CFD技术及其在暖通空调工程中的应用

CFD技术及其在暖通空调工程中的应用中国建筑设计研究院丁高建筑节能与新能源工程中心陈晓春2010年8月25日,内容提纲,1.CFD简要介绍2.CFD发展概况3.CFD理论研究主要方向4.CFD技术的工程应用,1.CFD简要介绍,计算流体力学在流体力学中的地位理论流体力学：连续场模型，分析解法计算流体力学：离散场模型，数值解法各种方法比较：,1.CFD简要介绍,流动与传热问题的数学描述控制方程（不可压缩流体）,连续性方程：,动量方程：,1.CFD简要介绍,能量方程：,通用微分方程：,非稳态项,对流项,扩散项,源项,广义变量,广义扩散系数,1.CFD简要介绍,初始条件：边界条件：（1）第一类边界条件：边界上给定（2）第二类边界条件：边界上给定（3）第三类边界条件：边界上与关系给定,1.CFD简要介绍,举例后台阶突扩层流流动与换热问题（二维、稳态、不可压缩、常物性、无内热源）,1.CFD简要介绍,连续性方程：,动量方程：,能量方程：,1.CFD简要介绍,边界条件,(1)进口(速度u、温度T)分布要给定,(2)中心线,(3)壁面,(3)出口数值处理方法,1.CFD简要介绍,流动与传热问题数值求解的基本思想基于连续介质模型(1)用有限个离散点上的值代表连续体区域离散(2)建立离散点上物理量的代数方程式方程的离散(3)求解代数方程,1.CFD简要介绍,常用数学方法有限差分法FDM有限容积法FVM（最为常用）有限元法FEM边界元法BEM有限分析法FAM,1.CFD简要介绍,不是基于连续介质模型格子Boltzmann方法直接模拟MonteCarlo方法分子动力学模拟,1.CFD简要介绍,商用CFD软件PhoenicsStar-cdCFXFluent,已经被Ansys收购,1.CFD简要介绍,一个算例卡门涡街模拟(Re=100),动画演示,2.CFD发展概况,CFD是ComputationalFluidDynamics（计算流体动力学）的缩写，是流体力学理论研究的一个分支。工程中的流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等的数值预测及工程应用一般简称为CFD技术。CFD技术的发展总的来说是随着计算机技术及数值计算方法的发展而发展的，从20世纪60年代至今，其发展过程可以分为四个阶段。,初始阶段(19651974年)解决计算流体力学中的一些基本的理论问题模型方程（湍流、传热、辐射、气体颗粒作用、化学反应、燃烧等）数值方法（差分格式、代数方程组求解等）网格划分程序编写与实现就数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确解进行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律,2.CFD发展概况,取得的一些重要成果标准k-e模型和壁面函数法的提出迎风格式、QUICK格式的提出SIMPLE算法的提出微分方程方法生成适体坐标体系，从而使计算流体力学对不规则的几何流动区域有了较强的适应性，逐渐在CFD中形成了专门的研究领域：网格生成技术,2.CFD发展概况,走向工业应用阶段(19751984年)探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用CFD技术开始向各种以流动为基础的工程问题方向发展，如气固、液固多相流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等1977年，Spalding等开发的用于预测二维边界层内的迁移现象的GENMIX程序公开1981年，Spalding组建的CHAM公司将包装后的计算软件（PHOENICS）正式投放市场，开创了CFD商业软件的先河,2.CFD发展概况,快速发展期(1985年1995)CFD在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了一定的成果，在学术界得到了充分的认可Spalding领导的CHAM公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工作Patankar也在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的培训，皆在推广应用CFDCFD工程应用虽然取得一定成果，但总体上还仅仅限于解决一些简单问题,2.CFD发展概况,应用成熟期(1996年2005)CFD技术在工业领域各个方面获得极大推广随着计算机图形学、计算机微机技术的快速进步，CFD的前后处理软件得到了迅速发展，如Fieldview，Tecplot，ICEM-CFD等等一些经济实力雄厚的实体也见到了CFD应用软件的巨大商机，纷纷介入，如美国的FLUENT、ANSYS及英国的AEA等,2.CFD发展概况,CFD工程应用中的困难如何简化问题？将实际问题进行合理简化，对问题的主要矛盾进行提炼如何进行建模和网格划分？实际几何模型的复杂性如何选择格式、算法、模型？实现问题顺利求解,2.CFD发展概况,即使上述问题解决了，但有时候仍然无法获得收敛结果！,CFD工程应用中的发展方向广度方向发展多物理场(耦合)求解深度方向发展更加专业化暖通领域：与能耗模拟、光环境模拟、声环境模拟构建建筑环境模拟系统模型文件接口？软件通用性？,2.CFD发展概况,3.CFD理论研究主要方向,差分格式算法网格生成技术湍流模型,3.CFD理论研究方向,湍流现象雷诺实验,3.CFD理论研究方向,大尺度结构,小尺度结构,3.CFD理论研究方向,湍流物理量时均值定义及其性质,3.CFD理论研究方向,湍流数值模拟方法直接数值模拟（DNS）大涡模拟（LES）、分离涡模拟（DES）雷诺平均方程模拟（RANS）零方程模型K-e两方程模型,3.CFD理论研究方向,湍流对流换热的Reynolds时均方程：,连续性方程：,动量方程：,对流项：,3.CFD理论研究方向,整理得到：,Boussinesq假设,3.CFD理论研究方向,根据对求解，可以分为：零方程模型、一方程模型、两方程模型和四方程模型等；对于通风空调气流组织计算，陈清焰提出了新零方程模型：新零方程模型的提出主要是为了快速解决气流组织中的计算问题，在计算精度上进行妥协,3.CFD理论研究方向,混合长度理论（Prandtl，1925）新零方程模型的评价零方程模型用于空调通风房间气流组织数值模拟的研究陈晓春，朱颖心，王元，暖通空调，2006.8混合对流的数值模拟陈晓春，林冠婧，周翔等，计算物理，2007.1,3.CFD理论研究方向,两种方法进行研究算例比较强迫对流混合对流自然对流理论分析,3.CFD理论研究方向,强迫对流,3.CFD理论研究方向,混合长度理论,新零方程模型,K-e模型,3.CFD理论研究方向,x=3.0m,x=6.0m,y=0.084m,y=2.916m,3.CFD理论研究方向,混合对流,3.CFD理论研究方向,x=0.52m,y=0.52m,x=0.52m,y=0.52m,3.CFD理论研究方向,自然对流,3.CFD理论研究方向,速度分布比较,温度分布比较,3.CFD理论研究方向,混合对流的进一步讨论V2F模型、标准k-e模型和新零方程模型比较,零方程模型,K-e模型,V2F模型,3.CFD理论研究方向,零方程模型,K-e模型,V2F模型,3.CFD理论研究方向,x=0.52m,y=0.52m,x=0.52m,y=0.52m,3.CFD理论研究方向,理论分析Prandtl-Kolmogorov的假设,零方程模型,混合长度理论,3.CFD理论研究方向,结论：总体来说Prandtl的混合长度理论能够获得比Chen的零方程模型更好的结果；从这两种零方程模型的构造着手进行分析，认为Prandtl的混合长度理论更为合理些。相对于双方程k-e湍流模型，零方程模型仍然属于低级模型，计算精度有限，但它能够极大的节约计算资源。,4.CFD在暖通空调中的应用,CFD在暖通空调领域内的研究现状（国外）上世纪70年代初，P.V.Nielsen首次将CFD技术应用于暖通空调领域；1978年，Nielsen又使用守恒方程的原始变量形式模拟了三维室内气流流动；1980年，Gosman利用k-e模型模拟不同几何形状的室内气流流动；1984年，Alamdari和Hammond描述了计算建筑物表面对流换热系数的计算方法；Fluent公司推出面向暖通工程师的Airpak,4.CFD在暖通空调中的应用,1989年，美国的供暖、冷藏与空气调节工程师协会（ASHARE）专门成立了用CFD方法预测室内空气流动的研究机构，并组织完成了ASHARE的第464（RP464）号研究课题“室内空气流动的数值计算”，该课题比较完整的研究了CFD方法模拟室内空气流动的许多相关问题,4.CFD在暖通空调中的应用,CFD在暖通空调领域内的研究现状（国内）1983年湖南大学汤广发编写了一套二维层流计算程序，并且成功的分析了通风和标准工业厂房自然对流等难度较大的工程问题；1988年，张建忠分析了数值计算方法在暖通空调领域的应用情况，还对常见的工业敞口槽通风问题做了数值计算分析；1992年，顾瑞英和武文斐在热源表面温度给定条件下，利用数值模拟方法和模型求解了气流的速度分布和温度分布，考察了送风方式、送风量、热源表面温度、热源表面和壁体表面的黑度、室外环境通过壁体的传热等诸多因素对室内气流组织的影响,4.CFD在暖通空调中的应用,清华大学的李先庭和赵彬等人在CFD方法评价PMV和空气龄、风口模型、室内颗粒物的扩散规律等方面做出了重要贡献；哈尔滨工业大学的魏学孟和何钟怡等人在大涡模拟技术以及其在