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基于CFD模拟的大型公共建筑通风空调系统研究课题名称： 基于CFD模拟的大型公共建筑通风空调系统研究 课题承担单位（盖章）： 中国建筑第七工程局有限公司 课题起止时间： 2013年01月至2014年06 月 课题验收时间： 2014年07月 目 录1 绪 论11.1选题背景11.2计算流体力学（CFD）在通风空调中应用21.3国内外研究现状61.3本文研究的内容和目标82 CFD 发展概况与原理分析92.1 计算流体力学的发展历史92.2 物理现象的数学描述112.3 计算方法及求解过程142.4 总结203 工程原设计方案通风空调系统CFD 模拟研究213.1建筑设计概况213.2 展厅原设计方案夏季 CFD 模拟计算223.3 展厅原设计方案冬季 CFD 模拟计算273.4 总结304工程现状通风空调系统 CFD 模拟研究324.1 展厅现状夏季 CFD 模拟计算324.2 展厅现状冬季 CFD 模拟计算384.3 总结425分层空调方案空调系统 CFD 模拟研究445.1 分层空调改进方案设计计算445.2 分层空调的 CFD 模拟计算465.3 本章小结546结论556.1 主要研究结论556.2 课题研究心得561 绪 论1.1选题背景目前，国内外大型公共建筑的建设数量越来越多，公共建筑对通风空调系统的要求也越来越高。大型公共建筑一般指建筑面积2万平方米以上且采用中央空调的办公建筑、商业建筑、旅游建筑、科教文卫建筑、通信建筑以及交通运输等公共建筑用房。 CFD(ComputationalFluidDynamics,即计算流体动力学,简称CFD)是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行“三传”(传热、传质、动量传递)及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术,广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工等诸多工程领域,暖通空调制冷行业是CFD技术应用的重要领域之一。在1998年全国暖通空调制冷学术年会上设有一个CFD专题小组,之后基于CFD模拟通风空调系统的研究就越来越突出。近几年来，随着计算机大容量化和高速度化以及CFD的发展，应用 CFD 技术模拟预测大型公共建筑空调系统的气流组织、热舒适性以及优化设计方案成为可能。大型公共建筑空调系统由于受到初投资昂贵、设计复杂等条件的限制，我国尚缺乏各种空调设计方案在大型公共建筑中采用的应用实例。因此，结合淮北恒大名都二期主体及配套工程二标段工程项目原设计院设计有回风管道空调系统和无回风管道空调系统现状以及改进方案分层空调系统三种方案，利用专业软件Airpak2.1 对其空调系统的热舒适性与气流组织开展了模拟研究，以期研究结果能对实际空调工程设计具有指导价值。1.2计算流体力学（CFD）在通风空调中应用1.2.1 初识 CFD CFD 是英文 Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，CFD 相当于“虚拟”地在计算机上做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为 CFD 是现代模拟仿真技术的一种。CFD 是目前国际上一个被极为关注的研究领域，是进行“三传”(传热、传质、动量传递)及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工等诸多工程领域。暖通空调制冷行业是 CFD 技术应用的重要领域之一。 CFD 就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，这其中涉及流体力学（尤其是湍流力学）、计算方法乃至计算机图形处理等技术。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。另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，这又给解决实际问题带来很大的困难。由于湍流现象理论求解至今没有完全得到解决，目前 HVAC 领域内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。 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。1.2.2 CFD的模拟优势CFD 是一种模拟仿真技术，在暖通空调工程中的应用主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动情况。以预测室内空气分布为例，目前在暖通空调工程中采用的方法主要有四种：射流公式、Zonal model、CFD以及模型实验。 由于建筑空间越来越向复杂化、多样化和大型化发展，实际空调通风房间的气流组织形式变化多样，而传统的射流理论分析方法采用的是基于某些标准或理想条件理论分析或试验得到的射流公式对空调送风口射流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测，势必会带来较大的误差。并且，射流分析方法只能给出室内的一些集总参数性的信息，不能给出设计人员所需的详细资料，无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求；Zonal model 是将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参数如温度、浓度相等，而区域间存在热质交换，通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布以及流动情况，因此模拟得到的实际上还只是一种相对“精确”的集总结果，且在机械通风中的应用还存在较多问题；模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，搭建实验模型耗资很大，有文献指出单个实验通常耗资 300020000美元，而对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更多，周期也长达数月以上，难于在工程设计中广泛采用。 另一方面，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。由表 1-1 给出的四种室内空气分布预测方法的对比可见，就目前的三种理论预测室内空气分布的方法而言，CFD 方法确实具有无法比拟的优点，且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。尽管 CFD 方法还存在可靠性和对实际问题的可算性等问题，但这些问题已经逐步得到发展和解决。因此，CFD 方法可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测，从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。 进一步而言，对于室外空气流动以及其它设备内的流体流动的模拟预测，一般只有模型实验或 CFD 方法适用。表 1-1 的比较同样表明了 CFD 方法比模型实验的优越性。故此，CFD 方法可作为解决空调工程的流动和传热传质问题的强有力工具而推广应用。表1-1四种通风空调房间空气分布的预测方法比较1.2.3 CFD 在空调工程中的应用CFD 主要可用于解决以下几类空调工程的问题： （1）通风空调空间气流组织设计 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 可以预测仿真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、高大空间等；特殊空间，如洁净室、客车、列车及其它需要空调的特殊空间。 （2）建筑外环境分析设计 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等。 （3）建筑设备性能的研究改进 通风空调工程的许多设备，如风机、蓄冰槽、空调器等，都是通过流体工质的流动而工作的，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。 在2002年全国暖通空调制冷学术年会上设有一个CFD专题小组，对CFD模型及应用技术开展讨论。CFD 在 HVAC 领域研究及应用可概括为两方面： a) 模型及计算方法的研究； b) CFD 的应用。 会上提出了在辐射条件下如何计算室内的空气的温度分布、壁面和空气的换热、壁面的温度分布的多种模型，提出如何简化已有的CFD模型，在微机上准确计算包括高大空间气流组织在内的各种通风空调热环境问题。 应用 CFD 模拟大空间气流组织，在国内湖南大学龚光彩教授在 1997 年进行过“高大空间横向隔断气流的计算机仿真”，1998年进行“高大空间纵向隔断气流的数值仿真”；清华大学赵彬博士在 2000 年进行过“人民大会堂空调气流组织现状的数值模拟与改进”；同济大学谭良才博士后在 2000 年，进行“高大空间恒温空调气流组织设计方法研究”。 1.2.4 CFD 研究的发展方向及存在问题 自20世纪70年代末80年代初起，即已有一些高校、研究机构开始 CFD 技术的应用研究，20年来已取得许多重要的成就，研究的范围从以室内空气分布以及建筑物内烟气流动规律的模拟为主逐渐扩展到室外及建筑小区绕流乃至大气扩散问题，并已形成一些可以解决实际问题的软件。但从总体上看，我们与国外先进水平是有较大差距的。CFD 的软件一船应包括3部分，即前处理、求解(核心)部分及后处理(科学计算可视化)部分。从软件工程的角度来看，求解(核心计算)的部分与国外先进水平差距不大，主要差距表现在前处理即几何造型与网格生成技术、后处理即科学计算可视化部分。所以，从总体上看，我国通风空调制冷行业中开展CFD方面研究尚有大量工作要做，主要表现在以下几个方面： （1）继续加强算法理论方面的基础研究； （2）研究网格自动生成技术； （3）研究科学计算可视化技术； （4）用CFD技术开展本行业中的应用研究。 CFD技术在 CAE 工程中已表现出巨大的优势，将与CAD及CAM 乃至AI技术有效地结合在一起，并将显示其强大的生命力。1.3国内外研究现状CFD 在暖通空调工程的应用始于1974年，国外在这方面发展较快，目前国内也有一些大学或科研机构在对此进行研究。就其研究方向而言，主要可分为两方面：基础研究和应用研究。目前，美国、欧洲、日本等发达国家对CFD的基础和应用研究都处于领先水平，我国的清华大学等也有较为独特的研究方向。下面简要介绍。 基础研究方面： 目前CFD在暖通空调工程的应用基础研究方面，主要有如下新动态： （1）室内空气流动的简化模拟：美国 MIT，从描述空调风口入流边界条件的方法、湍流模型等方面进行研究，以对室内空气流动进行简化模拟；中国清华大学，研究空调风口入流边界条件的新方法、湍流模型以及数值算法，建立室内空气流动数值模拟的简捷体系。 （2）室内外空气流动的大涡模拟：美国 MIT、日本东京大学，研究大涡模拟这一高级湍流数值模拟技术在室内外空气流动模拟中的应用，目前已经开始尝试用于建筑小区和自然通风模拟等。 （3）室内空气流动模拟和建筑能耗的耦合模拟：美国 MIT，通过将简化的 CFD模拟方法和建筑能耗计算耦合对建筑环境进行设计。 应用研究方面： （1）自然通风的数值模拟：美国 MIT、香港大学等，主要借助大涡模拟工具研究自然通风问题。 （2）置换通风的数值模拟：美国 MIT、丹麦 Aalborg 大学、中国清华大学等，如地板置换通风、座椅送风等。 （3）高大空间的数值模拟：中国清华大学等，以体育场馆为主的高大空间的 气流组织设计及其与空调负荷计算的关系研究。 （4）VOC 散发的数值模拟：美国 MIT 等，借助 CFD 研究室内有机散发污染物在室内的分布，研究室内 IAQ 问题。 （5）洁净室的数值模拟：中国清华大学等；对型式比较固定的洁净室空调气流组织形式进行数值模拟，指导工程设计。1.3本文研究的内容和目标1.3.1研究目标结合试验研究、理论分析和工程应用等研究方法，应用CFD模拟技术对大型公共建筑通风空调系统方案进行优化分析，再通过工程实践检验CFD模拟技术的可靠性，从而提高CFD模拟技术在通风空调系统的广泛应用水平。同时提升课题组科研研究能力，促进中建股份理论研究水平和施工能力进步。1.3.2 研究与开发的主要内容依托淮北恒大名都二期主体及配套工程二标段工程，某独立大空间建筑有回风管道上送上回空调系统、无回风管道的上送上回空调系统现状和分层空调改进方案冬夏两季的热舒适性与气流组织利用专业软件 Airpak2.1 进行了模拟研究。（1）CFD 发展概况与原理分析（2）工程原设计方案通风空调系统CFD 模拟研究（3）工程现状通风空调系统 CFD 模拟研究（4）分层空调方案空调系统 CFD 模拟研究2 CFD 发展概况与原理分析随着计算机工业的迅速发展，计算速度的不断提高，CFD 作为一门独立的学科在近三十年来已经成为流体力学与应用数学的热门研究内容，在传热与流体流动问题的研究中起着越来越重要的作用。2.1 计算流体力学的发展历史2.1.1 初期萌芽阶段（1965-1974） （1）交错网格的提出。1965年美国科学家 Harlow、Welch 提出了交错网格的思想，即把速度分量和压力存放在相差半个步长的网格上，使每个速度分量的离散方程中同时出现相邻两点间的压力差。 （2）对流项差分迎风格式的再次确认。1952 年首先由库兰特（Courant）、伊萨克逊（Issacson）和里斯（Rees）提出，1966 年由金特里（Gentry）、马丁（Martin）和戴利（Dali）等人再次阐明。 （3）1967 年 Patankar 与 Spalding 发表了求解抛物型流动的 PS 方程。在 PS方程中，把 x y平面上的计算区域（边界层）转换到 x 平面上（为无量纲流函数），从而不论在边界层起始段还是在其后的发展段，所设置的计算节点均可落在边界层范围内。 （4）1972 年 SIMPLE 算法问世。SIMPLE 算法的一个基本思想是，在流场迭代求解的任何一个层次上，速度场都必须满足质量守恒方程。 （5）1974 年美国学者 Thompxon、 Thomes 及 Mastin 提出了采用微分方程来生成适体坐标的方法（TTM 方法）。TTM 方法的提出，为有限差分法与有限容积法处理不规则边界问题提供了一条崭新的道路。初创时期以TTM 方法的提出为结束的标志。从此 CFD 的发展成果已为向工程实际的应用推广创造了基本的条件。 2.1.2 走向工业应用阶段（1975-1984） （1）1977年由 Spalding 及其学生开发的 GENMIX 程序公开发行。 （2）1979 年，美国 Illinois 大学的 Minkowyes 教授任主编的国际杂志“Numerical Heat Transfer”创刊，为全世界数值传热学的研究与使用者开辟了一个发表研究结果的国际论坛；Spalding 教授及其合作者开发的流动传热计算的大型通用软件PHOENICS 第一版问世；对流项离散格式QUICK 格式的提出。 （3）1980 年 Patankar 教授的名著“Numerical Heat Transfer and Fluid Flow”出版。 （4） 关于处理不可压缩流体流场计算流速与压力的耦合关系的算法，先后提出了SIMPLER、SIMPLEC 算法。2.1.3 兴旺发达的近期（1985 年至今） （1） 前后处理软件的迅速发展，GRAPHER、GRAPH TOOL、IDEAS、PATRAN、ICEM-CFD 等均是在这一时期中问世的。 （2） 巨型机的发展促使了并行算法及紊流直接数值模拟（DNS）与大涡模拟（LES）的发展。 （3）多个计算传热与流动问题的大型商业通用软件陆续投入市场，如 FLUENT、FIDAP、STAR-CD、FLOW-3D 等。 （4） 数值计算方法向更高的计算精度和更好的区域适应性的方向发展。在网格生成技术方面，同位网方法得到进一步发展，非结构化网格的研究蓬勃展开；在对流项格式研究方面，一批具有有界性的高分辨率格式相继出现；在压力与速度耦合关系的处理方面，提出了算子分裂算法 PISO，SIMPLE 系列的算法也由不可压流推广到可压流；CFD 学术界对于数值计算结果的不确定度分析进一步予以重视，一些国际杂志开始对所采用的对流项格式的精度提出限制性的要求。 2.2 物理现象的数学描述 本课题应用计算流体力学（CFD）的方法数值模拟高大空间建筑传热与流体流动问题，即研究高大空间的温度场、速度场、热舒适等问题。本文研究的问题属于室内不可压缩气体三维稳态问题，微分方程中的非稳态项为零。基于空气湍流特性的微观解析，主要方法是采用 Launder 及 Spalding 等提出的一种平均湍流能量模型k- 双方程湍流模型求解方程组。采用 k- 双方程模型求解湍流对流换热问题时，控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程及 k- 方程与湍流粘性系数（turbulent viscosity）t公式。其中考虑质量力和辐射换热的作用。 2.2.1 控制方程组（1）质量守恒方程又称连续方程(mass conservation equation）【微元体中流体质量的增加】【流入该微元体的净质量】 对不可压缩流体，其流体密度为常数方程简化为 div(U)=0 （2-1） （2）动量方程(momentum conservation equation) 【微元体中流体动量的增加】【作用在微元体上各种力之和】 （2-2）式中：Su,Sv,Sw是三个动量方程的广义原项 （2-3） （3）能量守恒方程(energy conservation equation) 【微元体内热力学能的增加】【进入微元体的净热流量】【体积力与表面力对微元体做的功】 （4）标准 k- 双方程模型 标准 k- 双方程模型是以湍流动能及其扩散率的传输方程的半经验形模型。 2.2.2 辐射 辐射传热通常用来描述电磁波引起的热传输（电磁波辐射）。物体的温度高于绝对零度，物体总是不断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射。同时，物体亦不断地吸收周围物体投射到它表面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变成热能。辐射换热就是物体之间相互辐射和吸收的综合效果。辐射的强度和波长取决于物体的温度。辐射换热与温差的关系通常为四次方。热辐射中，波长处于红外波段的电磁波是最重要的。 模拟计算中假定物体是灰体漫反射表面。灰体表面的发射率和吸收率与波长无关，漫反射表面的反射不依赖于入射方向。由于模型中使用的物体都是不透明的，入射波的穿透率可以忽略。因此，如果一定量的辐射（E ）投射到一个物体表面上，一部分（ E ）被反射，一部分（ E ）被吸收，由能量守恒可得 + =1。根究基尔霍夫定律，发射率等于吸收率（ = ），于是有 =1 。 模拟中简化辐射模型是面对面的辐射模型，离开一个表面的辐射能量由两部分组成：发射的能量和反射的能量，反射能的大小取决于从周围表面来的入射能。离开一个表面的辐射能量可以用下式表示：从其他表面入射到一个表面的能量是表面之间可见系数的函数，可见系数Fjk 是离开表面k的能量入射到表面j的份额。入射能量可以表示为如下的形式： 将可见系数的互换关系：2.3 计算方法及求解过程 2.3.1 AIRPAK 软件简介 本课题采用的模拟软件是美国 FLUENT 公司开发生产的 Airpak2.1 软件。该软件主要是面向 HVAC（供暖、通风、空调）领域工程师，用来进行专业通风系统的分析。它可以很精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热、污染等物理现象，并提供舒适度、平均投票率、不满意率等空气质量技术指标（IAQ）。该软件的应用领域包括建筑、汽车、化学、环境、采矿、造纸、制药、通讯、运输等行业。 Airpak2.1 软件的主要特点：（其运行的主要步骤见图 2-1）（1）快速建模：Airpak2.1 具有面向对象的建模功能，并提供了扩展的 CAD 接口，可输入 IGES、DXF 格式的几何模型，易于与其他机械工程 CAD 软件集成。 （2）求解准确：Airpak2.1 能够建立真实的形状复杂的几何模型，并采用 FLUNT求解器，结果准确。 （3）易学易用：Airpak2.1 的网络生成与计算都是自动进行，不要求用户具有专业的流体力学知识。 （4）可视化后处理及数值报告：Airpak 提供的强大的数值报告可以实时显示气流运动情况及整个流场状况。并可对产品设计性能进行专业评估。 Airpak2.1 使用 FLUENT5.6.6 的 CFD 求解器计算。模拟时动量、压力、能量、湍流动能及其扩散率守恒等方程方程离散格式可以选二阶迎风格式也可以采用一阶迎风格式。 数值计算中求解连续方程、动量方程、能量方程时使用控制容积法。控制容积法包括下面三个步骤： （1）使用计算网格把求解区域分成离散的控制体积。 （2）在每个控制体积上将积分方程离散为速度、压力、温度等变量的代数方程。 （3）离散方程线性化，求解生成的线性方程组。 要得到控制方程的收敛解，需要进行迭代求解，每一次迭代包括下面五个步骤（如图2-2所示）： （1）在当前解的基础上更新流动特性。（如果是刚开始计算，根据初始条件更新流动特性。） （2）使用压力和质量流速的当前值求解 u , v,w的动量方程，更新速度场。 （3）求解由连续方程和线性化的动量方程得出的压力修正方程，得出压力、速度和质量流速的修正值。 （4）使用前面变量的更新值求解湍流、能量、化学组分以及辐射等标量的方程。 （5）检验是否收敛。 2.3.2 网格生成 对流动与传热问题进行数值计算时，其中很重要的一步就是生成网格，即要对空间上连续的计算区域进行剖分，把它划分成为许多个子区域，并确定每个区域中的节点。流动与传热问题数值计算结果最终的精度及计算过程的效率，主要取决于所生成的网格和所采用的算法。 从总体上来说，流动与传热问题数值计算中采用的网格大致可分为结构化网格和非结构化网格两大类。一般数值计算中正交与非正交曲线坐标系中生成的网格都是结构化网格，其特点是每一个节点与其相邻节点之间的连接关系固定不变且隐含在所生成的网格中，因而不必专门设置资料去确认节点与邻点之间的这种关系。 非结构化网格由于对不规则区域的特别适应性而自 20 世纪 80 年代以来得到迅速的发展，在这种网格中单元与节点的编号无固定规则可遵循，因而除了每一单元及其节点的几何信息必须存储外，与该单元相邻的那些单元的编号等也必须作为连接关系的信息存储起来，使非结构化网格的存储信息量比较大。 高质量的网格是实现数值模拟成功的首要条件，过密过疏的网格都是应该避免的。为保证得到高质量的网格，本课题空间的离散采用的是混合六面体的网格，并遵循以下原则： （1）在梯度大的地方，网格必须保证足够细密（温度梯度，速度梯度等）。 （2）由一个网格单元到另一个网格单元的尺寸扩大比一般小于等于 2。 （3）规则的正方体单元是最佳的，尽量减小网格单元的倾斜度（Skewness）,长而扁的单元，应该尽量避免。 （4）尽量减少梯度小的地方的网格数，把网格合理地分布在梯度大的地方。 （5）可对计算对象采用均匀网格和不均匀网格相结合的划分方法，对计算区域内某些物体本身以及其周围的网格进行专门的细化分析（即局部加密），使局部的网格满足计算要求。 （6）固体表面之间的网格数应该不小于 2。 （7） 流体表面（送风口、排风口）的网格数应该不小于 45 个。 （8）根据计算对象的实际尺寸大小选取相应的网格间距，在满足网格足够细密的基础上，尽量减少网格数量，以减少计算量，提高收敛的稳定性。（本课题模拟所用的软件一般是按照模型尺寸的二十分之一来划分网格）。 2.3.3计算方法本文所采用的 SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations,压力耦合方程的半隐式法）算法计算步骤如下： （1）估计压力场p ； （2）求解动量方程组以得到u* , v*，,w*。 （3）解p方程。 （4）以p加 p*计算 p。 （5）利用速度修正公式由带星号的速度值计算 u，v，w。 （6）求解那些通过源项、流体物性等等影响流场的其它一些物理量的离散化方程。 （7）把经过修正的压力 p 处理成一个新的估计的压力 p*,返回第二步，重复全过程，直到全部过程结束，求得收敛的解时为止。 2.3.4 因变量的分布假设及收敛原则 （1）因变量的分布假设 本课题对于不同因变量采用了不同的分布假设，详见各章 CFD 计算因变量分布假设表，当网格足够细密时，因变量在网格之间的变化减小，这种采用不同假设的影响也就会减小。 针对不同的计算实际情况，采用一阶或二阶迎风格式，以确保计算结果的精度和稳定性。 （2）收敛原则 对于能量方程的收敛准则一般取：0.000001（比如：温度的收敛准则)；对于流动方程的收敛准则一般取：0.001（比如：速度的收敛准则）。收敛准则同时也反应了模拟计算的精度。 （3）松弛因子的确定 在用逐次迭代法进行计算的过程中，松弛因子的选择是一个比较关键的环节。松弛因子选择得当，可以加速收敛。若选择不当，有可能导致计算振荡或发散。就整个非线性问题的求解而言，目前尚无完整理论可以用来判断迭代式求解方法是否可以获得收敛的解。在 FLUENT 软件中采用亚松弛迭代方法来加速收敛。 对于最优松弛因子的确定，已有很多学者研究过，但是都是以直接求出最优松弛因子为目的。这样的松弛因子的选取是相当复杂的。工程中通用的方法是选不同的松弛因子进行试算根据迭代过程收敛的快慢，不断修改，逐步寻找最佳，直到满意后再固定下来继续迭代，以达到加速收敛的目的。 在本次计算中，压力松弛因子取值在 0.10.3 之间，动量松弛因子取值在0.10.5 之间，温度和粘度松弛因子取值 0.71.0，质量力松弛因子 0.1，湍流动能和湍流耗散率松弛因子取 0.30.5。 2.4 总结 本节经过对 CFD 技术的简单回顾，使得我们对 CFD 的发展有了一个全面的认识。在此基础上，对 CFD 计算原理和方法从数学理论的角度进行了全面的阐述，并对因变量的分布假设、收敛原则以及松弛因子的确定进行了探讨。这为后面将要进行的利用 CFD 技术对大型公共建筑空调系统的模拟研究提供了必要的理论支持和方法指导。 3 工程原设计方案通风空调系统CFD 模拟研究3.1建筑设计概况3.1.1 主要设计气象参数冬季空调室外计算干球温度：-11； 夏季空调室外计算干球温度：33.4 ; 冬季通风室外计算干球温度：-4； 夏季通风室外计算干球温度：29 夏季空调室外计算湿球温度：26.9 大气压力：冬季，1026.6hPa；夏季，1004.8hPa 室外计算相对湿度：最冷月月平均，53%； 最热月月平均，78% 3.1.2 空调建筑设计参数 房屋内为舒适性空调，要求室内温湿度如下： 冬季室内温度 16，相对湿度 60%； 夏季室内温度 26；相对湿度 65% 该房屋空调区独立，空调系统独立，防火分区独立。 3.1.3 风管道空调系统原设计方案 建筑空间长 108 米（机房侧有高 10 米，宽 9 米房屋），宽 54 米，高 18 米。 该建筑原设计方案是上送上回全空间空调系统形式，3台空调机组，每台额定风量85000m3/h，总额定送风量255000m3/h，回风量 204000m3/h；新风量51000m3/h，排风量 51000m3/h。送风管道、回风管道与空调机组一一对应即一台空调机组由独立的送风管道和独立的回风管道。在房屋空间13 米高处对称设置三根送风管道，每根送风管道有对称的支管道，支管道末端设旋流送风口，共68个630mm 旋流送风口，每个服务面积9m9m81m2，风口距地面 13 米。三根回风管道分别设置在：两侧空调机组的回风管道安装在二层围栏下的侧墙上，管道下皮标高6.5m；中间空调机组的回风管道距离送风管道7.0m，下皮标高13m。每根回风管道上设有30个 550mm375mm 单层百叶回风口，回风口在环境压力、温度条件下回风。新风与回风混合经表冷器处理后送入建筑内。3.2 展厅原设计方案夏季 CFD 模拟计算 3.2.1 夏季模型建立及初始条件确定 有回风管道上送上回空调系统夏季模型如图 3-1 所示。B 展厅高 18 米（Y方向），宽 54 米（X 方向），长 108 米（Z 方向）。回风口在环境压力、温度条件下回风。 （1）人体负荷按轻劳动强度，取 26条件下成年男子显热散热量；群集系数按百货商店计算，取0.89；人员负荷为406803W；人体模型简化成 33 组45m0.5m1.8m 的 blocks，每组热量 12327W。 （2）照明负荷按设计院提供 30w/m2，照明总负荷为 160380W，简化成 9 组长宽高分别为 108m0.85m0.25m 的 blocks，每组负荷为 17820W，与风管道同高。 （3）外墙、地面负荷按常热流设定，与其它展厅相邻墙按绝热设定，其壁温为环境温度。具体数值为：西北墙 48.4w/m2，东南墙从 10m18m 为 29w/m2，地面 4.5w/m2，屋顶 40w/m2。 （4） 4.9m9m 中心位置设旋流送风口，旋流送风口体积流量 0.9m3/s；送风温度为 16，送风速度约为 5.5m/s。总送风量接近额定风量。 3.2.2 CFD 模拟相关参数 （1） 离散求解的相关参数的设定，见表 3-1。（2）网格的生成与质量 局部细化生成混合六面体网格，Num elements(六面体)：429279；Num nods(节点）:495855；Computing element quality (aspect ratio) range ：0.42。 （3）后处理 PMVPPD 计算参数 PMV：min=-3，max=3，mean=0.53258，std dev=0.694747，clo=0.29，met=1.6， ext=0.0，hum=-1，vel=-1，taa=-1，tra=-1,oppress； PPD：min=5，max=99.1159，mean=22.7987，std dev=14.0347，clo=0.29，met=1.6，ext=0.0，hum=-1，vel=-1，taa=-1，tra=-1,ooppress。 3.2.3 夏季模拟结果与分析 从图3-2和图3-6(a)看出，展厅内在 10m 以下空间温度维持在 2525.5之间，在 10m 以上温度变化斜率加快，上升的幅度很大，最高温度达 29以上；距地面 0.3m 的地面层温度在 27左右，在 13m17.5m 温度在 2627.5之间，在 17.5m18m 屋顶温度上升到 29以上，玻璃幕墙侧的温度则在 29以上。 从图3-3和图3-6(b)看出，室内整体风速均符合规范规定，在 0.3m/s以下。在送风口正下方局部达到0.45m/s。在3m以内风速在 0.15m/s0.3m/s之间波动，4m16m之间的风速均在0.1m/s以下，在16m18m之间风速略有升高。 从图3-4和图3-6(d)可以看出空间整体 PMV(Predicted Mean Vote，预期平均评价)0.2 PMV1.15之间，局部超出手册规定范围，但在工作区PMV 指标值基本满足ISO7730对PPD指标的推荐值-0.5PMV+0.522,34,36。 从图3-5和图3-6(c)可以看出空间整体PPD（Predicted Percentage of Dissatisfied，预期不满意百分率）：6%PPD32%，部分空间区域超出手册规定范围，但在2m 内工作区 PPD1022,34,36满足推荐值。 总之，从建筑空间温度场、速度场和舒适性评价指标 PMV-PPD 整体分析得出：原设计有回风管道空调系统在工作区 2m 内基本都达到了要求。 3.3 展厅原设计方案冬季 CFD 模拟计算 3.3.1 冬季模型建立及初始条件确定 有回风管道空调系统冬季模型如图 3-1。回风口在环境压力、温度条件下回风。回风口和回风管道的设置同设计院设计的夏季设置。 （1）外墙、地面负荷按常热流设定，与其它建筑空间相邻墙按绝热设定，其壁温为环境温度。具体数值为：西北墙-117.14W/m2,东南墙从 10m18m 为-54.17W/m2，地面-12.7W/m2，屋顶-44.8W/m2。 （2）9m9m中心位置设旋流送风口，旋流送风口体积流量 0.9838m3/s；送风温度为 27，送风速度约为为 5.5m/s。总送风量接近额定风量。 3.3.2 CFD 模拟相关参数 （1）离散求解的相关参数的设定 （2）网格的生成与质量 局部细化生成混合六面体网格，Num elements（六面体）：573282；Num nods(节点）:606743；Computing element quality (aspect ratio) range :0.467。 （3）后处理 PMVPPD 计算参数 PMV：min=-1.86521，max=0.756852，mean=0.-0.0178001，std dev=0.0.193425，clo=1.41，met=1.6，ext=0.0，hum=-1，vel=-1，taa=-1，tra=-1； PPD：min=5，max=70.3381，mean=5.68799，std dev=2.92567，clo=1.41，met=1.6，ext=0.0，hum=-1，vel=-1，taa=-1，tra=-1。 3.3.3 冬季模拟结果与分析 从图3-7温度比较图中可以看出，冬季整体空间温度比设计值 16大约高1，原因是由于热气流上升，为了保证工作区温度接近设计温度，上部空间温度都要高于设计温度。在距地面0.3m 内温度在 14，在玻璃幕外墙和屋顶温度在 10左右。 从模拟结果图 3-8 风速比较图看出冬季空调风速普遍符合规范规定，在两旋流风口之间断面气流回升速度较高，可见冷热气流对流强烈，使得工作区内风速普遍在 0.3m/s。 从图3-9 PMV 比较看出建筑大部分空间 PMV 值在0.1左右，在玻璃幕外墙、屋顶附近 PMV 值在 0.4 以下，稍凉快的冷感觉。 图3-10 PPD 比较看出，空间整体是舒适的，但在回风口处由于风速过大，在玻璃幕墙侧墙处壁面温度过低，PPD 值过低，人有冷感觉。 图3-11 在数值曲线图中，温度、风速、PMV、PPD 的数值大小表明，原设计空调系统能够满足室内温度、热舒适性等要求。 3.4 总结 通过对该试验大型公共建筑空调系统主要设计参数和建筑设计院原设计方案介绍，按照建筑设计院原设计方案，对其分别建立了冬夏季节 CFD 模拟模型和初始条件的设定，并利用计算机进行了数值模拟。模拟结果表明：夏季建筑空间内在 10m 以下空间温度维持在 2525.5之间，室内整体风速均在 0.3m/s 以下，符合规范规定，而整体舒适 PPD-PMV 指标也在手册规定范围；冬季为保证工作区温度接近设计温度，整体空间温度比设计值 16大约高 1，房屋内空调风速也均符合规范规定，从 PPD-PMV 评价指标来看，该建筑空间整体是舒适的，但在回风口处由于风速过大，在玻璃幕墙侧墙处壁面温度过低，使 PMV 值过低，人有冷感觉。 4工程现状通风空调系统 CFD 模拟研究本节所研究的是该大型公共建筑空调系统现状，是在建筑设计院原设计上送上回有回风管道空调系统的基础上，改进的上送上回无回风管道的空调系统。该系统经过实际运行，调查表明，这种无回风管道系统在大空间建筑中是适用的，效果并不亚于有回风管道。为了考证该改进空调运行方案的可行性和能对该方案有一个定性的全面认识，本章拟利用 CFD 模拟方法对现状空调系统冬季和夏季使用时最不利情况开展理论模拟研究，并对空调气流组织与热舒适性进行全面的分析。 4.1 展厅现状夏季 CFD 模拟计算 新设计概况详见本文第三章。建筑空间空调送风现状为上送上回全空间空调：每台空调机组有独立的送风管道，对称支管道；支管道末端设旋流送风口，共68个630mm 旋流送风口，每个服务面积 9m9m81m2，风口距地面13米。新风与回风混合经表冷器处理后送入房间。建筑内不设回风管道，靠近空调机房的风管道竖井侧墙上设有回风口，回风口为三个，大小均为为4m1.5m，均连接空调机组回风口。 4.1.1 夏季模型建立及初始条件确定 如图3-1所示，建筑空间高 18 米（Y 方向），宽 54 米（X 方向），长 108 米（Z方向）。回风口在环境压力、温度条件下回风。 （1）人体负荷按轻劳动强度，取 26条件下成年男子显热散热量；群集系数按百货商店计算，取 0.89；人员负荷为 406803W；人体模型简化成33组45m0.5m1.8m 的 blocks，每组热量 12327W。 （2）照明负荷按设计院提供 30w/m2，照明总负荷为 160380W，简化成 9 组长宽高分别为 108m0.85m0.25m 的 blocks，每组负荷为 17820W，与风管道同高。 （3）外墙、地面负荷按常热流设定，与其它房间相邻墙按绝热设定，其壁温为环境温度。具体数值为：西北墙 48.4w/m2，东南墙从 10m18m 为 29w/m2，地面 4.5w/m2，屋顶 40w/m2。4.9m9m 中心位置设旋流送风口，旋流送风口体积流量 0.9m3/s；送风温度为16，送风速度约为 5.5m/s。总送风量接近额定风量。 4.1.2 CFD 模拟相关参数 （1）离散求解的相关参数的设定，见表 4-1。 表 4-1 CFD 模拟相关参数设定网格的生成与质量 网格生成原则见第二章。 局部细化生成混合六面体网格，Num elements(六面体）：729279；Num nods（节点）:795855；quads：135814；Computing element quality (aspect ratio) range ：0.44。 （3）后处理 PMVPPD 计算参数 PMV：min=-3，max=3，mean=0.45158，std dev=0.550942，clo=0.59，met=1.2， ext=0.1，hum=-1，vel=-1，taa=-1，tra=-1； PPD：min=5，max=99.1159，mean=15.0511，std dev=13.0347，clo=0.59，met=1.2， ext=0.0，hum=-1，vel=-1，taa=-1，tra=-1。 4.1.3 夏季模拟结果及分析 从图4-2中温度云图可以看到：建筑在旋流送风口 13m 以下的温度分布均匀，在 2526之间，而在 13m 即送风管道以上的温度在 27以上，有的高达29。从等温线图中等值线的稀疏稠密程度可以看出在 2m13m 之间温度变化不大，即等温线比较稀疏，在 2m 以内特别人体周围温度变化比较大，在墙体周围与 13m 以上温度等值线比较稠密，说明温度有一定梯度变化。从图4-3中速度云图可以看到：除回风口风速高于 0.8m/s 外，13m 以下风速多集中在0.1m/s0.2m/s，部分达到0.3m/s0.4m/s；在送风管道13m以上风速几乎在 0.1m/s 以下。从速度等值线图可以看出：在 13m 以下等值线稀疏稠密程度均匀说明整体空间风速均匀并且变化幅度逐渐改变。 从图4-4中 PPD 云图可以看到：在13m以下PPD值在 510，而在13m以上 PPD 值在 20左右。从 PPD 等值线图中等值线的稀疏稠密程度可以看出在2m13m之间局部 PPD 变化不大，即 PPD等值线比较稀疏，在2m以内特别人体周围PPD变化比较大，在墙体周围与13m以上 PPD 等值线比较稠密，说明PPD 有一定梯度变化。 从图4-5图中可以看到在13m以下的 PMV 值多在00.55之间，在13m以上 PMV 值在0.71.0甚至大于 1.0。 总之，图4-2、4-3、4-4、4-5表明整体空间的温度、风速、PPD、PMV值，特别是13m以下的温度、风速、PPD、PMV 值均满足设计值并符合规范规定的热舒适指标。 图4-6接近旋流风口断面流场图，基本表明射流的趋势和整