摘要：CFD是目前國際上一個強(qiáng)有力的研究領(lǐng)域，是進(jìn)行“三傳”（傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞）及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心與重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于熱能動力、航空航天、機(jī)械、土木水利、環(huán)境化工、暖通空調(diào)及空氣凈化等諸多工程領(lǐng)域。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步，CFD技術(shù)已成為現(xiàn)代建筑領(lǐng)域一個重要的研究課題。本文對CFD技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，介紹其使用方法和步驟，為設(shè)計人員在暖通設(shè)計中應(yīng)用CFD技術(shù)提供參考。
關(guān)鍵詞：CFD技術(shù) 應(yīng)用范圍 暖通空調(diào)
20世紀(jì)80年代以來，科技發(fā)展進(jìn)入高科技時代�？茖W(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)了電子信息、生物、空間、海洋、新材料、新能源等六大高科技群，成為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展最主要的驅(qū)動力。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，知識經(jīng)濟(jì)時代已初見端倪。利用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是必然的趨勢。
高新技術(shù)向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的滲透是當(dāng)某項(xiàng)高新技術(shù)出現(xiàn)后,其相應(yīng)技術(shù)創(chuàng)新群向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)擴(kuò)散,并通過與原有生產(chǎn)技術(shù)條件相結(jié)合而使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平得到提高產(chǎn)生效益的過程。高新技術(shù)向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的滲透有兩個途徑,一是通過高新軟技術(shù)知識滲透,它通過學(xué)習(xí)與引進(jìn)將高新技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的技術(shù)及管理結(jié)合;二是通過物化技術(shù)滲透,即通過購買高新技術(shù)裝備與材料，從而使企業(yè)技術(shù)水平提高。
一、CFD的應(yīng)用范圍
CFD能夠分析與研究在各種復(fù)雜幾何形狀的空間（裝置）內(nèi)、外發(fā)生的下列工程問題：
(1)流體流動；(2)高溫傳熱（導(dǎo)熱、對流、輻射換熱、流固偶合傳熱）；(3)氣－固、液－固、氣－液、液－液等多相流（如均化庫、增濕塔、氣力輸送等）；(4)非牛頓流體流動（流變、如粉體、混凝土、膏狀物等）；(5)多孔介質(zhì)流；(6)化工反應(yīng)流；(7)煤粉燃燒、氣態(tài)燃料燃燒、油霧燃燒、多種燃料混合及多氧化流燃燒（如燃燒器、分解爐、烘干爐等）；(8)爆炸、爆燃和著火（如煤粉倉的爆炸與防治）；(9)攪拌反應(yīng)釜；(10)環(huán)保（氣體、水污染的擴(kuò)散與防治、脫硫、NOx等）。
CFD分析研究可以提供工程設(shè)計、生產(chǎn)管理、技術(shù)改造中所必需的參數(shù)，如流體阻力（阻力損失），流體與固體之間的傳熱量（散熱損失等），氣體、固體顆粒的停留時間，產(chǎn)品質(zhì)量，燃燼程度，反應(yīng)率，處理能力（產(chǎn)量）等綜合參數(shù)以及各種現(xiàn)場可調(diào)節(jié)量（如風(fēng)量、風(fēng)溫、組分等）對這些綜合參數(shù)的影響規(guī)律性。還可以提供流動區(qū)域內(nèi)精細(xì)的流場（速度矢量）、溫度場、各種與反應(yīng)進(jìn)程有關(guān)的組分參數(shù)場，通過對這些場量的分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有裝置或設(shè)計中存在的不足，為創(chuàng)新設(shè)計、改造設(shè)計提供依據(jù)。相當(dāng)于是一個通用的、多功能的大型冷、熱態(tài)試驗(yàn)場（數(shù)值試驗(yàn)）。
二、CFD技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用
1、CFD在暖通空調(diào)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域
CFD主要可用于解決以下幾類暖通空調(diào)工程的問題：
�。�1）通風(fēng)空調(diào)房間氣流組織設(shè)計
借助CFD可以預(yù)測仿真通風(fēng)空調(diào)空間的氣流分布詳細(xì)情況。氣流數(shù)值分析能夠考慮室內(nèi)各種可能的內(nèi)擾、邊界條件和初始條件，因而它能全面地反映室內(nèi)的氣流分布情況，從而便于發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的氣流分布方案，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計使其達(dá)到良好的通風(fēng)空調(diào)效果。
�。�2）建筑外環(huán)境分析設(shè)計
建筑外環(huán)境對建筑內(nèi)部居住者的生活有重要的影響，建筑小區(qū)二次風(fēng)、小區(qū)熱環(huán)境等問題日益受到人們的關(guān)注。采用CFD可以方便地對建筑外環(huán)境進(jìn)行模擬分析，從而設(shè)計出合理的建筑風(fēng)環(huán)境。而且，通過模擬建筑外環(huán)境的風(fēng)流動情況，還可進(jìn)一步指導(dǎo)建筑內(nèi)的自然通風(fēng)設(shè)計等[5]。
�。�3）室內(nèi)空氣品質(zhì)研究
利用CFD技術(shù)研究室內(nèi)空氣品質(zhì)問題，主要是通過模擬得到室內(nèi)各個位置的風(fēng)速、溫度、相對濕度、污染物濃度等參數(shù)，從而評價通風(fēng)換氣效率、熱舒適和污染物排除效率等。
�。�4）建筑設(shè)備性能的研究改進(jìn)
暖通空調(diào)工程的許多設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、蓄冰槽、空調(diào)器等，都是通過流體工質(zhì)而工作的，流動情況對設(shè)備性能有著重要的影響。通過CFD模擬計算設(shè)備內(nèi)部的流體流動情況，可以研究設(shè)備性能，從而改進(jìn)其工作，降低建筑能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。
2、暖通空調(diào)領(lǐng)域中CFD的求解過程
暖通空調(diào)領(lǐng)域用CFD進(jìn)行模擬仿真，其主要環(huán)節(jié)無外乎包括以下幾個方面:建立數(shù)學(xué)物理模型、進(jìn)行氣流數(shù)值求解、將數(shù)值解結(jié)果可視化等。CFD求解流程如圖1所示。
�。�1）建立數(shù)學(xué)物理模型
建立數(shù)學(xué)模型是對所研究的流動問題進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，為數(shù)值求解做準(zhǔn)備工作。基本數(shù)學(xué)模型有：
A、質(zhì)量守恒方程
B、動量守恒方程
C、能量守恒方程
ρ――流體密度，kg/m3；
t――時間，s；
――速度矢量，m/s；
ui――速度在i方向上的分量，m/s；
p――壓強(qiáng)，pa；
Fi――體積力，N；
T――溫度，K；
cp――定壓比熱；
ST――粘性耗散項(xiàng)。
對于湍流流動，還要補(bǔ)充反映湍流特性的其他方程。
�。�2）進(jìn)行氣流數(shù)值求解
A、確定邊界條件與初始條件
初始條件和邊界條件是控制方程有確定解的前提。初始條件是所研究對象在過程開始時刻各個求解變量的空間分布情況。對于瞬態(tài)問題必須給定初始條件，對于穩(wěn)態(tài)問題不需要初始條件。邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或其導(dǎo)數(shù)隨地點(diǎn)和時間的變化規(guī)律。
B、劃分計算網(wǎng)格
網(wǎng)格分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。簡單說，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間上比較規(guī)范，如對一個四邊形區(qū)域，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格多是成行成列分布的，而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間分布上沒有明顯的行線和列線。目前各種CFD軟件都有專門的網(wǎng)格生成工具。
�。�3）結(jié)果可視化
通過計算機(jī)數(shù)值求解得到的結(jié)果是節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值，因而視覺效果上不具備可觀性，難以被一般工程人員或其它相關(guān)人員所認(rèn)識和接受，所以必須借助相關(guān)軟件將模擬結(jié)果可視化，CFD的后處理可以靜態(tài)顯示速度、溫度、濃度場圖片，也可以動態(tài)的顯示流體流動的流線和跡線。
我國大概在20世紀(jì)80年代開始研究CFD在暖通領(lǐng)域的應(yīng)用。我國現(xiàn)有成果大部分屬于運(yùn)用專用軟件進(jìn)行某個算例的分析。從總體上說，真正把CFD技術(shù)與實(shí)際工程的暖通設(shè)計結(jié)合的案例還很少，真正掌握CFD技術(shù)的暖通設(shè)計人員數(shù)量有限，在我國暖通行業(yè)中開展CFD方面研究尚有大量工作要做。
