（2015工学-工业设计）用 cfd 方 法 指 导 通 风 空 调 设 计

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1、用CFD方法指导通风空调设计VENTILATIONANDAIRCONDITIONINGDESIGNINGWITHCFD　　摘要：本文给出了计算通风空调房间温度、速度分布所需的微分方程，湍流部分采用新的零方程模型，根据SIMPLE算法开发出计算通风空调房间风速、温度分布的软件STACH-3。在利用文献中的实验资料验证该软件的基础上，对一个置换通风的例子，利用该软件预测房间内的温度场、速度场，从而指导通风空调的工程设计。关键词：计算流体力学（CFD）数学模型室内空气分布　34　ABSTRACT　　Thetra

2、nsportationequationsnecessaryforthecalculationoftemperatureandvelocityventilatedorairconditionedroomarepresentedinthepaper.Thetubulenceismodeledbyanewzero-equation.Thesoftware,knownasSTACH-3,forthenumericalsimulationofindoorairdistributionisdevelopedwithS

3、IMPLEalgorithm.Withthesoftware,thedistributionsoftemperatureandvelocityofadisplacementventilationroomarepredicatedandtheflowpatternareevaluated,whichcanfavortheventilationandairconditioningdesign.KEYWORDS　　CFD,MathematicalModel,indoorairdistribution1引言　　3

4、4随着社会的发展，人类对居住建筑的要求越来越高，通风空调技术日新月异。早期的通风空调系统主要采用集总参数的方法进行设计，房间的空调效果也用平均参数来考察，因此往往出现房间的空调负荷很大、设备投资和运行费用很高的情况。同时，随着空调的日益普及，出现了很多"病态建筑"（SickBuildings），室内空气品质（IAQ：IndoorAirQuality）越来越引起人们的重视[1]。众所周知，通风空调的目的就是通过人工的方法，在有限的空间创造一种健康、舒适、安全、高效的空气环境，因此人们希望在规划设计阶段就能详

5、细了解由空调通风所形成的室内空气流速、温度、有害物浓度等的分布，从而制定出最佳的通风空调方案。　　由于建筑空间越来越向复杂化、多样化和大型化发展，传统的射流分析方法不能给出设计人员所需的详细资料；模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，难于在工程设计中广泛采用。　　随着计算机技术的发展，利用计算机求解室内气流控制方程组的数值预测方法有了很大的发展。由于计算流体动力学（CFD：ComputationalFluidDynamics）方法成本低、速度快、资料完备，故其

6、逐渐受到人们的青睐，CFD方法便越来越多地应用于暖通空调领域。　　本文将给出计算通风空调房间温度、风速所需的微分方程和湍流模型及相应的求解算法，并数值计算某置换通风房间的温度和速度分布说明CFD指导通风空调气流组织设计的优势。　　2控制方程　　34通风空调房间的空气流动一般为湍流，由于送风温差的存在，浮升力对流动有一定的影响。空气的流动满足连续性方程、动量议程和能量方程。　　空气流动的湍流特性一般采用适当的湍流模型描述。最简单的湍流模型为零方程模型，如混合长度模型等。目前在房间空气流动中最普遍采用的是k-

7、ε模型，它属于两方程模型。k-ε模型通过求解湍能k和湍能耗散率ε的输运方程得到湍流粘性系数（有关湍流模型的详细情况可参考有关书籍）。本文中所采用的STACH-3新版本具有k-ε模型和美国麻省理工学院ChenQ.等人提出的专用于模拟自然对流和混合对流的零方程模型。由于新的零方程模型对室内空气流动的数值模拟具有一定的精度[2][3]，而且它耗时少、收敛快，利于在一般空调工程师所能提供的微型机上使用，故本文采用该零方程模型作为湍流模型进行计算，下面会给出其与实验的验证。　　连续性方程、动量方程、能量方程的输运方

8、程都可以写成下列通用方程的形式：　　　　　　　　　　　　（1）　　其中，Φ代表通用变量u,υ,ω,h等，ρ，，，SΦ分别表示密度、速度矢量、扩散通量和源项。扩散通量由下式确定：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）　　其中表示通用变量Φ的有效交换系数。在直角坐标系下，Φ，和SΦ的值如表1所示。其中，u,υ,ω分别表示x,y,z三个方向的速度，h和p分别表示空气的焓和压力，gx、gy、gz分别表示x、y、z三个方向的重力加