CFD技術在連通類高大空間空調系統設計中的運用

張斌

唐山市規劃建筑設計研究院有限公司 河北 唐山 063000

引言

當前，設計人員的主要任務是設計出節能舒適的室內環境，而創造人工環境的過程中需要合理組織室內氣流。氣流組織和環境品質之間具有緊密的聯系，而且直接影響到能源效率。CFD技術不斷發展，設計人員可以利用這項技術預測室內氣流組織，通過綜合評價各項參數，選擇最佳氣流組織形式，保障連通類高大空間空調系統設計的科學性，在最大限度上滿足人們的生活需求。

1 概述CFD技術

計算機流體動力學，簡稱CFD，是一種基于數值計算和計算機技術的模擬技術。本技術實驗采用虛擬計算機。模擬實際流量。通過計算可以列出流體的流動微分方程。連續間隔中的流體流動是平滑的。CFD技術在1974年就開始使用。由一位丹麥的工程師率先在暖通開工條件下運用CFD技術施工。模擬通風環境下，室內的空氣是如何流通的。之后通過系列的創新和發展，建筑師﹑空調工程師在分析工程問題時開始廣泛運用CFD技術，可以大幅度提高暖通空調設計水平[1]。

例如在室內空氣分布階段，利用CFD技術可以降低整體成本，同時可以提高工作效率，而且具備完善的資料，可以有效模擬?不通過的工程情況。對比其他方法，CFD技術具有顯著的優勢，計算機技術不斷發展，可以不斷縮減CFD技術計算周期和成本，適用于工程施工。但是在實際應用CFD技術的過程中仍舊存在一些問題，所以需要不斷創新和發展相關技術，將會逐漸彌補CFD技術使用中的不足，不斷優化CFD技術使用性能，在工程中發揮出更加重要的作用。

2 概述暖通空調系統中CFD技術的應用

2.1 技術特點

2.1.1 CFD通用軟件的數學模型主要包括湍流模型和自由面流模型以及多相流模型等。使用的離散方法包括有限元法和有限體積法。分析了當前的技術條件，CFD軟件主要采用離散方法[2]。

2.1.2 在設計時，采用三維的流動數值模型計算量大，故使用CFD軟件時，收斂速度可有效提升。所以計算耗費時間縮短了，并運用平行計算法可有效解決由于單機容量不足而造成的問題。目前，在實踐工作開展中使用的收斂技術包括了殘差光順法，多層網格法。

2.1.3 為了滿足不同客戶的需求，CFD系統設置了許多特殊模塊。通過系統特定版本和軟件。它可以實現復雜過程的有效計算，自動生成網格，簡化條件，大大減輕工作人員的工作壓力，并有效處理計算結果的分析。目前，該系統包括了流動顯示以及網格生成模塊，可實現任何流程幾何形狀的建模輸出，但形成結構型網格時要花的時間精力都很多。而采用專用模塊可自動生成網格，并利用客戶幾何參數，有效形成三維網格模型[3]。

2.2 應用領域

2.2.1 設計通風空調房建的氣流組織。保障氣流分布方案的科學性，有利于暖通空調結構的科學設計，有效提高暖通空調系統的科學性。同時，該技術在制冷工程中的應用可以模擬空調房間的空氣分布。該技術可用于做好模擬工作，明確房間內氣流的分布，以便設計者能夠識別HVAC系統的各種因素，從而充分發揮出暖通空調制冷工程的作用。

2.2.2 建筑外環境分析設計。設計建筑暖通空調的過程中，建筑外部環境直接關系到建筑自然通風情況，這也直接影響到住戶生活質量。因此在利用CFD技術的過程中，需要全面分析和設計建筑外環境，注重分析當地熱環境和二次風等，合理優化設計建筑暖通空調指令工程，優化通風效果和制冷效果。

2.2.3 室內空氣質量。CFD也可用于評估室內空氣質量。采用專業軟件進行模擬，確定不同空間的溫度和濕度，對空調結構進行合理科學的調整，優化參數性能，提高系統的整體工作效率，改進建筑設備性能。

建筑暖通空調系統的風機和空調中存在流體工作介質，流體流動與設備性能有關，因此設計者需要注意這方面的問題。CFD技術可用于模擬設備的流體流動，從而提高整體工作效率，并通過優化通風效果和制冷效果來節省設備維護成本，同時可以顯著降低設備的能耗。

3 連通類高大空間建筑存在的問題

第一，氣流控制問題難解決。連通的高大空間由于高度不同，需要使用開口對各連接空間進行利用，由于受煙囪效應影響，空間內氣流相互流動無法有效控制氣流的組織，再加上設計沒有模塊供參考，所以設計難度大[4]。

第二，計算荷載的問題。高連通空間的空調位置低﹑形式復雜，應采用混合送風方式和特殊負荷處理來解決負荷的影響。高大空間連接著周圍的展廳和走廊，因此在計算連接展廳和走廊的高大空間的空調負荷時，則要考慮熱量轉換以及熱量交換的問題。

近些年分析高大空間氣流組織的過程中，逐漸推出新的設計思想和方法，需要保障使用的靈活性和經濟性，一方面需要細化空調區域，在最大限度上滿足高大空間的需求。另一方面需要結合使用多種氣流組織形式，共同實現低能耗和效果好的目標[5]。

4 CFD技術在連通類高大空間空調系統設計中的運用

4.1 網格生成

在CFD建模時，網格生成的是非常重要的。在求解時要耗費大量時間去生成模型與網格，技術人員則要考慮多個因素，明確網絡結構﹑數量等等，才能更好地提升整體結構的準確。

4.1.1 網格結構：網格結構有四面體﹑五面體﹑六面體，在生成時主要為劃分結構化以及非結構化網格。自由度相同時，六面體與四邊形法的微網格質量最好，六面體的收斂假值相對來說比較低，可確保模擬結果的準確性。技術人員可以使用四邊形和六面體元素來合理減少網格數量并有效提高處理效率，并且可以從結構上處理六面體網格。目前，區域電網技術具有較高的利用率。根據空調室內人體的傳熱性能，想象一個矩形空間，將房間分成兩個區域，使用非結構化四面體網格，其他使用結構化六面體網格，人體上方的網格使用局部致密化技術。模擬和分析通風室內人體氣體的流動，使用人體附近的過渡網格，在其他區域使用四面體網格。在使用該技術時，工人結合實際情況和經驗，選擇最合適的結構，并綜合分析混合網格對此所產生的影響。

4.1.2 網格密度：為了優化模擬效果，需要提高網格密度的合理性。科學合理的網格密度有利于優化仿真精度。然而，如果它超出特定范圍，盲網格加密將浪費計算時間，影響模擬精度，甚至擴大誤差。因此，有必要有效地驗證網格的獨立性。獨立性意味著模擬結構和網格密度之間沒有關系，或者當網格被細化時，計算的準確性不會受到很大影響。研究人員應根據經驗選擇合理的網格內容，并結合實驗數據進行計算[6]。

4.1.3 湍流模型：該模型直接影響CFD模擬的準確性，包括直接數值模擬和大渦電流模擬。通過數值模擬，技術人員可以使用精確的網格。由于計算資源有限，不適合在室內空間使用數值模擬。大渦流模擬可用于分離渦流模擬，主流區域可使用大渦流模擬，邊界層流動可使用雷諾平均N-S方程。技術人員計算顆粒濃度分布，然后使用大渦流模擬。由于嚴格要求網絡精度和計算時間，RANS模型具有較高的應用率。

組織空調間氣流組織時，該模型具有極強適應性，但由于入流條件復雜，研究者要對障礙物進行分析，模擬相應的情況合理選擇湍流模型，并且對實驗結果﹑數據進行分析，可有效提升檢測的科學性。

4.2 風口模型

作為技術人員，需要對出風口流動﹑溫度情況等進行綜合分析，采用CFD技術對氣流分布情況進行分析。由于送風口十分復雜，為了模擬流入條件，應設計風口的網格，但這種劃分也更困難，因此應使用風口模型。該模型可以減少網格數量和計算時間，提高計算的準確性。目前風口模型逐漸成熟，運用送風法不會對模擬造成干擾。

4.3 輻射換熱

計算結果時由于資源有限的問題，一些工作人員不重視熱輻射影響。但自然通風條件下氣體的流動速度是降低的。這就說明了要利用熱浮力所產生的作用在計算求解時，考慮熱輻射所帶的影響。一般來說，換熱包括了熱源以及壁面輻射，還也要考慮空氣對其產生的吸收作用。對于這些輻射工作人員要先將壁面溫度計算出來，明確其邊界的情況。如果這個溫度值未能得到明確，則要修改邊界條件以下正熱負荷。

5 CFD技術在連通類高大空間空調系統設計中的應用策略

當將CFD技術應用于相連的大型空間中的空調系統設計時，需要首先建立一個模型，然后使用該模型計算守恒方程并計算空調制冷系統的值。最后，這些值需要可視化。在管理和技術人員完成評估和分析后，他們可以了解空調的制冷條件，因此可以進一步調整具體用途。因為在CFD技術的后處理過程中，需要針對結算結果轉化和展示位靜態圖片，使計算可視化和便利性進一步提高。在實際工作中通過嚴格操作上述步驟，有利于嚴謹性的應用CFD技術，保障空調系統運行效果，科學性的調整空氣流體，提高人們居住環境的舒適性。當前利用CFD技術可以推動暖通空調系統發展，但是我國CFD技術還不能和國外技術比肩，因此相關技術人員需要不斷完善CFD技術，優化整體使用性能，提高人們的體驗感。

6 CFD技術的發展趨勢

第一，與網絡技術結合在一起。通過這兩項技術的聯合使用，可提升暖通空調系統設計的水平，同時做好不同區域的設計協同工作。共享設計的信息，對接CAD﹑CAM等。

第二，與專家系統結合在一起。與專家系統相結合可讓專家系統的指導作用發揮最大，減少軟件使用難度。并且運用專家系統內的信息，可自動檢測系統前﹑后處理是否統一﹑正確，確保得到的計算結果是準確的。并且CFD還可以當成是專家系統的補充，有利于積累并計算案例，提升計算能力。

第三，與實測數據相結合。計算機技術是不斷進步與發展的，這樣就說明了商用軟件數量在增加。選擇合理的軟件可計算出暖通空調工程的各項數據。但實測數據并不完善，計算結果不準。這說明模擬工程實測數據庫要不斷完善，結合實測數據才能更好地助力該軟件的發展。

7 結束語

CFD技術在連接的大空間中的空調系統設計中的應用不僅可以節約能源，而且可以確保空調系統的質量，因此，我國技術人員需要深入分析CFD技術的優勢，保障連通類高大空間空調系統運行的穩定性，實現環保節能的發展目標。