（环境工程专业论文）大空间音乐厅建筑空调置换通风工程的cfd模拟分析.pdf

大空间音乐厅建筑空调置换通风t 程的c f d 模拟分析 大空间音乐厅建筑空调置换通风工程的c f d 模拟分析 专业：环境工程 硕士生：崔涛 指导教师：魏在山副教授 摘要 近年来，我国经济持续高速发展，由此带来的能源消耗与环境污染问题日益严重， 大空间建筑高能耗尤其明显。随着计算机大容量化和高速度化以及计算流体力学技术的 发展，计算机流体力学( c f d ) 应用在模拟大空间建筑空调气流组织、空调系统优化设 计和热舒适性分析等方面。通过对大空间音乐厅建筑空调的c f d 模拟，在满足人们舒 适性的基础上，置换通风的空调方式在节能方面具有潜力，符合低碳绿色建筑发展要求， 并提供可靠的结合实际的工程指导，对今后类似空调工程设计具有一定的价值。 论文阐述了c f d 计算原理和方法，结合武汉某音乐厅工程空调设计，根据选择的 不同空调室内计算温度，对比计算的空调冷负荷，确定合理、节能的室内设计参数，利 用p h o e n i c s 模拟软件，对交响乐厅室内温度场进行了空场测试和模拟分析，结果对 比后表明最大绝对温差的误差百分率为3 7 ，合理的c f d 计算值与实测值比较吻合。 对音乐厅建筑空调置换通风方式进行了满场的c f d 模拟，交响乐厅的温度场和风速场 模拟结果以及室内环境的p m v 值热舒适度评价，表明大空间建筑空气温度分层明显， 符合空调分层理论。置换通风的空调系统，具有满足大空间建筑内人的舒适度的明显优 势和节能潜力。 通过c f d 在音乐厅置换通风工程的应用，对实例的分析和论证，显示出c f d 在暖 通空调气流组织设计优化中的强大功效和潜力，c f d 模拟为工程应用和平时运行提供 了依据，表明空调置换通风方式是既能满足人体舒适性又能节约能源的气流组织形式， 适用于大空间音乐厅建筑。 关键词：大空间；空调；置换通风；c f d ；模拟；节能 大空间音乐厅建筑空调置换通风工程的c f d 模拟分析 c f ds i m u l a t i o na n da n a l y s i so na i rc o n d i t i o n i n gd i s p l a c e m e n t v e n t i l a t i o ni nl a r g es p a c ec o n c e r th a l l m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：c u it a o s u p e r v i s o r ：a s s o c p r o f w e iz a i s h a n a b s t r a c t e n e r g yc o n s u m p t i o ni nl a r g es p a c eb u i l d i n gi se s p e c i a l l yo u t s t a n d i n gi nr e c e n ty e a r s t h e h i g hc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m yb r i n g si n c r e a s i n g l ys e r i o u se n e r g y c o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o np r o b l e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ri n d u s t r ya n 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 ) ，i t i s p o s s i b l et o s i m u l a t ea i rd i s t r i b u t i o n ，t h e r m a lc o m f o r ta n do p t i m i z ed e s i g no fa i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mb a s e do nc f dt e c h n o l o g yi nl a r g es p a c eb u i l d i n g s t om e e tt h ep e o p l e s c o m f o r t a b l en e e d s ，d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o nh a sp o t e n t i a li ne n e r g ys a v i n gb yt h ec f d s i m u l a t i o ns t u d yo na i rc o n d i t i o n i n gd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o ni nl a r g es p a c ec o n c e r th a l l t h i s i si na c c o r dw i t hd e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n to fl o w - c a r b o ng r e e nb u i l d i n g s t h er e s e a r c hi s v a l u a b l et oa i rc o n d i t i o n i n gd e s i g n ，a n dp r o v i d e sc r e d i b l ea n dp r a c t i c a lg u i d a n c e t h ep r i n c i p l e ，t h em a t h e m a t i cm e t h o do fc f di sr e v i e w e da th o m ea n da b r o a di nt h e t h e s i s t h ep a p e ra i m e da ta na i rc o n d i t i o n i n gd e s i g no fac o n c e r th a l li nw u h a n i n d o o r d e s i g n i n gp a r a m e t e ri ne n e r g ys a v i n gi sd e t e r m i n e d ，a c c o r d i n gt od i f f e r e n ti n d o o rc a l c u l a t e d t e m p e r a t u r ea n da i rc o o l i n gl o a d i n d o o rt e m p e r a t u r ef i e l di st e s t e da n ds i m u l a t e db y p h o e n i cs o f t w a r e t h er e s u l t ss h o wt h a ta b s o l u t ee r r o ro ft h eb i g g e s td i f f e r e n c ei n t e m p e r a t u r ei s3 7 t h er e a s o n a b l ec f d c a l c u l a t e dv a l u ei si nc o m p a r a t i v ea c c o r dw i t ht h e a c t u a lm e a s u r e m e n t t h ed i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o ni nt h ec o n c e r th a l li ss i m u l a t e db yc f d 大空间音乐厅建筑空调置换通风- t 程的c f d 模拟分析 t h es i m u l a t i o nr e s u l to ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n dv e l o c i t yf i e l di ns y m p h o n yh a l l ，a n dp m v v a l u eo ft h ei n d o o re n v i r o n m e n ts h o wt h a tt e m p e r a t u r ed e l a m i n a t i o ni nl a r g es p a c eb u i l d i n g s i so b v i o u s ，w h i c hi si na c c o r dw i ma i rc o n d i t i o n i n gd e l a m i n a t i o nt h e o r y a i rc o n d i t i o n i n g s y s t e mw i t l ld i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o nh a so b v i o u sp r e d o m i n a n c ea n de n e r g y - s a v i n gp o t e n t i a l o fm e e t i n gp e o p l e sc o m f o r tl e v e l c f da p p l i e di nt h ec o n c e r th a l ld i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o ne n g i n e e r i n g t h i ss h o w sb i g v i r t u ea n dp o t e n t i a li nh v a ca i rc o n d i t i o n i n gs y s t e md e s i g na n da m e l i o r a t i o n c f d s i m u l a t i o ng i v e st h eg u i d a n c ef o rt h ep r o j e c ta p p l i c a t i o na n dd a i l yo p e r a t i o n ，a n di ts h o w s d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o ni sak i n do fa i rd i s t r i b u t i o nt h a tc a nb o t i lm e e tp e o p l e sc o m f o r tl e v e l a n ds a v ee n e r g y k e yw o r d s ：l a r g es p a c e ；a i rc o n d i t i o n i n g ；d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n ；c f d ； s i m u l a t i o n ；e n e r g ys a v i n g 1 1 1 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：程磅 同期：如9 年j 工月f 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：栅 日期聊年皿月厂日 新签名魏b 莎 醐。节桫盯日 大空间音乐厅建筑空调置换通风t 程的c f d 模拟分析 第1 章文献综述 1 1 大空间建筑的置换通风空调 1 1 1 大空间建筑 随着经济水平提高，人们的日常文化生活日益丰富，许多城市新建了剧场、音乐厅 等高标准的大空间建筑。大空间建筑指空间高度大于5 米，体积大于l 万立方米的建筑。 在公用民用建筑方面主要指影剧院、音乐厅、大会堂、体育馆、展览馆等建筑。在工业 建筑中也有较多的这类大型的车间【l j 。 大空间建筑的特征：( 1 ) 高度高，温度梯度大。音乐厅、剧场高度为1 0 - - 2 0 m 。 这是形成温度梯度的主要原因；( 2 ) 室内体积大，空间的空气换气次数小。对于大空间 建筑而言，人均占有空间体积大；( 3 ) 使用多功能要求。如体育运动、杂技、演剧、音 乐会、展示会等，对空调系统的灵活性控制要求较高；( 4 ) 空调负荷特性特殊。大空间 建筑的空调负荷的各种组成，和组成部分所占的比例与普通的空调有很大不同，如人员、 新风、灯光等方面的负荷比例差异较大。 建筑行业是温室气体排放的主要来源之一，对气候变化有着重要的影响。实现可持 续发展，提高资源利用效率，促进人与自然的和谐，改善生态环境，使社会发展、人民 富裕、生态良好，这是国家的大政方针，是发展绿色建筑的推动力。绿色建筑，是指在 建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源( 节能、节地、节水、节材) 、保护环境和 减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑【4 9 】。 绿色建筑是以节约能源、有效利用资源的方式，建造低环境负荷下安全、高效、舒 适的环境空间，其核心内容是节约、环保、生态，对于大空间音乐厅建筑，更应该向资 源节约型、环境友好型、一种生态的、以人为本的方向发展，提供绿色、环保的建筑环 境空间，寻求人、建筑与自然的和谐与平衡，同时最大限度的节约能源，提高整体的能 源利用率，这样对绿色大空间建筑的发展具有长远的意义。 现代大空间建筑应是人、环境与建筑相互联系、共同发展的新型建筑模式，是“四 节两环保的成果，“四节是节能、节水、节地、节材。“两环保 ，则第一是对外的 生态环境的保护，使大空间建筑对外环境的干扰降低到最小，降低建筑整体的能功能源 消耗；第二是对室内环境保护，采用环保科学理念，使用环保装饰和装修材料，有足够 的通风换气量，保证室内舒适的健康环境。 大空间音乐厅建筑空调置换通风t 程的c f d 模拟分析 对人的健康来说，建筑的室内环境最为重要，因为人类的大部分时间是在室内度过 ( 在许多地区多于9 0 ) 而室内环境的污染比室外污染更严重，许多疾病与室内空气 品质密切相关，而室内空气品质又与建筑能耗相联系，从人类健康的角度看，建筑物最 重要的方面是为人类提供一个舒适、健康的环境【4 8 】。 人们已经广泛认识并掌握了如何评价建筑环境对全球能耗、温室气体释放以及原材 料的影响，不同类型的室内环境相关联的整体经济分析表明：在建筑环境中采取节约能 源和资源，提高工作效率，实现可持续发展的建筑环境，具有显著经济效益【3 8 1 。 随着建筑设计水平和使用功能要求的提高，空气调节技术也应适应当前节能、环保 的绿色建筑形势，要有较大的发展。空气调节是通过处理和输配空气，控制空间的空气 温度、湿度、洁净度和气流速度等参数，达到给定要求的技术【2 l ，本文简称空调。大空 间建筑的室内空气环境，通过空调技术得以保证，满足舒适、健康的室内环境的同时， 提高空调系统能源利用效率，降低空调系统能耗，是实现绿色建筑的重要环节。 1 1 2 大空间的置换通风空调应用 1 9 世纪末，欧美歌剧院建筑开始设有暖风和通风设备，如维也纳国立歌剧院、纽 约城市歌剧院、麦迪逊广场均为机械式热风供暖方式，利用热风上升的特点，均采用下 送上排的方式，即在地坪下的静压箱出风，在顶部的平顶上排风【i 】。 我国早期也有采用热风空气自下部进入观众厅( 国泰电影院、黄浦电影院、国际电 影院) 。对于大空间建筑这种古老的加热局部区域的方法，下送风的供暖方式无疑对下 送风空调技术发展有借鉴作用。 国外从1 9 6 0 年起，不少大空间音乐厅建筑均采用下送风空调方式，新柏林歌剧院、 柏林国际会议中心、科隆剧院均采用下送风空调方式，1 9 9 0 年后，日本的新国立剧场、 大阪府立国际会议场均采用了置换的下送风方式。 我国1 9 8 7 年台湾音乐厅和剧院，四川成都锦城艺术宫和理县电影院采用了下送风 方式，1 9 9 8 的上海大剧院和2 0 0 4 年的国家大剧院以及2 0 0 5 年的杭州大剧院均采用了 单柱多孔座椅置换通风空调方式，都取得了良好效果。北京工业大学体育馆采用观众座 椅下部送风的气流组织方案，达到了预期效果【3 1 。 大空间音乐厅建筑投资大，建筑功能复杂，声学要求和装修标准高，具有较密闭的 室内空间，对空调系统除满足很高的噪音要求外，更要有较好的舒适度，以保证良好的 室内空气品质，合理的气流组织，不仅能创造良好的舒适环境，还能降低空调系统的能 耗。 2 大空间音乐厅建筑空调置换通风工程的c f d 模拟分析 空调送风口型式和设置位置，决定了室内气流组织的模式。室内的通风形式主 要分为两种。一种是以稀释原理为基础的传统混合通风，它是从整个建筑空间空调考 虑，一般为上送上回或上送下回，稀释原理的混合通风系统送风风速较高，对音乐厅 建筑的背景噪音影响相当大。目前已较少应用于音乐厅建筑的空调系统。 另一种是以浮力控制为动力的置换通风，从人体呼吸浓度和能源效率的方面考 虑，分工作区和非工作区，将经过空调机组处理好的新鲜空气，小温差、低速直接送 入人员活动区域下部，并在地面人员活动区域形成较低温度空气层，回风口和排风口 均设在上部，低温空气经过室内热源( 人员及灯具等) 加热产生向上的热气流，在送 风及室内热源形成的空气流向上流动，逐渐升温和污染物浓度加大，在顶部回风口和 排风口处，将部分污浊的空气排出空调系统，其余的空气回到空调系统参与循环，这 样工作区的热气流不断被置换。 座椅下送风是置换送风方式之一，空调送风从观众的座椅下园型柱式置换通风器 送出，依靠气流扩散和浮力的提升作用，形成自下而上的空气流动。座椅置换送风利用 合理的气流组织方式，应用于大空间建筑空调中，仅对建筑物的下部空间进行空气调节， 而对建筑内的上部空间不进行空调或采用通风排热，从而降低空调系统的冷负荷、减少 空调设备容量、节省设备投资和运行费用。下送风空调比传统形式的空调节能2 5 5 0 【5 】 o 置换通风主要依靠热浮升力作用的机械通风方式，比传统的混风通风方式可获得更 好的室内空气质量。同时由于舒适度的要求，下部送风温度比上送风方式高，可以直接利 用较高温度的室外空气作为冷源，可直接使用室外新风消除室内余热余湿：而上部排风温 度比人员活动区温度( 室内设计温度) 高，减小了进入空调系统的热量，因此在一定条件 下还具有较好的节能效果 6 1 。 置换通风系统由于具有节能、通风效率高、能改善室内空气品质等优点，得到了广 泛的应用。置换通风系统在北欧国家占据了5 0 的空调市场，新建的办公楼中约有5 0 7 0 采用置换通系统【8 】。 这种很早就有应用的下送风空调送风方式，具备良好的热力分层特性，但受思维习 惯等的影响，并未十分普及，随着节能意识的提高，近些年的下送风的空调工程逐渐增 多，使空调系统的下送风方式日益完善。 传统的大空间建筑工程上已有了较多的工程实例，已积累了很丰富的经验，但是由 于现代建筑设计思想的发展，新建的大空间建筑空间结构趋于复杂、多样，空调设备和 3 大空间音乐厅建筑空调置换通风t 程的c f d 模拟分析 设计仅依靠传统的经验难以满足各方面的要求，为使空调系统达到既节能又满足室内舒 适性要求，尤其在大空间的建筑内，气流组织形式和舒适性的评价标准以及对温度场和 速度场的预测显得尤为重要。室内空气质量的评价是绿色建筑的评价标准之一。 1 1 3 大空间建筑空调室内环境的热舒适性和其评价 对于室内热环境每个人的感受有差异，热舒适性是指人体生理和心理相关的主观感 觉。舒适性是人体通过自身的热平衡和对环境的热感觉经综合判断后得出的主观评价或 判断。除了衣着、活动方式等个人因素外，影响人体热平衡从而影响热舒适性的环境因 素主要是温度、湿度、气流运动和辐射换热量。 1 1 3 1 对于室内环境的评价参数 ( 1 ) 、有效温度 有效温度是常用的环境指标，它是指当相对湿度为5 0 ，皮肤表面的热损失与 实际环境的热损失相同的环境温度。有效温度同时考虑了温、湿度，所以对于有效温度 相同的环境，即使温、湿度不同，也能产生相同的热效应【9 j 。 ( 2 ) 、舒适性方程 f a n g e r 教授给出人体热平衡和舒适方程为( f a l l g e r 方程) f 9 】 s = m r - c e( 1 1 ) s 人体蓄热率，w m 2 ；m 人体新陈代谢总能量w m 2 ，与人体活动有关；e 蒸发热 损失，w m 2 ；r - 辐射热损失，w m e ；c 对流热损失，w m e ；s 为正，人体产生热感觉； s 为负，则产生冷感觉 ( 3 ) 、预计平均热感觉指数( p m v ) 和预计不满意者的百分数( p p d ) 评价【9 】 p m v 指标代表了对同一环境绝大多数人的舒适感觉，热舒适性采用其值宜为 - i _ p m v + i ；p p d _ 2 7 。 具体p m v 指标的判断标准为：p m v = + 3 热；p m v = + 2 暖和：p m v = + i 稍舒适； p m v = + 0 适中、舒适；p m v = 1 稍凉快；p m v = - 2 凉快；p m v = 3 冷；p m v = 0 时意 味着室内热环境为最佳热舒适状态。i s 0 7 7 3 0 对p m v 的推荐值为p m v 值在= 0 5 + o 5 之间。即相当于人群中有1 0 的人感觉不满意，比我国规范【1 6 i p m v 值在1 + l 范围要小。 p m v 指数可通过估算人体活动的代谢率及服装的隔热值获得，同时还需有以下的环 境参数：空气温度、平均辐射温度、相对空气流速及空气湿度。 4 大空间音乐厅建筑空调置换通风t 程的c f d 模拟分析 p p d 指数是根据人体热平衡计算的。当人体内部产生的热等于在环境中散失的热量 时，人处于热平衡状态，表示对热环境不满意的百分数【9 】。 p p d = 1 0 0 - - 9 5 e x p - - ( 0 0 3 3 5 3 p m v 4 + o 2 1 7 9 p m v 2 ) 】 ( 1 2 ) 当p m v = 0 时，p p d = 5 。既意味着在室内处于最佳的热舒适状态时，仍然有5 的人感到不满意。 ( 4 ) 、通风效率、换气效率、空气龄等评价指标都是从进行有效通风，提高室内空 气品质出发提出来的【1 们。 目前使用较多的是p m v 和p p d 。近期的研究表明，以模糊判断和神经网络评判方 法来确定热舒适性也是一种方向。国内外有人在迸一步研究动态环境下的热感觉指标 f l l l o 由于大空间人员活动区域在下部，评价的目的也是更好的反应人员活动的热舒适 性，对于高大空间上部的空气参数不作为评价范围，只是作为考虑空调系统中的一部分 参数。 大空间建筑的室内参数基于人体对周围环境温度、相对湿度和风速的舒适性要求， 结合我国经济情况和人们的生活习惯及衣着等因素制定，如果当室外计算参数为定值 时，夏季空调室内计算温度越低，房间的计算空调冷负荷越大，系统耗能就多，在不降 低室内舒适度标准的情况下，合理确定室内的温、湿度，对空调系统有明显的节能效果 1 1 2 1 3 1 o 这就使得对建筑内部的空调舒适度有个合理的评价和评价标准f 1 4 】。我国的室内热 环境舒适条件是参照i s 0 7 7 3 0 制定我国自己的标准中等热环p m v 和p p d 指数的测定 及热舒适条件的规定( g b 厂r 1 8 0 4 9 2 0 0 0 ) 。在采暖通与空气调节设计规范( 2 0 0 1 版) 中，规定舒适空气调节室内计算参数和p m v 值评价等。室内空气质量标准 ( g b 厂r 1 8 8 8 3 2 0 0 2 ) 评价目前也用在实际工程上。本论文采用p m v 值评价，其值为 1 _ l 。 1 1 3 2 大空间建筑室内预测竖直温差的方法 热舒适评价主要影响参数为温度，目前在暖通空调工程中采用的预测室内空气温度 分布等的方法，主要为传统理论方法和模型实验以及c f d 的数值模拟。 ( 1 ) 传统理论和经验系数方法：传统理论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，由于建筑空间向复杂化、多样化和大型化发展，采用理论计算法预测实际空调通风 5 大空间音乐厅建筑空调置换通风j l ：程的c f d 模拟分析 房间的气流组织，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局 部的信息，无法了解整个室内空气温度分布情况。目前对于室内低风速还没有广泛使用 的理论公式。 经验系数法为“5 0 法则”或“3 3 法则 , s k i s t a d ( 1 9 9 4 ) 提出了线性的温度分布吲： t r t s ：( t e t s ) 2 ( 1 1 ) 式中t f 近地面的空气温度，k ；t s 送风温度，k 以上简称5 0 法则。根据特殊空间采用3 3 法则，根据”3 3 法则”即在送、排 风温差( 或冷负荷) 中，室内地面温升占三分之一。该温度分配规律适用于房间高度较 高或热源较密集的场所。这种法则计算方法，对工程的快速计算非常便利，准确度不高。 ( 2 ) 模型试验：按一定比例制作的模型体量，模型几何相似，然后考虑实体与模型 的送风出风的a r 数一致，根据模化理论作参数比例确定，进行测试，几何尺寸大对测 试有利，制作模型消耗人力物力，并耗大量的时间，测定结果可验证设计预期要求，同 时还要采用气流可视化技术做气流观察，对设计的气流方式予以确定。 模型试验实验研究作为最基本的研究方法，给其他方法提供了比较结果的基础。但 对于空调房间内整个流场的各种参数，实验分析不能给出全面的指导。同时。实验的研 究要受到设备、实验条件、实验误差等的限制，目前在实际工程中很少用到。 ( 3 ) 数值模拟：计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 它是伴随 计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。c f d 软件最早于二十世纪7 0 年代诞生在 美国，真正广泛使用是在近几年，它能解决各种流体流动和传热问题，成功应用于水利、 航运、环境、海洋、流体工程等领域，借助c f d 模拟获得准确结果。c f d 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【4 3 】脚】。因此，采用c f d 方法建立合适的数学模型，对置换通风系统 的研究大有裨益，有利于克服实验研究的缺陷，建立相应的置换通风系统设计准则。 c f d 技术建立一定的物理、数学模型，可以计算出给定模型的温度场、速度场等分 布，并通过可视化手段直观的分析研究。c f d 数值模拟高大空间建筑传热与流体流动 有着较为明显的优势。 数值模拟方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的 完整体系。大空间建筑，特别是内部空间体型特殊，气流相互干扰，采用一般的计算公 式和普通方式的送回风方式难以判断实际效果，因此常采用模型试验和数值模拟的方 法。本论文采用了c f d 室内模拟方法研究大空间建筑室内的温度和风速分布以及p m v 6 大空间音乐厅建筑空调置换通风工程的c f d 模拟分析 值。 1 2 计算流体力学( c f d ) 在暖通行业的应用 1 2 1 什么是c f d c f d 是通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和热传导等相关物理现 象的系统所作的分析。基本思想为：把原来在时问及空间区域上连续的物理量的场，如 温度和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方 式建立起关于这些离散点上变量之间的代数方程式组，然后求解代数方程组获得的场变 量的近似值【1 5 1 。 c f d 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， c f d 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1 0 m 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。另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，由于湍流现象理论求解至今 没有完全得到解决，目前h v a c 领域内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解 决嘲 9 1 。 c f d 通常包含如下几个主要环节：建立物理数学模型、数值算法求解、结果可视 化。c f d 软件种类较多，结构大体一致，由前处器( p r p e r o c e s s o r ) 、求解器( s o l v e r ) 及 后处理器( p o s t p r o c e s o s r ) 等三大部分组成。各部分的作用表述如下【1 5 】： 前处理器：用于完成前处理工作，建立描述问题的几何模型，将计算区域划分为不同 区域的子区域，形成网格，选择相应的控制方程，定义流体的属性参数，指定计算边界 的条件。对瞬态问题，指定初始条件。目前商业软件有5 0 的时间花在几何区域和计 算网格的生成上。 求解器：c f d 的核心，借助简单的函数来近似待求的流动变量，将该近似关系代入连 续型的控制方程，形成离散方程组，求解代数方程组，有限体积法是目前商用c f d 软 件广泛采用的方法。 后处理器：目的是有效的观察和分析流动计算结果。给出所计算参数( 如温度场、速 度场、压力场及浓度场等) 的可视结果及动画处理。 c f d 的求解步骤【1 5 l ： ( 1 ) 建立控制方程：这是解问题的第一部，较为简单。常规的暖通专业需要增加湍流 7 大空间音乐厅建筑空调置换通风工程的c f d 模拟分析 方程。 ( 2 ) 确定边界条件与初始条件：对于瞬态问题，必须给定初始条件，对于稳态问题， 可不需要初始条件，边界条件和控制方程构成完整的数学模型。 ( 3 ) 划分计算网格 ( 4 ) 建立离散方程：计算区域的有限数量位置( 网格节点或网格中心点) 上的变量值 当做基本位置量，建立一组关于这些未知量的代数组，求解代数方程的这些节点值。 ( 5 ) 离散初始条件和边界条件：商业软件直接将初始条件和边界条件按离散的方法分配 到相应节点。 ( 6 ) 求解离散方程 ( 7 ) 判断解得收敛性。 ( 8 ) 显示和输出计算结果 1 2 2c f d 控制方程 ( 1 ) 控制方程组的物理意义 4 l 】 1 ) 质量守恒方程又称连续方程( m a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 微元体中流体质量的增加等于流入该微元体的净质量。 2 ) 动量方程( m o m e n t u mc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 微元体中流体动量的增加等于作用在微元体上各种力之和。 3 ) 能量守恒方程( e n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 微元体内热力学能的增加等于进入微元体的净热流量加体积力与表面力对微元体做的 功 ( 2 ) 建立数学模型 1 ) 控制方程【1 5 1 质量守恒方程，亦称连续性方程： 丝+ 堡业：0 - i - 0( 1 3 )+ =ll - _ jj 出 砂 勿 动量方程： 罢+考+老=一。苏t,-i-。+鸬)昙(_ou4-_ou)+缸+鸬)昙万oupu p v o y o x o xo x + 考0 3 , ) 。4 ， i +_ + i = 一，+ 鸬j _ ( _ _ ) + 忱+ 鸬j i ( i + _ ) 戚宓础卯卵 ，、 + 0 + “) 昙( 罢+ 譬) 比a za z 8 大空间音乐厅建筑空调置换通风t 程的c f d 模拟分析 宴+考+老=一爹+。+，)昙c宴+面aupu p w zox o x ，+ 。+ 川号c 考o y + 考，。5 ) _ + i +i = 一i + 忱+ ，j i ( _ + i ) + + 鸬j i 【_ + i j 卯化卵 优劣 砂，、 + o ) 昙( 砉+ 参 p u 孚+ p v d x 宴o y + 老= 一竽0 2 + o + 鸬) 昙o x ( 警+ 罢) + 缸+ 鸬) 品( 雾+ 字a y ) _ + _ + i 一_ + w + 鸬j _ 【i + i j + 妒+ 鸬j i ( i + _ ， 必优劣鲫纠 + o + 鸬) 鲁( 詈+ 老) 湍流流动能量方程【1 5 】： c a ( p u j t ) ：旦( 羔堡) + s a x j o xcp 礅j 湍流流动耗散率方程【1 5 1 ： 塞+ 考+ 譬= ( + 丝o r , y k 坐缸2 + 雾+ 等 一胪+ 鸬尼 册塞+ 考+ 警= ( + 等) ( 窘+ 雾+ 窘 一心：譬+ 鸬c 。妻圪 式中： 尼= 2 ( 罢) 2 + ( 考) 2 + ( 警) 2 + ( 考+ 罢) 2 + ( 警+ 豢) 2 + ( 茅+ 喜) 2 c m ) “：蚂竺 ( 1 1 1 ) 6 经验系数值据文献f 2 5 】选取 c l = 1 4 4 ，c 2 = 1 9 2 ，c 3 = l ，巳c t t = o 0 9 ，吒21 0 ，吒2 1 3 ( 3 ) 离散方程 离散常用的方法：有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法【2 2 】。有限体积 法是一种目前广泛应用的方法。其基本原理是把计算区域分成许多互不重叠的控制容 积，并使每一个网格节点都由一个控制容积所包围，然后应用表示网格节点之间必变化 的分段分布关系对每一个控制容积积分微分方程来计算所要求的积分，这样就可以得到 一个包含有一组网格结点处的离散化方程组。 1 2 3 用于暖通行业的c f d 商用软件 目前的c f d 商用的软件有p h o e n i c s 、c f x s t a r - c d 、f i d i p 、f l u e n t 、a i r p a k 9 ， ， ， 撂 ” 石 刁 n 卜 1 l k ，k， 大空间音乐厅建筑空调置换通风j f 程的c f d 模拟分析 等。用于暖通空调行业的软件主要是a i r p a k 和p h o e n i c s 等。 p h o e n i c s 有多种模型和模块，f l a r i 是p h o e n i c s 应用于暖通空调领域的专用模 块，它可以用于预测建筑内部和外部以及其它封闭空间的气流组织、温度分布、烟气流 动等。如f l a i r 就针对于高大空间建筑设计。它可以用来计算分析室内空气品质( i a q ) 、 热舒适性、健康度与安全性、空气调节以及污染物控制效果。针对通风系统特性，快速 建模和生成网格。而且，求解过程是基于对模型和求解参数的合理设定之上，获取模拟 结果。最后提供了最新的结果后处理和可视化方法。 2 0 0 8 年奥运场馆射击馆的资格赛馆就运用c f d 技术模拟计算，对奥运比赛时运动 区和观众区的三维空间温度和流速场进行预测【4 5 1 ，北京工业大学体育馆空调系统设计 采用c f d 技术模拟体育场观众区的温度和风速场分布 3 1 ，目前许多大型公共建筑的空 调设计已应用c f d 技术。 本工程使用的c f d 商业软件为p h o e n i c s 3 6 1 ，除了通用计算流体计算传热学软 件应该拥有的功能外，还有的功能如下【3 6 1 ： ( 1 ) 、开放性：p h o e n i c s 最大限度地向用户开放了程序，可以根据需要任意修改添 加用户程序、用户模型。p l a n t 及i n f o r m 功能的引入使用户不再需要编写f o r t r a n 源程序，g r o u n d 程序功使能用户修改添加模型。 ( 2 ) c a d 接口：p h o e n i c s 可以读入任何c a d 软件的图形文件。 ( 3 ) m o v o b j ：运动物体功能可以定义物体运动，避免了使用相对运动方法的局限性。 ( 4 ) 大量的模型选择：2 0 多种湍流模型，多种多相流模型，多流体模型，燃烧模型， 辐射模型。 ( 5 ) 提供了欧拉算法也提供了基于粒子运动轨迹的拉格朗同算法 ( 6 ) 计算流动与传热时能同时计算浸入流体中的固体的机械和热应力。 ( 7 ) v r ( 虚拟现实) 用户界面引入了一种崭新的c f d 建模思路。 ( 8 ) p a r s o l ( c u tc e l l ) ：部分固体处理。 ( 9 ) 软件附有完整的可读可改的原始输入文件。 ( 1 0 ) 专用模块。f l a r i 是其中一种，p h o e n c i s 除了暖通空调领域以外，还广泛应 用于航空航天、能源动力、船舶、水利、制冷、环境、冶金、材料、化工、铸造等领域， 几乎遍布一切有流体存在的领域。 p h o e n i c s 基本结构构成见下图1 2 1 0 空间音乐厅建筑空调置换通风l 。程的c f d 模拟分析 豳圈 曰一 图1 - 2p h o e n c i s 软件的基本结构构成 1 2 4p h o e n c i s 软件的模型和算法 ( 1 ) 控制方程 该软件的数学基础与其他c f d 软件相同。即描述流体流动的一组微分方程。 它包含有热、质传递、流体流动、湍流 3 6 1 掣+ 咖归) = 咖n g 俐) + _ ( 1 _ 1 2 ) 式中：一因变量；p 一流体密度，k g m 3 ；旷流体速度矢量，m s ：r 。一扩散系数n s m 2 ； 墨一的源项。 ( 2 ) c h e n - k i m 模型 标准k o e 湍流两方程模型用单个时日j 尺度( 眺) 来描述发生在湍流运动中的动态过 程，但湍流的脉动包含了很宽的涡旋尺度范围及时间尺度范围，湍流随时间尺度的变化 会产生波动，因此在所有情况下都运用单尺度模型是不合适的。为了弥补标准k = 8 方程 中的这个缺陷，c h e n 和k i m 对其进行了修正。 c h e n k i mk - b 模型和标准k - 模型的不同之处在于： 1 ) 经验常数不同， 2 ) c h e n k i mk - 8 模型在湍流动能耗散率中附加了个源项，其目的是减小高 剪切力区的湍流特性，以对暖通空调气流组织进行详细的预测。与标准的k 6 湍流模型 不同的是，c h e n k i mh 湍流模型引入了一个附加的时b j 比尺，并修改了几个系数。 ， 全 一墨 大空间音乐厅建筑空调置换通风： 程的c f d 模拟分析 在紊流的工程计算中，c h e n k i m1 c - 两方程模型的应用最为广泛，并取得了较好 的结果。本文p h o e n c i s 用c h e n k i mk - 两方程模型对问题进行模拟求解。 ( 3 ) 计算区域与控制方程的离散 采用有限容积法进行区域离散化，其方程离散通用的表达式为【3 6 】： 口，砟= a n 九+ 口s 九+ 口e 丸+ 口九+ 口九+ 口九+ 口7 办+ s o u r c e s ( 1 - 1 3 ) 其中： a ，= a + 口s + a e + 口矽+ 口+ a + a 了 ( 1 1 4 ) 式中的下角标n 、s 、e 、w 、l l 、l 、t 分别代表n o r t h 、s o u t h 、e a s t 、w e s t 、h i g h 、 l o w 、t i m e 。 ( 4 ) p h o e n i c s 软件对于边界条件和源项的处理方法 p h o e n c i s 软件把边界条件分为3 类f 2 3 1 ： 1 ) 、无通量边界条件： 盟：0 ( 1 1 5 ) 苏 2 ) 、源项边界条件：将边界条件作为一种附加源项加入到程序中。 质量源项：考虑到流动是由于压力差的存在，因此质量源项是通过压力边界条件 给出【2 3 】 瓯= c p 眈一0 ) ( 1 1 6 ) 变量小的对流和扩散源项 2 3 1 s = q ( 一0 ) ( y 一砟) + c ( y 一砟) ( 1 - 1 7 ) c 边界条件化为附加源项时的相应系数；c 一边界与边界邻点上的质量流量系数；o 巴边界邻点压力，p a ；y 矽一边界上变量的值；九一边界邻点上变量矽的值。 上式第一项代表对流源项，第二项代表扩散项。 3 ) 在不设任何边界条件情况，p h o e n i c s 默认的边界条件为所有边界对流体不 产生流入( 出) 、无摩擦、绝热，表现对称或轴对称特征。 ( 5 ) 对数律假定湍流局部守恒，是求解湍流近壁速度分布的最一般方式，因此在 p h o e n i c s 中其数学表达式如下所示【2 4 】： 1 2 大空间音乐厅建筑空调置换通风工程的c f d 模拟分析 ( 1 1 8 ) ( 1 1 9 ) e p = ( 巴巴) 仉7 5 碰1 5 似y ) 凹= 乜巴p k e ”( k 】，) ( 1 2 0 ) 其中，q 是第一个网格节点处平行于壁面的合速度，配是切应力速度( 等于 s q r t ( r p ) ，巴q 则是k - 占模型方程中的经验系数，y 指的是第一个节点与壁