cfd简介及其应用研究

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1、CFD简介及其应用研究师奇威贾代勇贡建伟(解放军理工大学工程兵工程学院)摘要本文综述了计算流体力学的基本概况，及其它在暖通空调中的应用，概括了计算流体力学的研究成果并对今后的发展做出了展望。关键词计算流体力学暖通空调模型空气品质置换通风0引言自然界存在着大量复杂的流动现象，随着人类认识的深入，就不断地利用流动规律改造自然界，最典型的例子是人类利用空气对运动中的机翼产生升力的机理发明了飞机，航空技术的发展推动了流体力学的迅猛发展。流体运动的规律由一组控制方程描述。计算机没有发明前，流体力学家们在对方程经过大量简化后能够得到一些线形问题解析解，但实际的流动问题大都是复杂

2、的非线形问题，无法求得精确的解析解。计算机的出现以及计算技术的迅速发展使人们直接求解控制方程组的梦想逐步得到实现，从而催生了计算流体力学这门交叉学科。计算流体力学的用途非常广泛，大到飞机、火箭、船舶、建筑物、汽车等的外部流场和化学反应器、发动机锅炉等内部反应、燃烧、传热传质过程的仿真模拟，小到喷墨打印机喷墨、人体血管血液流动过程的仿真模拟，国际上流传一句经典的话，叫做“只要是流态，我们就可能对它进行分析”。1计算流体力学概况CFD是英文ComputationalFluidDynamiCS(计算流体动力学)的简称，它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。它是

3、一门用数值计算方法直接求解流动主控方程(Euler或Nayier—Stokes方程)以发现各种流动现象规律的学科，即在工程设计中，首先建立数学模型，然后从计算实验中获得数据。它综合了计算数学、计算机科学、流体力学(尤其是湍流力学)、科学可视化等多种学科。广义的CFD包括计算水动力学、计算空气动力学、计算燃烧学、计算传热学、计算化学反应流动，甚至数值天气预报也可列入其中。简单地说，CFB相当于”虚拟”地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。其基本原理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，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布从而近似模拟流体流

4、动情况。CFD也是一种现代模拟仿真技术。CFB方法可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测，从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。在暖通空调工程中的应用主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动情况，以预测室内空气分布为例，目前在暖通空调工程中采用的方法主要有四种：射流公式，Zonalmodel，CFD以及模型实验。CFD具有成本低、周期短、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐。由表(一)给出的四种室内空气分布预测方法的对比可见，就目前的三种理论预测室内空气分布的方法而言，CFD方法确

5、实具有不可比拟的优点，且由于当前计算机技术的发展，CFD方法的计算周期和成本完全可以为工程应用所接受。进一步而言，对于室外空气流动以及其它设备内的流体流动的模拟预测，一般只有模型实验或CFD方法适用。表中的比较同样表明了CFD方法比模型实验的优越性，因此，CFD方法可作为解决暖通空调工程的流动和传热传质问题的强有力工具而推广应用。表1四种暖通空调房间空气分布的预测方法比较比较项目时流公式拓ONALMODELCFD模型实验房间形状复杂程度简单妞复杂基本不限对经验参数的依赖几乎完全很依赖一些不依赖预测成本最低较低较昂贵最高预测周期最短较短较长最长结果的完备性简略最详细较

6、详细结果的可靠性差较好最好机械通风，且与机械和自然通风，机械和机械和自然适用性实际射流条件有关一定条件自然通风，通风2CFD通常包含如下几个主要环节(1)建立数学物理模型(2)数值算法求解(3)结果可视化以上过程如图1所示：图1CFD主要环节图2852．1建立数学物理模型建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述，对于暖通空调工程领域的流动问题而言，通常是不可压缩粘性流体流动的控制微分方程。由于暖通空调领域的流体流动基本为湍流流动，所以要结合湍流模型才能构成对所关心问题的完整描述，便于数值求解。如(1)式为粘性流体流动的通用控制微分方程，随变量①的不同(如①代

7、表速度、焓以及湍流参数等物理量)时，(1)式分别代表流体流动的动量守恒方程、能量守恒方程以及湍流动能和湍流动能耗散率方程。基于该方程，即可求解工程中关心的流场速度、温度、浓度等物理量分布。a．云(肿)+diu(puO—FogradO)=So(1)Dl其中，p为密度，U为速度矢量，ro为。的有效交换系数，Sm为源项。2．2数值算法求解上述的各微分方程相互耦合，有较强的非线性特征，目前只能利用数值方法进行求解，这就需要对实际问题的求解区域进行离散。数值方法中常用的离散形式有：有限容积，有限差分，有限元，目前这三种方法在暖通空调工程领域的CFD技术中均有应用。总体而言