tǒng)中CFD技術(shù)的應(yīng)用

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

2.1.1 CFD通用軟件的數(shù)學(xué)模型主要包括湍流模型和自由面流模型以及多相流模型等。使用的離散方法包括有限元法和有限體積法。分析了當(dāng)前的技術(shù)條件，CFD軟件主要采用離散方法[2]。

2.1.2 在設(shè)計(jì)時(shí)，采用三維的流動(dòng)數(shù)值模型計(jì)算量大，故使用CFD軟件時(shí)，收斂速度可有效提升。所以計(jì)算耗費(fèi)時(shí)間縮短了，并運(yùn)用平行計(jì)算法可有效解決由于單機(jī)容量不足而造成的問(wèn)題。目前，在實(shí)踐工作開展中使用的收斂技術(shù)包括了殘差光順?lè)?，多層網(wǎng)格法。

2.1.3 為了滿足不同客戶的需求，CFD系統(tǒng)設(shè)置了許多特殊模塊。通過(guò)系統(tǒng)特定版本和軟件。它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜過(guò)程的有效計(jì)算，自動(dòng)生成網(wǎng)格，簡(jiǎn)化條件，大大減輕工作人員的工作壓力，并有效處理計(jì)算結(jié)果的分析。目前，該系統(tǒng)包括了流動(dòng)顯示以及網(wǎng)格生成模塊，可實(shí)現(xiàn)任何流程幾何形狀的建模輸出，但形成結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格時(shí)要花的時(shí)間精力都很多。而采用專用模塊可自動(dòng)生成網(wǎng)格，并利用客戶幾何參數(shù)，有效形成三維網(wǎng)格模型[3]。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域

2.2.1 設(shè)計(jì)通風(fēng)空調(diào)房建的氣流組織。保障氣流分布方案的科學(xué)性，有利于暖通空調(diào)結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)計(jì)，有效提高暖通空調(diào)系統(tǒng)的科學(xué)性。同時(shí)，該技術(shù)在制冷工程中的應(yīng)用可以模擬空調(diào)房間的空氣分布。該技術(shù)可用于做好模擬工作，明確房間內(nèi)氣流的分布，以便設(shè)計(jì)者能夠識(shí)別HVAC系統(tǒng)的各種因素，從而充分發(fā)揮出暖通空調(diào)制冷工程的作用。

2.2.2 建筑外環(huán)境分析設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)建筑暖通空調(diào)的過(guò)程中，建筑外部環(huán)境直接關(guān)系到建筑自然通風(fēng)情況，這也直接影響到住戶生活質(zhì)量。因此在利用CFD技術(shù)的過(guò)程中，需要全面分析和設(shè)計(jì)建筑外環(huán)境，注重分析當(dāng)?shù)責(zé)岘h(huán)境和二次風(fēng)等，合理優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑暖通空調(diào)指令工程，優(yōu)化通風(fēng)效果和制冷效果。

2.2.3 室內(nèi)空氣質(zhì)量。CFD也可用于評(píng)估室內(nèi)空氣質(zhì)量。采用專業(yè)軟件進(jìn)行模擬，確定不同空間的溫度和濕度，對(duì)空調(diào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理科學(xué)的調(diào)整，優(yōu)化參數(shù)性能，提高系統(tǒng)的整體工作效率，改進(jìn)建筑設(shè)備性能。

建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)和空調(diào)中存在流體工作介質(zhì)，流體流動(dòng)與設(shè)備性能有關(guān)，因此設(shè)計(jì)者需要注意這方面的問(wèn)題。CFD技術(shù)可用于模擬設(shè)備的流體流動(dòng)，從而提高整體工作效率，并通過(guò)優(yōu)化通風(fēng)效果和制冷效果來(lái)節(jié)省設(shè)備維護(hù)成本，同時(shí)可以顯著降低設(shè)備的能耗。

3 連通類高大空間建筑存在的問(wèn)題

第一，氣流控制問(wèn)題難解決。連通的高大空間由于高度不同，需要使用開口對(duì)各連接空間進(jìn)行利用，由于受煙囪效應(yīng)影響，空間內(nèi)氣流相互流動(dòng)無(wú)法有效控制氣流的組織，再加上設(shè)計(jì)沒(méi)有模塊供參考，所以設(shè)計(jì)難度大[4]。

第二，計(jì)算荷載的問(wèn)題。高連通空間的空調(diào)位置低﹑形式復(fù)雜，應(yīng)采用混合送風(fēng)方式和特殊負(fù)荷處理來(lái)解決負(fù)荷的影響。高大空間連接著周圍的展廳和走廊，因此在計(jì)算連接展廳和走廊的高大空間的空調(diào)負(fù)荷時(shí)，則要考慮熱量轉(zhuǎn)換以及熱量交換的問(wèn)題。

近些年分析高大空間氣流組織的過(guò)程中，逐漸推出新的設(shè)計(jì)思想和方法，需要保障使用的靈活性和經(jīng)濟(jì)性，一方面需要細(xì)化空調(diào)區(qū)域，在最大限度上滿足高大空間的需求。另一方面需要結(jié)合使用多種氣流組織形式，共同實(shí)現(xiàn)低能耗和效果好的目標(biāo)[5]。

4 CFD技術(shù)在連通類高大空間空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

4.1 網(wǎng)格生成

在CFD建模時(shí)，網(wǎng)格生成的是非常重要的。在求解時(shí)要耗費(fèi)大量時(shí)間去生成模型與網(wǎng)格，技術(shù)人員則要考慮多個(gè)因素，明確網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)﹑數(shù)量等等，才能更好地提升整體結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確。

4.1.1 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)：網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有四面體﹑五面體﹑六面體，在生成時(shí)主要為劃分結(jié)構(gòu)化以及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。自由度相同時(shí)，六面體與四邊形法的微網(wǎng)格質(zhì)量最好，六面體的收斂假值相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低，可確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。技術(shù)人員可以使用四邊形和六面體元素來(lái)合理減少網(wǎng)格數(shù)量并有效提高處理效率，并且可以從結(jié)構(gòu)上處理六面體網(wǎng)格。目前，區(qū)域電網(wǎng)技術(shù)具有較高的利用率。根據(jù)空調(diào)室內(nèi)人體的傳熱性能，想象一個(gè)矩形空間，將房間分成兩個(gè)區(qū)域，使用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，其他使用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，人體上方的網(wǎng)格使用局部致密化技術(shù)。模擬和分析通風(fēng)室內(nèi)人體氣體的流動(dòng)，使用人體附近的過(guò)渡網(wǎng)格，在其他區(qū)域使用四面體網(wǎng)格。在使用該技術(shù)時(shí)，工人結(jié)合實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，選擇最合適的結(jié)構(gòu)，并綜合分析混合網(wǎng)格對(duì)此所產(chǎn)生的影響。

4.1.2 網(wǎng)格密度：為了優(yōu)化模擬效果，需要提高網(wǎng)格密度的合理性?？茖W(xué)合理的網(wǎng)格密度有利于優(yōu)化仿真精度。然而，如果它超出特定范圍，盲網(wǎng)格加密將浪費(fèi)計(jì)算時(shí)間，影響模擬精度，甚至擴(kuò)大誤差。因此，有必要有效地驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性。獨(dú)立性意味著模擬結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格密度之間沒(méi)有關(guān)系，或者當(dāng)網(wǎng)格被細(xì)化時(shí)，計(jì)算的準(zhǔn)確性不會(huì)受到很大影響。研究人員應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇合理的網(wǎng)格內(nèi)容，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[6]。

4.1.3 湍流模型：該模型直接影響CFD模擬的準(zhǔn)確性，包括直接數(shù)值模擬和大渦電流模擬。通過(guò)數(shù)值模擬，技術(shù)人員可以使用精確的網(wǎng)格。由于計(jì)算資源有限，不適合在室內(nèi)空間使用數(shù)值模擬。大渦流模擬可用于分離渦流模擬，主流區(qū)域可使用大渦流模擬，邊界層流動(dòng)可使用雷諾平均N-S方程。技術(shù)人員計(jì)算顆粒濃度分布，然后使用大渦流模擬。由于嚴(yán)格要求網(wǎng)絡(luò)精度和計(jì)算時(shí)間，RANS模型具有較高的應(yīng)用率。

組織空調(diào)間氣流組織時(shí)，該模型具有極強(qiáng)適應(yīng)性，但由于入流條件復(fù)雜，研究者要對(duì)障礙物進(jìn)行分析，模擬相應(yīng)的情況合理選擇湍流模型，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果﹑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可有效提升檢測(cè)的科學(xué)性。

4.2 風(fēng)口模型

作為技術(shù)人員，需要對(duì)出風(fēng)口流動(dòng)﹑溫度情況等進(jìn)行綜合分析，采用CFD技術(shù)對(duì)氣流分布情況進(jìn)行分析。由于送風(fēng)口十分復(fù)雜，為了模擬流入條件，應(yīng)設(shè)計(jì)風(fēng)口的網(wǎng)格，但這種劃分也更困難，因此應(yīng)使用風(fēng)口模型。該模型可以減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。目前風(fēng)口模型逐漸成熟，運(yùn)用送風(fēng)法不會(huì)對(duì)模擬造成干擾。

4.3 輻射換熱

計(jì)算結(jié)果時(shí)由于資源有限的問(wèn)題，一些工作人員不重視熱輻射影響。但自然通風(fēng)條件下氣體的流動(dòng)速度是降低的。這就說(shuō)明了要利用熱浮力所產(chǎn)生的作用在計(jì)算求解時(shí)，考慮熱輻射所帶的影響。一般來(lái)說(shuō)，換熱包括了熱源以及壁面輻射，還也要考慮空氣對(duì)其產(chǎn)生的吸收作用。對(duì)于這些輻射工作人員要先將壁面溫度計(jì)算出來(lái)，明確其邊界的情況。如果這個(gè)溫度值未能得到明確，則要修改邊界條件以下正熱負(fù)荷。

5 CFD技術(shù)在連通類高大空間空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用策略

當(dāng)將CFD技術(shù)應(yīng)用于相連的大型空間中的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要首先建立一個(gè)模型，然后使用該模型計(jì)算守恒方程并計(jì)算空調(diào)制冷系統(tǒng)的值。最后，這些值需要可視化。在管理和技術(shù)人員完成評(píng)估和分析后，他們可以了解空調(diào)的制冷條件，因此可以進(jìn)一步調(diào)整具體用途。因?yàn)樵贑FD技術(shù)的后處理過(guò)程中，需要針對(duì)結(jié)算結(jié)果轉(zhuǎn)化和展示位靜態(tài)圖片，使計(jì)算可視化和便利性進(jìn)一步提高。在實(shí)際工作中通過(guò)嚴(yán)格操作上述步驟，有利于嚴(yán)謹(jǐn)性的應(yīng)用CFD技術(shù)，保障空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效果，科學(xué)性的調(diào)整空氣流體，提高人們居住環(huán)境的舒適性。當(dāng)前利用CFD技術(shù)可以推動(dòng)暖通空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展，但是我國(guó)CFD技術(shù)還不能和國(guó)外技術(shù)比肩，因此相關(guān)技術(shù)人員需要不斷完善CFD技術(shù)，優(yōu)化整體使用性能，提高人們的體驗(yàn)感。

6 CFD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

第一，與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起。通過(guò)這兩項(xiàng)技術(shù)的聯(lián)合使用，可提升暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水平，同時(shí)做好不同區(qū)域的設(shè)計(jì)協(xié)同工作。共享設(shè)計(jì)的信息，對(duì)接CAD﹑CAM等。

第二，與專家系統(tǒng)結(jié)合在一起。與專家系統(tǒng)相結(jié)合可讓專家系統(tǒng)的指導(dǎo)作用發(fā)揮最大，減少軟件使用難度。并且運(yùn)用專家系統(tǒng)內(nèi)的信息，可自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)前﹑后處理是否統(tǒng)一﹑正確，確保得到的計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的。并且CFD還可以當(dāng)成是專家系統(tǒng)的補(bǔ)充，有利于積累并計(jì)算案例，提升計(jì)算能力。

第三，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合。計(jì)算機(jī)技術(shù)是不斷進(jìn)步與發(fā)展的，這樣就說(shuō)明了商用軟件數(shù)量在增加。選擇合理的軟件可計(jì)算出暖通空調(diào)工程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并不完善，計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)。這說(shuō)明模擬工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)要不斷完善，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)才能更好地助力該軟件的發(fā)展。

7 結(jié)束語(yǔ)

CFD技術(shù)在連接的大空間中的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用不僅可以節(jié)約能源，而且可以確?？照{(diào)系統(tǒng)的質(zhì)量，因此，我國(guó)技術(shù)人員需要深入分析CFD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，保障連通類高大空間空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的發(fā)展目標(biāo)。