（工程热物理专业论文）电厂汽轮机房通风和采暖的cfd模拟与节能策略研究.pdf

摘要 在全球能源日趋短缺的情况下，我国的能源状况不容乐观，建筑节能对于缓 解我国能源短缺问题具有重要意义。火力发电厂汽轮机房热负荷大、通风量大， 如果采用好的通风和采暖系统，可以大大节约能源，因此，通风采暖方案的选择 对于节能是至关重要的。目前，通风和采暖方案的设计大都是依靠经验，因此很 难设计出最能节约能源的最佳系统。本文采用c f d 方法对火力发电厂汽轮机房的 夏季通风和冬季采暖进行数值模拟，提出了各种节能方案，对建筑物通风和采暖 系统的设计和改进具有理论指导意义。 本文首先论证了建筑节能的重要性，然后对火力发电厂汽轮机房根据实际情 况进行适当简化，使用专业的三维造型软件p r o e n g i n e e r 建立几何模型，并用 g a m b i t 软件划分网格，在对各种湍流模型、辐射模型和求解参数分析研究的基 础上，选择适当的数学模型和边界条件进行数值计算，并采用并行技术提高了计 算效率。对汽轮机房冬、夏季工况进行模拟，计算结果与实测结果基本吻合；根 据模拟结果对汽轮机房通风系统的结构加以局部改进，计算对比后可以看出，结 构改进后显著改善了汽轮机房的通风效果：对北方电厂的冬季采暖和夏季通风的 节能策略进行了系统研究，模拟结果证明，夏季通风屋顶风机用于冬季采暖和夏 季、过渡季的自然通风方案都是切实可行的，此举可以大规模降低采暖和通风的 能耗。 本文的研究结果表明，采用c f d 技术对于超大空间建筑物通风采暖系统的设 计、结构改进和节能方案优化具有显著的指导作用，对于实现建筑节能、缓解目 前的能源短缺问题具有现实意义。 关键词：节能，c f i ) ，采暖，通风，汽轮机房 e 1 w i t ht h er u n n i n gs h o r to fe n e r g yt h r o u g h o u tt h e w o r l d , b u i l d i n ge n e r g y c o n s e r v a t i o nh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ta n dh a sa r o s et h ei n t e r e s to fm a n y r e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a d s o ，i t sn e c e s s a r yt oc o n s i d e re n e r g yc o n s e r v a t i o ni n d e s i g n i n gb u i l d i n g s s t e a m - p o w e rp l a n th a st h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hh e a tf l u xa n d v e n t i l a t i o nf l u x ，a n dc o n t a i n se x o t h e r m i ce q u i p m e n t s , s u c ha sc o n d e n s e r , h e a t e x c h a n g e r , p i p e s , e t c t h ev e n t i l a t i o ns y s t e mi sv e r yi m p o r t a n to fe n e r g yc o n s e r v a t i o n , o p t i m i z e dv e n t i l a t i o ns y s t e mh a sap o s i t i v ee f f e c to ne n e r g yc o n s e r v a t i o n e m p i r i c a l l y b a s e dt e c h n i q u e sh a v en o wb e e nu s e df o rm a n yy e a r si nd e s i g n i n gt h ev e n t i l a t i o n s y s t e mo fl a r g es p a c eb u i l d i n g s ，a l t h o u g hi tw o r k st oc e r t a i ne x t e n t ，t h ev e n t i l a t i o n s y s t e mt h u sd e s i g n e di sn o tt h em o s to p t i m i z e ds c h e m e t h i st h e s i ss u m m a r i z e sa n d a n a l y z e st h eb a s i cs i t u a t i o no ft h eb u i l d i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o n , a n dt h e no u t l i n e sa m e t h o df o rt h eo p t i m i z a t i o no fv e n t i l a t i o ns y s t e md e s i g nu s i n ga i r f l o wm o d e l i n g t e c h n i q u e sc a l l e dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) t h ew o r kp r e s e n t e di nt h i st h e s i si sb a s e do na na c t u a lp r o j e c t t h eg e o m e t r i c a l m o d e ls e tu pb yt h ep r o f e s s i o n a ls o f t w a r e - - p r o e n g i n e e ra n dt h em e s h e sw a s c r e a t e db yg a m b i t o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h et u r b u l e n c em o d e l ，r a d i a t i o n m o d e la n dp a r a m e t e r sf o rs o l u t i o n s ，t h ev e n t i l a t i o ns y s t e mo fs t e a m e rr o o mw a s s i m u l a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dd a t af i r s t l y t h eb o t hr e s u l t sw e l lf i t t e d t h es t r u c t u r eo ft h es t e a m e rr o o mi m p r o v e da n ds i m u l a t e db a s e do nt h o s er e s u l t sa n d a n a l y s i s as e n s i t i v i t ys t u d yw a st h e nc a r r i e do u tt oa s s e s st h ee f f e c to fo p t i m i z a t i o n s t r a t e g y p r o j e c t sa sv e n t i l a t i n gw i t hn a t u r a lc o n v e c t i o np r o j e c t a n dh e a t i n gw i t hj u s t e x h a u s tf a n sw e r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ac o n c l u s i o nh a sb e e nd r a w nt h a tb o t ho f t h ev e n t i l a t i n ga n dh e a t i n gp r o j e c t sa r ef e a s i b l ea n dw e l la c h i e v e dw i t ht h er e q u i r e d v e n t i l a t i n go rh e a t i n ge f f e c t , a n ds a v ee n e r g ye f f e c t i v e l y t h e s ej o b sp r o v i d et h e o r yf o u n d a t i o nf o rd e s i g n i n go fh e a t i n ga n dv e n t i l a t i o n s y s t e mf o rg r a n db u i l d i n g ss u c ha st h es t e a m e rr o o mi nas t e a m p o w e rp l a n t , a n dh a v e a p o s i t i v ec o n t r i b u t i o nt ob u i l d i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o n k e y w o r d s ：e n e r g yc o n s e r v a t i o n , c f d ，h e a t i n g , v e n t i l a t i o n , s t e a m e rr o o m n i10flf 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘江盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志刘本研究所做的任何贡献 均已在论文巾作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彝艮镯恝 签字日期：泓一年；月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解迸鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝垦盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制于段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适f | = j 本授权书) 学位论文作者签名：勐艮码熊二 签字日期：帅# 年3 月吕r 导师签名 签字日期月了同 浙江大学硕七学位论文 第一章研究背景及研究内容 第一章研究背景及研究内容 第一节建筑节能的意义 1 1 1 世界能源储量及消费趋势一 一 进入新世纪，能源成为世界经济发展的瓶颈，中国经济发展也面临着能源的 制约。因此，我们应该树立科学发展观，正确分析判断未来世界能源发展趋势， 正确认识和评价中国能源状况，从中国能源的国情出发来制定和落实科学的中国 能源发展战略，保证能源的可持续发展。 世界主要的能源包括石油、天然气、煤炭和核能。数据显示 1 ，按目前的 开采速度计算，世界石油储量可供生产3 8 年，世界天然气储量可供生产6 0 年， 世界煤炭可供生产约2 0 0 年，核能可供生产1 0 0 年。中国人均能源可采储量远低 于世界平均水平，2 0 0 0 年人均石油可采储量只有1 9 2 吨，人均天然气可采储量 1 1 6 1 5 立方米，人均煤炭可采储量1 4 5 吨，分别为世界平均值的1 1 1 ，4 3 ， 5 5 4 。中国石油对外依赖程度从1 9 9 5 年的7 6 增加到2 0 0 4 年的4 2 1 ，到2 0 2 0 年，石油的对外依赖程度可能接近6 0 9 6 ，中国的能源安全，尤其是石油安全越来 越突出。 1 1 2 我国能源消费情况 我国虽然幅员辽阔，是世界人口和资源总量的大国，但人均资源占有量却大 大低于世界人均水平。资源和能源的相对不足，给经济发展带来了很大的障碍， 成为我国可持续发展的重要制约因素。我国是世界上最大的发展中国家，经济的 快速发展使得对能源的需求快速增长。自2 0 0 2 年以来，随着我国经济的快速发 展，我国能源市场形势开始发生逆转，由2 0 世纪末的各能源产品全面供过于求 转向供应紧张状态。工业用能源和民用能源消费的快速增长是导致我国能源供应 出现紧张局面的主要原因。电力供应全面紧张，浙江、江苏等省更是全年拉闸限 电，全国2 4 个省份发生了不同程度的拉闸限电。 能源供需紧张局面与我国目前已进入工业化中期( 即重工业化阶段) ，机械、 l、，jl? 浙江大学硕士学位论文第一章研究背景及研究内容 汽车、钢铁等高能耗的行业快速甚至过度发展有关，与人均国民收入增加、居民 消费进入新的阶段、住房面积增大、家电和轿车的拥有水平提高使得人均能源消 费增长有关。 但是，从能源利用率来看，我国单位产品的能耗水平较高，2 0 0 1 年我国能 源消费支出为1 2 5 万亿元，占g d p 总量的比例为1 3 ，而美国仅为7 目前8 个高耗能行业的单位产品能耗平均比世界先进水平高4 7 ，而这8 个行业的能源 消费占工业部门能源消费总量的7 3 5 。按照2 0 0 1 年我国单位g d p 消耗能源计算， 能耗强度约为日本的6 5 8 倍，德国的4 4 9 倍，美国的3 6 5 倍，巴西的2 3 5 倍， 与世界水平相比，我国单位g d p 能耗是世界的3 4 倍，是世界上产值能耗最高的 国家之一。除了工业耗能，交通和建筑两个部门耗能也很突出。 因此，推广节能技术对于饵决我国的能源短缺问题，促进我国经济的可持续 发展具有重要意义。在过去的2 0 年里，我国通过生产环节的节能技术改造，加 强节能管理，效果显著，取得了g d p 翻两番而能源消费仅翻一番的成就。 1 1 3 建筑节能的重要性 建筑节能是指节约采暖供热、空调制冷、采光照明以及调节室内温度、湿度、 改变居室环境质量的能源消耗。随着社会的快速发展，全世界能源短缺问题的日 益加剧，可持续发展观更加深入人心，节约能源已受到我国以及全世界的普遍关 注。建筑是用能大户，全世界有近3 0 9 6 的能源消耗在建筑物上，在我国，建筑能 耗已超过全国能源消费总量的1 4 ，且呈递增趋势。因此，从可持续发展战略和 能源发展战略出发，如何在满足使用者舒适度的基础上，提高建筑对能源的利用 效率，更好地利用自然能源，同时降低对外界热环境的影响，亦即建筑节能的问 题，是当前每一个建筑师都需要认真思考的课题。 国外对于建筑节能方面的研究比我国开始得早，尤其是美国、英国，日本等 发达国家对于建筑节能方面的研究和应用都远远地走在前面。从2 0 世纪7 0 8 0 年代起，“能源危机”的冲击就迫使欧美等发达国家开始注重建筑能耗系统方面 的研究，政府也开始注重制定能源方面的法律规范，由此产生了能源审计服务。 随着人们对环境问题的日益重视，以及可持续发展理念在现代建筑设计中的体 现，绿色建筑、可持续建筑、高性能建筑逐步产生。 国外的建筑节能实例有很多，这里仅举两个例子。先从大家熟悉的说起，由 2 ， 、 浙江大学硕十学位论文 第一章研究背景及研究内容 香港汇丰银行大厦设计者，世界著名建筑师诺曼福斯特( n o r m a nf o s t e r ) 设计 的德国柏林国会大厦便是典型的绿色设计作品，他在设计中充分发挥了高科技提 供的潜力，在实现节能、低耗，低造价的同时，刨造了舒适的室内环境条件。大 厦的玻璃拱厅满足了节能和自然采光的要求，夜晚看上去像灯塔，核心部分是一 个覆盖着各种角度镜子的锥体，将水平射人建筑内的光线反射到下层大厅；可移 动的保护装置，防止过热和耀眼的光辐射，轴向的热通风和热交换使不流通的空 气得以循环，所有的电源由安置在屋顶的太阳能电池板提供，最大限度地做到了 自然通风和自然采光。第二个例子是日本1 9 9 7 年建成的一栋实验型“健康住宅”。 除了整个住宅尽可能选用对人体无害的建筑材料外，墙体还被设计成双重结构， 每个房间建有通风口，整个房屋系统的空气采用全热交换器和除湿机进行循环。 全热交换器能够有效地回收热量并加以再次利用，其过滤器可有效地收集空气中 细小的尘埃，从而能够抑制霉菌等过敏生物繁殖。这种资源的回收利用，不仅变 废为宝，而且减少了环境污染，节约了能源。 我国地域辽阔，南北东西各地气候差异悬殊，除南方少数地区外，绝大部分 地区冬季寒冷，夏季炎热，这是我国的气候特点。这就要求我们根据不同的气候 类型，探索不同的节能方法和措施。目前，我国的建筑能耗量约占全国总用能量 的1 4 ，并且近年来随着人民生活水平的提高和我国建筑业的快速发展，建筑耗 能正在逐步提高到1 3 以上。由于我国主要足以煤而不是以油、气等优质能源作 为主要能源消耗的国家，每年由于燃烧矿物燃料向地球大气排放的二氧化碳仅次 于美国，居世界第二，预计到2 0 2 0 年，中国将取代美国成为世界二氧化碳排放 第一大国。因此，中国对于全球气候变暖承担着重大的责任，而作为耗能大户的 建筑，其节能也就成为关系国计民生的重大问题。 我国节能工作与发达国家相比起步较晚，能源浪费又十分严重。如我国的建 筑采暖耗热量：外墙大体上为气候条件接近的发达国家的4 5 倍，屋顶为2 5 5 5 倍，外窗为1 5 2 2 倍；门窗透气性为3 6 倍；总耗能足3 4 倍。如果 听任高耗能建筑大行其道，建筑能耗增长的速度将远远超过我国能源生产可能增 长的速度，国家的能源生产势必难以长期支撑这种浪费型需求，从而不得不组织 大规模的旧房节能改造，这将耗费更多的人力、物力。另外，每年新建和改建的 几千万栋建筑要消耗掉几十亿吨林木、砖石和矿物材料，造成森林的过度砍伐， 材料资源的大量开采，带来土地的破坏，植被的退化，物种的减少和自然环境的 3 j ? i 、 浙江大学硕士学位论文第一章研究背景及研究内容 恶化。应该说，我国的能源问题已迫在眉睫。 建筑能耗占国内能耗的比重是反映一个国家经济发展水平的重要指标。当前 发达国家建筑能耗约占其国内总能耗3 0 - 4 0 ，而我国建筑能耗仅占全国总能耗 的1 2 左右，按照发达国家建筑能耗增长的历程来看，我国目前正处在建筑能耗 高速度增长的时期。暖通空调能耗是建筑能耗中的大户，占5 0 6 0 9 6 。暖通空调 能耗分三部分：冷热源能耗、末端设备能耗和辅助设备能耗( 如泵、风机等) ，冷 热源能耗占暖通空调能耗的大部分。可以预见我国建筑能耗特别是暖通空调冷热 源能耗占国内总能耗的比重会越来越大。我国当前的空调用能主要还是以电力和 化石能源( 煤、油、气) 特别是煤炭为主，能源结构不合理，能源利用率低，因此 我国暖通空调冷热源领域的节能潜力还很大 2 。 1 1 4 火力发电厂的节能问题 在我国当前的能源消费结构中，煤炭仍然占全国能耗总量的7 5 以上，火电 占全国总发电量的7 0 9 6 以上，而全国一次能源的总热效率只有不到4 0 ，比发达 国家低l o 左右。因此火力发电厂的建造也有必要考虑节能问题，火力发电厂汽 轮机房空间内的通风供暖有着重要的作用，因为主厂房内布置了主要的机械、电 气设备以及热力管道，是一个高热、高湿的地方。温度过高会造成房间内的工作 条件恶劣，工人无法正常操作，有的电气设备会出现故障，这样会给电厂的正常 运行和安全性带来威胁，所以必须排除余热，保持室内正常的温度范围。减小主 厂房体积可以大大降低工程造价，已成为火力发电厂的必然要求，随着主厂房体 积的减小，主厂房热强度必然增大，如何处理这一矛盾是主厂房通风设计必须解 决的问题之- 3 ，合理的解决方案不仅满足通风要求，还能节约能源。 第二节建筑通风的设计计算 建筑物的空气流动情况对于建筑物能耗、室内空气品质和人体健康至关重 要。众所周知通风的目的就是通过人工的方法，在有限空间创造一种健康、舒适、 安全的空气环境，因此工程师或建筑师们希望在规划设计阶段就能预测室内空气 4 浙江大学硕士学位论文第一章研究背景及研究内容 的分布情况，从而制定出最佳的通风方案。自2 0 世纪4 0 年代起，众多研究者就对 机械通风送风口的射流特性进行了实验和理论研究，并建立了一系列射流公式用 于室内空气分布的预测 4 3 ，成为最经济简单的室内空气分布预测方法：1 9 7 0 年， 有学者提出z o n a lm o d e l ，对自然通风的通风量、温度分布等进行预测计算，近来 又有人指出该方法经改进后可用于机械通风 5 ：1 9 7 4 年，丹麦的p v n i l s e n 首 次利用计算流体力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 方法对室内空气流动 进行了数值模拟 6 。而最为可靠的预测方法就是模型实验，它借助相似理论，在 等比例或缩小比例的模型中通过测量手段来对室内空气分布作出预测。 如上所述，预测建筑物通风空调房间内空气分布的方法主要有射流公式、 z o n a lm o d e l 、计算流体力学( c f d ) 和模型实验四种。文献 7 对上述四种方法从 所预测工况的几何形状复杂程度、适用范围、对经验理论的依赖程度、预测成本 的大小、预测周期的长短、预测资料的完备性、预测结果的可靠性以及使用的方 便性等方面进行了对比，提出了这四种预测方法的使用场合。 射流公式方法是最为简单和经济的方法，射流公式为显式的代数方程式，可 以简单、快捷地预测机械通风房间内沿射流方向各个位置的速度或温度分布，从 而了解室内空气分布情况。但这种方法有很大的局限性，它依赖于确定射流公式 的经验参数，并且它不能预测自然通风房间内的空气分布 z o n a lm o d e l 的基本思想如下：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。而区域问存在热质交换，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。然而，由于z o n a lm o d e l 自身特性所限，因此在应用于预测室内气流 分布时有以下局限性；( 1 ) 不宜用于温度梯度很大的情况：( 2 ) 没有涉及温度和速 度边界层的问题，静压近似只在平行流型的情况下才合理：( 3 ) 辐射传热没有考虑 在内：( 4 ) 对于射流或喷流中一个区域或多个区域的情况，需要分别考虑。 c f d 方法能直观地反映室内空气流动的情况，可获得整个流场的详细信息， 但耗时比射流公式、z o n a lm o d e l 长，也较昂贵。而且，c f d 的基础理论本身还 不成熟如人们对湍流的认识尚不完全清楚，因此可靠性和对实际问题的可算性 是c h ) 方法预测室内空气分布最大的问题。 借助相似理论，利用模型实验对室内空气分布进行预测，不需依赖经验理论， 是最为可靠的方法，但也是最昂贵、周期最长的方法搭建实验模型耗资很大， 5 ，：_h l 、 一 浙江大学硕士学位论文第一章研究背景及研究内容 而且对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更多，周期也长达数月以上。 因此模型实验一般只用于要求预测结果很准确的情况。除了以上提到的耗费高、 周期长等问题外，由于实验技术和测量仪器的限制，模型实验还不能对所有参数 进行测量，如一些湍流的脉动参数。基于同样的理由，模型也难以对各种条件进 行实测。 由此可见，四种预测室内空气分布的方法各有利弊，最简单的射流公式适用 性最差，所得流场信息也很有限；能获得详细分布信息的c f d 方法存在可靠性和 对实际问题的可算性等问题；最可靠的模型实验又最昂贵和复杂，这也体现了事 物的辩证规律。在使用时应结合工程应用中所关心的主要问题，选择适当的方法。 第三节c f d 技术研究和应用情况 1 3 1c f d 技术简介 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 即计算流体动力学，是2 0 世纪6 0 年 代起伴随计算机技术的发展迅速崛起的一门学科，各种c f d 通用性软件包陆续出 现，成为商品化软件，广泛应用于热能动力，航空航天、机械，土木水力，环境化 工等诸多领域，暖通空调行业是c f d 技术应用的重要领域之一 简单地说，该方法就是在计算机上虚拟地做实验，依据室内空气流动的数学 物理模型，将房自j 划分为很小的控制体，把控制空气流动的连续的微分方程组离 散为非连续的代数方程组，结合实际的边界条件在计算机上数值求解离散所得的 代数方程组，只要划分的控制体足够小，就可认为离散区域上的离散值代表整个 房间内空气分布情况。室内空气流动密度变化不大，速度较低，且由于墙壁的存在， 空气的粘性不可忽略，而室内空气流动雷诺数往往达到湍流流动的量级，故室内 空气流动为不可压缩湍流流动，其流动和传热过程可用如下的通用微分方程式表 示： 三( p 妒) + d i v ( p u 妒) - d 如( i - j g r 积驴) + s ( 1 1 ) d t 其中代表流动的速度、温度、污染物浓度分布等物理量，对于相应的湍流模 6 _ 、 、 ： 寸 t 、 浙江大学硕士学位论文第一章研究背景及研究内容 型，庐还代表有关的湍流参数，如湍流动能以及湍动能耗散率等 8 ，9 。式( 1 ) 即为 通风空调房间内空气流动的数学模型。基于式( i ) ，将房间划分为离散的控制体， 采取一定的离散方法，如有限容积、有限差分或者有限元法等，将上述方程转变 为代数方程，如下式所示： 口，九- z 口+ 6 ( 1 2 ) 其中，a 为离散方程的系数，为各网格节点的变量值，b 为离散方程的源项，下标 p 表示考察的控制体节点，下标曲表示p 相邻的节点。依据某种算法，如最常用 的s i m p l e 算法，求解离散所得代数方程组，即可获得室内流场信息 8 。 可见，这种手段能获得室内空气分布的详细信息，且能容易地模拟各种条件， 只需在计算机上定义即可。而且，若采用高级的数值模拟技术，如直接数值模拟 d n s ( d i r e c t l yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ) 或大涡模拟l e s ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 等可以获得更可靠和详尽( 包括湍流脉动参数) 的结果，但这种模拟技术耗费时间 更长，对计算机要求更高，也就更昂贵。尽管如此，相比模型实验而言，c f d 方 法在时间、代价上都是很经济的。由于c f d 方法能获得流场的详细信息，因此， 如果预测的准确性能够保证，那么c f i ) 方法是最一种理想的室内空气分布预测 手段。用c f d 方法预测室内空气分布的一般步骤如下： ( 1 ) 建立数学物理模型，得到流动控制微分方程组。 ( 2 ) 在计算区域离散控制微分方程组，变为代数方程组。 ( 3 ) 直接或经简化后确定边界条件，如流动边界，壁面等。 ( 4 ) 结合边界条件，迭代求解离散所得的代数方程组。 ( 5 ) 结果后处理，可视化。 实际应用中，已有很多编制好的通用c f d 程序，可以直接使用，但湍流模型 的选择、网格划分、边界条件的确定等取决于使用者，这需要使用者对c f d 技术 本身具有比较全面的了解和相当专业的技能。 各种c f d 通用软件的数学模型的组成都是以纳维一斯托克斯方程组与各种 湍流模型为主体，再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面模型以及 非牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附 加输运方程与关系式。随着应用范围的不断扩大和新方法的出现，新的模型也在 增加。 7 浙江大学硕士学位论史 第一章研究背景及研究内容 c f d 数值求解方法主要有有限差分法、有限单元法、边界元法以及有限分析 法。其中以有限差分法和有限单元法为主。有限差分法从微分方程出发，将计算 区域经过离散处理后，近似的用差分、差商来代替微分、微商，这样微分方程和边 界条件的求解就可以归纳为一个线形代数方程组的数值求解。空调室内的流场、 温度场和浓度场的数值模拟，长期以来几乎全部采用有限差分法。有限单元法汲 取了有限差分法中离散处理的内核，同时又继承了变分计算中选择试探函数并对 求解区域积分的合理方法。在有限单元法中，试探函数的定义和积分范围不是整 个区域，而是从区域中按实际需要划分的单元。经过比较发现对于边界形状较规 则的研究区域如矩形区域，二者模拟效果相同：而对于边界形状较复杂的区域，有 限单元法模拟效果更好。目前大多数的商用c f d 软件部采用的是有限单元法。 此外，c f d 软件都配有网格生成( 前处理) 与流动显示( 后处理) 模块。网格 生成质量对计算精度与稳定性有很大的影响，因此网格生成能力的强弱是衡量 c f d 软件性能的一个重要因素。网格分为结构性网格和非结构性网格两大类。目 前广泛采用的是结构性网格。对于较复杂的求解域，构造结构性网格时要根据其 拓扑性质分成若干子域，各予域间采用分区对接或分区重叠技术来实现。非结构 性网格不受求解域的拓扑结构与边界形状限制，构造起来很方便，便于生成自适 应网格，能根据流场特征自动调整网格密度，对提高局部区域计算精度十分有利。 但是非结构性网格所需内存量和计算工作量都比结构性网格大很多因此，两者 结合的复合型网格是网格生成技术的发展方向。目前，f l u e n t 软件已具有这种功 能。 c f d 通用软件包的出现与商业化，对c f d 技术在工程中应用的推广起了巨大 的促进作用。1 0 0 8 年，全球市场占有率最高的c f d 软件- - f l u e n t 正式进入中国 市场，为目前c f d 主流商业软件，其市场占有率达4 0 左右。f l u e n t 软件设计基 于c f d 计算机软件群的概念，针对每种流动的物理问题的特点，采用适合于它 的数值解法以在计算速度、稳定性和精度等方面达到最优。f l u e n t 软件的结构 由i ； 处理、求解器及后处理三大模块组成。f l u e n t 软件中采用g a m b i t 作为专 用的前处理软件，使网格可以有多种形状。对二维流动可以生成三角形和矩形网 格：对于三维流动，可以生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格：结合具体 计算，还可以生成混合网格，其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或生成不 连续网格、可变网格和滑动网格。f l u e n t 率先采用非结构网格使其在技术上处 8 _ t - _ 、 浙江大学硕士学位论文第一章研究背景及研究内容 于领先。 利用商用软件进行计算是科学研究和工程设计中一项重要手段，用f l u e n t 作流体分析无需编程，这样能将大量的时间从编程这种操作性工作中节省出来， 使人们有更多的时间和精力考虑问题的物理本质，优化算法选用、参数的确定来 极大地提高了工作效率。 1 3 2c f d 技术在工业上的应用 目前，c f d 技术在工业上的应用日益广泛 1 0 1 5 ，应用方式基本上分为三种， 一是利用c f d 的程序设计思想，结合具体实际问题由用户自己编程、分析。其优 点是成本较低，程序专业性强，规模较小：缺点是要求企业具有相应的专门人才， 有较多的重复劳动，软件通用性较差，工作完成的周期长，一般适合有较强研究 开发能力的行业科研院所。另一种是企业根据自身行业特点，选择购买商业流体 分析软件。优点是行业针对性强，软件通用性好，把网格划分、建模、解算及后 处理与全部的物理模型和算法结合在一个软件包中，使用较为方便，可以解算任 意复杂的几何形体；缺点是要求企业具有较强的经济实力和技术力量，一般适合 需经常利用c f d 技术解决问题的大型、特大型企业。第三种方式是企业委托c f d 专业单位( 高校、科研院所、软件分析公司) ，利用专门人才和专业或通用商业软 件完成特定的任务。这种方式既灵活又专业，社会分工明确，企业的人力物力投 入小，适合我国大多数企业实际情况 目前，c f d 技术日趋成熟，比如，它在模拟轿车气动阻力系数精度方面己经 达到9 9 以上。c f d 技术在与流动有关的工程中的应用越来越广泛，在产品的原型 设计、参数化设计与虚拟实验、设计优化方面表现出明显的优越性。在这个领域 内，国际上流行一句经典的话：“如果是流态的，我们就有可能对它进行分析。” c f d 技术可以帮助人们完成与流动相关的全部的设计计算过程，从最初的基本设 计到最后的参数优化选择，它使人们能洞察设备的复杂流动情况。 在产品原型设计方面，如产品结构设计牵涉到复杂流动过程，就需要对相关 流动情况有详细的了解。在初始设计阶段使用c f d 技术模拟复杂过程的流动行为， 为在产品制造之前就了解其性能提供了一条高效、低成本的途径利用c a d 数据 和自动划分网格技术及并行运算技术可以用更短的时间来评价各种可能的设计 方案。比如，奔驰公司广泛使用s t a r - c d 与并行版的s t a r - h p c 来计算汽车的外部 9 ，_， 、 _ ： _ ， 、 浙江大学硕十学位论文第一章研究背景及研究内容 空气动力学，帮助其减少阻力，提高性能与降低燃油消耗。传统方式是用风洞实 验来确定汽车尾流中的分离、再附与尾流速度，既困难又耗时，同时耗资巨大 s t a r - - c o 能够为气动专家们提供数据，帮助其设计出良好的汽车外形。 在产品参数化设计和虚拟实验方面，工业界正在越来越多地用更迅速而又廉 价的计算分析来取代实验。c f d 技术是预测几何与工况变化导致性能变化趋势的 强有力的工具。比如，b s r i a 利用c f o 技术预测大型商场进口及停车场附近主流风 速与方向对当地风速与压力分布的影响。s u l z e r 公司已经使用s t a r _ c d 计算简化 的人工心脏瓣膜的动态流动，来确定导致产生过度剪切和流动分离( 这可能导致 血管破裂或形成血栓) 的物理机制，计算结果帮助s u iz e r 改进了产品设计。 在产品设计优化方面，许多国外企业都在使用c f d 技术对已有系统、部件中 的传热与流动进行模拟，从而提高性能与效率。优化设计的例子包括从减少燃烧 器与内燃机n 仉、c o 。污染物的排放到最大可能地提高离心压气机的效率，应用范 围极其广泛。例如：a d a m 欧宝公司除了用s t a r _ c d 进行外流与发动机模拟外，还 广泛地用s t a r - - c d 模拟与优化乘员舱的加热、通风及空调( i v a c ) 系统，与最初的 设计相比，由于使用s t a r - - c o ，成功地使几种h v a c 系统减少了几乎7 5 的压损和 2 5 9 贝的流动噪音。 1 3 3c f o 技术在暖通空调行业的研究和应用 由于计算机技术和数值模拟技术的发展，c f d 在h v a c 工程中已被应用于高大 空间气流组织研究、置换通风热环境研究、洁净房自j 的气流组织研究、污染物排 除特性的研究、辐射空调的换热特性研究、地铁和普通建筑中防排烟方案的研究 等。暖通空调领域内的流动问题，多为低速流动，流速在l o m s 以下；流体温度 或密度变化不大，可看作不可压缩流动。从此角度而占，此应用范围内的c f d 和 数值传热学等同。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。由于湍流现象至今没有完全得到解决，目前暖通空调 中的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。文献 1 铲1 8 研究了c f d 技术 在暖通空调行业中的应用。c f d 主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题： 暖通空调空间气流组织设计、建筑外环境分析设计、建筑设备性能的研究改进。 暖通空调空间的气流组织设计是通风空调系统的关键，合理的气流组织可以 达到满意的空调效果，并且节省能源。借助c f d 可以仿真预测空调房间内的空气 1 0 浙江大学硕士学位论文 第一章研究背景及研究内容 分布详细情况，可以指导气流组织的设计。文献 1 9 。2 0 以天津国际展览中心扩 建工程b 展厅为研究对象，利用c f d 技术对分层空调改进方案热舒适性与气流组 织进行了模拟研究。分析得出分层空调设计方案应用于高大空间建筑不仅能保证 工作区合理气流组织设计及热舒适性，而且对降低仞投资、节省运行费用、建筑 节能有重大意义。同时表明该模拟研究对高大空间建筑空调系统节能与优化设计 具有重要的指导意义。 国外有关h v a c 的c f d 的研究，主要有室外空气环境、建筑群通风和室内空气 品质的研究。研究的精度较高，模型比较复杂，更加接近实际和现实。文献 2 1 研究了复杂模型非结构型网格在建筑模型中的应用及其计算的精度。文献 2 2 研究了研究所内具有复杂热源的室内空气的热舒适性。文献 2 3 2 6 】研究了c f d 技术在不同应用背景下室内的空气品质和通风效果。文献 2 7 研究室内空气品质 时克服了传统以单一房间为研究对象，把建筑看成一个整体来研究室内空间的温 度、速度、湿度、湍流参数等，建立了双控制方程，第一次c f d 模拟是粗略地模 拟房间的流场和温度场，利用计算结果去估计室内流场的参数，然后把这些参数 赋值给每个边界条件；第二次c f l ) 模拟是利用前者的结果精确地计算房间内的流 场参数，能够更成功的预测流场的规律。 建筑外环境对建筑内部居住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c f d 方法对建筑外来空气流绕 流作用下的风环境进行模拟，可以了解建筑室外环境的优劣，指导自然通风设计， 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。文献 2 8 利用c f d 仿真住宅小区的通风环 境质量。通过对住宅小区夏季风环境进行计算机模拟，对不同开i ：1 情况及多种入 口风速的模拟结果进行比较，寻找住宅小区内各个区域内风环境的分布规律， 对住宅小区的规划设计具有指导意义文献r 2 9 对高大的建筑群通风环境进行了 模拟研究，结果表明，风在受到第一个阻碍后的区域里的漩涡分布最强烈，压力梯 度最大，是最危险的受力区在建筑群中，最靠近迎风面的建筑物所受负压最大， 且建筑物之间的间距也对风场有很大影响，因此研究结果对于减少高层建筑物中 大尺度的漩涡脱离区，以及降低室内噪声具有指导价值。 在国外，c f d 被成功地用于建筑的规划、设计、通风的研究 3 8 4 8 ，因为 在高大建筑密集的区域，合理的规划使人们能得到充足的太阳和风，提高人们的 l l 浙江太学硕士学位论文第一章研究背景及研究内容 居住环境。利用c f d 技术可以在建筑设计规划中考虑气候因素对建筑群的影响， 设计出合理的建筑群间距，人行道的方位和布置，避免形成局部的通风死区和风 压过大的地方，以及局部的建筑采光条件不好的区域而给人们的生活带来影响。 所以在建筑规划中c f d 技术的作用非常明显。它能使设计更加合理，能更好地预 测环境对建筑群的影响。而且，利用c f d 技术还能对建筑设计的合理性进行评估 和分析。 暖通空调工程的许多设备内的流动和传热也是h v a c 领域中常见的问题。借助 c f d 可以对风机、蓄冰槽、空调器、冷藏柜等设备内的流体流动和传热问题进行 数值分析，模拟计算设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，从而改进使 其更好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。 国外还利用c f d 技术对城市的空气质量控制进行研究 3 0 - 3 7 ，因为目前城 市的环境受到建筑热负荷( 空调等) 、汽车尾气、城市生活污染物的影响，人们 的居住环境越来越差，利用c f d 仿真技术对城市交通枢纽、居住小区等地方进行 空气质量( 温度、湿度、污染度) 模拟计算，然后在空气质量恶化的地方布置监 控点，这样应用远程监控就能很好地管理城市的空气质量，改善人们的居住环境。 第四节本文的研究内容 目前，我国的能源e t 趋短缺，制约了经济的持续发展，建筑节能已成为研究 的热点，建筑设计也必须考虑节能。火力发电厂汽轮机房空间巨大，热负荷大， 需求风量大，在汽轮机房有很多发热设备，加热器和热力管道，因此汽轮机房具 有高温、高热流密度、超大空间的特点，其通风的能力和通风方案的选取是至关 的重要，通风效果不好很可能造成局部温度过高，不利于操作人员工作，有可能 造成电力设备的故障，危及电厂生产的安全性；而冬季，尤其是北方气候寒冷， 汽轮机房的采暖耗能量也很大，而且很难达到理想的效果。现有的采暖、通风设 计方案过于依赖经验，不能达到最佳的节能效果，为此应用c f d 技术研究火力发 电厂的采暖与通风系统，对汽轮机房的通风系统进行数值模拟，以获得理想、节 能的采暖和通风方案，为火力发电厂汽轮机房采暖通风设计和控制策略研究提供 浙江大学硕士学位论文 第一章研究背景及研究内容 理论依据。 本文通过对汽轮机房内热力设备的合理简化，利用p r o e n g i n e e r 和g a m b i t 软件建立结构模型并划分网格，然后建立数学模型，设定边界条件，进行区域离 散，将复杂的偏微分方程转化为代数方程，最后选取合理的计算方法。本文利用 f l u e n t 软件进行仿真研究，研究的内容包括： a ) 利用p r o e n g i n e e r 建立几何模型，并用g a m b i t 划分非结构化网格； b ) 验证本模型在几何模型、湍流模型、辐射模型、边界条件和求解参数设 定的准确性： c ) 对冬、夏季通风进行c f d 模拟，并根据结果对通风系统进行改进，改善 现有通风系统的结构： d ) 对夏季通风和冬季采暖的节能策略加以系统研究，通过数值模拟，对有 关节能方案进行可行性分析。 0 ：。_ ， 浙江大学硕士学位论文第二