【BIM技术】CFD技术在暖通空调施工的应用探析

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CFD是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行“三传”(传热、传质、动量传递)及燃烧、多相流和化学反应研究的核心与重要技术,广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工、暖通空调及空气净化等诸多工程领域。随着经济发展、科技进步,CFD技术已成为现代建筑领域一个重要的研究课题。本文对CFD技术在暖通空调中的应用进行了阐述,介绍其使用方法和步骤,为设计人员在暖通设计中应用CFD技术提供参考。 


 一、CFD的应用范围 

  CFD能够分析与研究在各种复杂几何形状的空间(装置)内、外发生的下列工程问题: 

  (1)流体流动;(2)高温传热(导热、对流、辐射换热、流固偶合传热);(3)气-固、液-固、气-液、液-液等多相流(如均化库、增湿塔、气力输送等);(4)非牛顿流体流动(流变、如粉体、混凝土、膏状物等);(5)多孔介质流;(6)化工反应流;(7)煤粉燃烧、气态燃料燃烧、油雾燃烧、多种燃料混合及多氧化流燃烧(如燃烧器、分解炉、烘干炉等);(8)爆炸、爆燃和着火(如煤粉仓的爆炸与防治);(9)搅拌反应釜;(10)环保(气体、水污染的扩散与防治、脱硫、NOx等)。 

  CFD分析研究可以提供工程设计、生产管理、技术改造中所必需的参数,如流体阻力(阻力损失),流体与固体之间的传热量(散热损失等),气体、固体颗粒的停留时间,产品质量,燃烬程度,反应率,处理能力(产量)等综合参数以及各种现场可调节量(如风量、风温、组分等)对这些综合参数的影响规律性。还可以提供流动区域内精细的流场(速度矢量)、温度场、各种与反应进程有关的组分参数场,通过对这些场量的分析,发现现有装置或设计中存在的不足,为创新设计、改造设计提供依据。相当于是一个通用的、多功能的大型冷、热态试验场(数值试验)。 

  二、CFD技术在暖通空调领域的应用 

  1、CFD在暖通空调中的主要应用领域 

  CFD主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题: 

 (1)通风空调房间气流组织设计 

  借助CFD可以预测仿真通风空调空间的气流分布详细情况。气流数值分析能够考虑室内各种可能的内扰、边界条件和初始条件,因而它能全面地反映室内的气流分布情况,从而便于发现最优的气流分布方案,进而指导设计使其达到良好的通风空调效果。 

 (2)建筑外环境分析设计 

   建筑外环境对建筑内部居住者的生活有重要的影响,建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。采用CFD可以方便地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。而且,通过模拟建筑外环境的风流动情况,还可进一步指导建筑内的自然通风设计等[5]。 

(3)室内空气品质研究 

  利用CFD技术研究室内空气品质问题,主要是通过模拟得到室内各个位置的风速、温度、相对湿度、污染物浓度等参数,从而评价通风换气效率、热舒适和污染物排除效率等。 

(4)建筑设备性能的研究改进 

  暖通空调工程的许多设备,如风机、蓄冰槽、空调器等,都是通过流体工质而工作的,流动情况对设备性能有着重要的影响。通过CFD模拟计算设备内部的流体流动情况,可以研究设备性能,从而改进其工作,降低建筑能耗,节省运行费用。 

   2、暖通空调领域中CFD的求解过程 

   暖通空调领域用CFD进行模拟仿真,其主要环节无外乎包括以下几个方面:建立数学物理模型、进行气流数值求解、将数值解结果可视化等。CFD求解流程如图1所示。 

 (1)建立数学物理模型 

  建立数学模型是对所研究的流动问题进行数学描述,为数值求解做准备工作。基本数学模型有: 

  A、质量守恒方程 

  B、动量守恒方程 

  C、能量守恒方程 

  ρ――流体密度,kg/m3; 

  t――时间,s; 

  ――速度矢量,m/s; 

  ui――速度在i方向上的分量,m/s; 

  p――压强,pa; 

  Fi――体积力,N; 

  T――温度,K; 

  cp――定压比热; 

  ST――粘性耗散项。 

  对于湍流流动,还要补充反映湍流特性的其他方程。 

 (2)进行气流数值求解 

   A、确定边界条件与初始条件 

  初始条件和边界条件是控制方程有确定解的前提。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。对于瞬态问题必须给定初始条件,对于稳态问题不需要初始条件。边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律。 

  B、划分计算网格 

  网格分结构网格和非结构网格。简单说,结构网格在空间上比较规范,如对一个四边形区域,结构网格多是成行成列分布的,而非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线。目前各种CFD软件都有专门的网格生成工具。 

(3)结果可视化 

  通过计算机数值求解得到的结果是节点上的数值,因而视觉效果上不具备可观性,难以被一般工程人员或其它相关人员所认识和接受,所以必须借助相关软件将模拟结果可视化,CFD的后处理可以静态显示速度、温度、浓度场图片,也可以动态的显示流体流动的流线和迹线。 

  我国大概在20世纪80年代开始研究CFD在暖通领域的应用。我国现有成果大部分属于运用专用软件进行某个算例的分析。从总体上说,真正把CFD技术与实际工程的暖通设计结合的案例还很少,真正掌握CFD技术的暖通设计人员数量有限,在我国暖通行业中开展CFD方面研究尚有大量工作要做。

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本文作者2017-8-16 08:00
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