計算流體動力學在建筑環境工程上的應用分析

張愛龍

摘 要：隨著計算機技術及數值計算技術的快速發展，計算流體動力學技術發展迅速，并在工程建筑、航空航天、能源、石油化工等眾多領域獲得廣泛應用。通過計算流體動力學技術應用，可以實現流體流動與換熱模擬。在分析計算流體動力學的基礎上，從建筑外環境分析設計、通風空調空間氣流組織設計、建筑物與外環境傳熱計算、建筑設備性能研究等方面對計算流體動力學在建筑環境工程中的應用進行研究。關鍵字：計算流體動力學；CFD；建筑環境

中圖分類號：TU71 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2013）-12-0194-01

一、計算流體動力學概述

計算流體動力學即Computational Fluid Dynamics ，簡稱為CFD，是伴隨著計算機技術與數值計算技術發展而來的一種先進技術，可以實現對流體流動及換熱模擬，在航空航天、能源、石油化工、建筑工程等眾多領域內獲得廣泛應用。在建筑領域應用計算流體動力學技術，可以對小區建筑物是空氣流動、室內通風、室內供熱制冷設備布置、建筑物與外界環境換熱等狀況進行模擬與研究，從而提高建筑設計方案的科學性及合理性，打造宜居環境。

（一）計算流體動力學分析方法

計算流體動力學技術的應用，是在計算機基礎上，對實際流體流動狀況進行模擬仿真。其技術實現的基本原理為：通過數值求解控制流體流動微分方程，獲得流體流動流場在區域范圍內離散分布狀況。計算流體動力學技術分析方法主要分為三個環節，分別為數學物理模型構建、數值算法求解與結果可視化。

1.數學物理模型構建。針對所需要研究的流動問題，通過構建數學物理模型進行描述與研究。在建筑環境領域，其流體流動問題主要是進行不可壓流體粘性流體流動控制微分方程求解，為此，可以建立湍流模型并進行數值求解。如下公式為粘性流體流動控制微分方程：

在方程中，S代表源項，Γ代表擴散系數，p代表密度，其變量φ所代表的物理量不同，其方程含義不同。在應用該方程的基礎上，可以進行建筑工程環境中溫度、濃度、流場速度等物理量分布。

2.數值算法求解。考慮到粘性流體流動控制微分方程具有較強的非線性特征，只能應用數值方法進行求解。為此，應對求解區域進行離散處理，一般采取有限元、有限差分、有限容積等離散形式。在進行不可壓流動與傳熱問題研究時所采取有限容積法進行離散。通過離散，可以獲得代數方程并進行求解，獲得流場離散分布。

3.結果可視化。單純進行方程求解無法讓一般工作人員進行理解，應用計算流體動力學技術將速度場、溫度場等進行模擬描述，通過計算機圖形，直觀表達出模擬結果。在可視化處理后，可以將復雜數值以直觀圖像進行顯示，便于非專業工作人員理解。當前，應用計算流體動力學技術，可以生成靜態速度圖、靜態溫度場圖，并可以描繪出流場軌跡。

（二）計算流體動力學技術優勢

在建筑環境工程中，其建筑群風環境預測、室內熱環境、風環境、設備性能等均是通過試驗方式來實現，如進行風洞試驗等，其試驗存在著一定缺陷，且試驗周期較長。應用計算流體動力學技術進行計算機仿真模擬，其成本較低，速度較快，且模擬真實度較高，其模擬準確性有保障。應用計算流體動力學技術可以生成可視化結果，可以為建筑設計及優化發揮指導意義。

二、計算流體動力學在建筑環境工程中的應用

（一）建筑外環境分析設計。在建筑工程中，其外環境對建筑內居住者生活存在著很大影響，尤其是建筑設計較為密集的區域，其小區熱環境問題與二次風問題逐漸受到人們的重視。應用計算流體動力學技術，可以對建筑外環境進行仿真模擬，為建筑設計提供依據，實現建筑風環境設計的合理性與科學性。在仿真模擬建筑外環境風流動分布狀況的基礎上，還可以對建筑內自然通風設計提出意見。按照模擬獲得風速大小，進行住宅建筑風荷載承受值計算，有助于優化建筑結構設計。

（二）通風空調空間氣流組織設計。通風空調空間氣流組織是建筑環境設計的重要內容，其空調空間氣流組織直接關系著通風空調效果，如空調空間氣流組織質量較好，則室內空調溫度及速度能夠滿足建筑環境設計的要求，反之，則不能實現其設計目標。為此，在進行建筑空調系統設計施工之前，應進行空調空間氣流組織的設計與預測。在傳統方法中，多是選擇典型送回風方式的氣流組織狀況研究，其精度及應用范圍難以滿足設計要求。應用計算流體動力學技術，可以通過模擬仿真對建筑物內部空氣氣流分布及溫度分布情況進行描述，可以實現對室內通風效果及空氣質量的評價，指導通風空調空間氣流組織設計工作。

（三）建筑物及外環境傳熱計算。在建筑工程中，其建筑圍護結構所具備的熱工性能會對室內熱環境造成直接影響。如隔熱保溫性較差的圍護結構其建筑室內熱環境表現為冬冷夏熱。為此，在工程施工中應綜合分析室內與室外熱交換等情況。通過應用計算流體動力學技術，結合數值傳熱學，可以對建筑流固耦合進行傳熱計算，根據研究結果，合理選擇建筑圍護材料，有效控制建筑室內熱環境，實現節能目的。

（四）建筑設備性能研究。在建筑工程施工中，會應用到多種設備，如風機、空調等，其設備運行均是通過流體工質流動來實現，流體流動狀況直接影響著設備性能，如流道設置良好，其流體流動阻力較小，可以降低設備噪音，節約能耗等。應用計算流體動力學，可以對設備內部流體流動狀況進行模擬研究，在研究結果上分析設備性能，改進設備結構，實現設備應用的綜合效益。

三、結語

計算流體動力學技術的應用可以實現流體流動與換熱模擬，在航空航天、能源、石油化工、建筑工程等眾多領域獲得廣泛應用。計算流體動力學技術分析主要分為數學物理模型構建、數值算法求解與結果可視化三個環節，在實際應用中展示出較大優勢。從建筑外環境分析設計、通風空調空間氣流組織設計、建筑物與外環境傳熱計算、建筑設備性能研究四個方面對建筑環境工程中計算流體動力學技術的應用進行了研究。實踐證明，通過計算流體動力學技術的應用，可以有效提高建筑環境質量，實現建筑施工綜合效益。

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