CFD技术

CFD就是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，这其中将涉及流体力学(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，CFD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10m/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。从此角度而言，此应用范围内的CFD和数值传热学NHT(Numerical Heat Transfer)等同。另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，这又给解决实际问题带来很大的困难。由于湍流现象至今没有完全得到解决，目前HVAC内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。总体而言，CFD通常包含如下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。

CFD的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用CFD方法有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进行各种试验，从而进行，例如，选择不同流动参数进行各种数值试验，例如，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较。再者，它不受物理模型和实验模型的限制，省时省钱，有较多的灵活性，能给出详细和完整资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。CFD也存在一定的局限性，首先，数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、适合于在计算机上进行计算的离散的优先数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差；第二，它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性的描述，往往需要由原体观测或物理模型实验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证；第三，程序的编制及材料的收集、整理与正确利用，在很大程度上依赖于经验和技巧。此外，因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪唯物理效应。当然，某些缺点或局限性可通过某种方式克服或弥补。^[1]

一般而言，CFD通常包括以下几个主要步骤：建立数学物理模型(前处理)、数值算法求解、结果可视化(后处理)。

CFD在暖通空调专业中的应用十分广泛，范围主要有：

(1)自然通风的数值模拟：主要借助各种流动模型研究自然通风问题。

(2)置换通风的数值模拟：如地板置换通风、座椅送风等。

(3)高大空间的数值模拟：以体育场馆为代表的高大空间的气流组织设计及其与空调负荷的关系研究。

(4)洁净室的数值模拟：对形式比较固定的洁净室空调气流组织形式进行数值模拟，指导工程设计。

(5)有害物散发的数值模拟：借助CFD研究室内有机散发污染物在室内的分布，研究室内IAQ问题。

(6)室外空气流动的大涡模拟：建筑外环境对建筑内部居住者的生活有着重要的影响，所谓的建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到关注。采用CFD可以方便对建筑外环境进行模拟分析，从而设计出合理的建筑风环境。

(7)设备研究：如风机风管设计，冰箱，空调等。图4．7使用CFD模拟出来的建筑通风情况。