广州庆力宾馆空调设计文献综述

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文献综述广州庆力宾馆空调设计专业：建筑环境和设备工程一、前言部分CFD是计算流体力学（ComputationalFluidDynamics）的英文简称，通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD主要包含3个主要环节：建立物理数学模型、数值算法求解和结果可视化。在暖通空调领域，美、日等国已经进入工程使用化阶段。CFD具有模拟设备简单、投资低、计算速度决、计算空间不受限制、完整的资料获取、并且可以模拟各种工况。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。二、主题部分1CFD的发展史1933年，英国人Thom首次数值求解了二维粘性流体偏微风方程，标志着CFD的诞生。1974年，丹麦的P.V.Nielsen利用流函数和涡旋公式求解封闭二维流动方程，采用AB流体湍流模型模拟室内空气流动情况，首次将CFD技术应用于空调工程。在随后的10年，各国都投入对这一技术的研究，并取得了一些成果【1】。美国比较早使用CFD技术的国家之一，1986年，美国国家标准协会对世界范围内用CFD模拟室内空气流动的发展情况进行了总结，并成立了专门机构对室内空气流动的研究。20世纪70年代初，CFD在国内空调界可谓是“阳春白雪”。到1994年，才有比较完整的运用CFD的方法模拟，在国内暖通空调领域中CFD仍然是一门新技术。后来，同济大学谭良才博士采用CFD技术和模拟实验结合的方法研究高大空间恒温空调气流组织设计，提出室内的温度场和速度场同时受到冷射流和热源的影响，不能用单纯的射流理论进行精度较高的恒温空调系统设计。而现在，无论是国内还是国外，CFD都得到了广泛的应用。尽管CFD技术还存在一些不足，作为一项新技术，CFD必然随着科技的发展而不断趋于成熟，将在工程问题的分析、技术改造的评价、生产管理的指导等方面得到更多的应用。2在暖通空调领域的应用 2.1CFD在暖通空调中主要应用领域用CFD进行模拟仿真，其主要环节包括建立数学物理模型、进行气流数值求解、将数值解结果可视化等。可以解决一些暖通空调方面的问题（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。（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2.2CFD在制冷低温流场方面的应用为了实现人们对室内环境（温湿度、气流、污染物浓度等指标)的要求，必须运用空调合理设计系统以及设备选型，在传统的室内气流组织中，往往采用经验和实验及简单的理论分析来完成设计工作，这样会产生一些误差，而CAD软件的运用可以很好的解决这一问题例子：春兰集团陶建兴【3】等人用STAR-CD对使用某型号四面出风式壁挂空调器的房间的温度场进行了分析，并与传统出风壁挂空调器流场作对比。发现在人体所处区域，风速小于人敏感的0.5m/s ，可以保证房间温度控制的精确性。还发现通过STAR-CD模拟房间温度场，结果直观。董玉平【9】等利用FLUENT公司推出的AIRPAK2.1对天津国际展览中心扩建工程B展厅高大空间建筑空调方案进行了模拟研究，预测其空调系统的热舒适性与气流组织，得出展厅基本能满足人体舒适性要求，气流组织设计合理。通过例子CFD模拟预测方法是有效的，同时也表明，CFD在流场中也得到广泛运用。CFD在食品冷藏方面也得到广泛应用。Mita和Mallikarjunan模拟了肉制品的冻结过程。Moureh和Derenss对在冷链配送过程中采用托盘包装的冻结食品的升温状况进行模拟研究，冷冻冷藏装置置中气流组织的合理性对冷藏冷冻食品的品质保证起着关键的作用。在冷冻装置制造前，用CFD技术对其流场分布进行模拟，从而提高装置效率。2.3CFD在冰箱流场优化设计中的应用流场的优化是冰箱设计中的重要问题，因为食品的保鲜质量直接取决于箱内空气流场和温度分布，而冰箱耗电量则与箱内温度场密切相关。流场的具体信息既不能由代数方程计算得到，而通过实验测得工作量又太大，并且实验中需布置的传感器又会在一定程度上破坏流场。这使得CFD方法得广泛应用。凌长明和陶文锉【2】针对冰箱从启动到周期性非稳态运行这一非稳态自然对流进行了二维数值模拟，丁国良【4,5】使用有限元程序，对冰箱内部的二维稳态空气流场进行了模拟，研究了冰箱热负荷，内部隔板与蒸发器之间的间距、内部隔板的导热系数对箱内温度分部与流场的影响。其中杨沫【11】对冰箱内的流动和换热建立了物理和数学模型，并对冰箱功能室内流动与换热模型进行了假设，采用控制容积积分法对微风方程组进行了离散，计算结果与实验室结果吻合较好。2.4CFD在制冷其他方面的应用CFD在制冷领域其他方面也有较广泛的应用。ZeHua-HuDa-Wen-Sunl16【6】用CFD方法分析了吹风冷却熟火腿过程中的传热、传质情况，从而达到预测冷却速率及干耗情况的目的，模拟结果与实测值有较好的一致性。张桂先【7】等对建筑物双层换气幕墙的传热特性进行了全面的分析，运用CFD紊流新k-ε模型对双层换气幕墙热通道的温度场、速度场、压力场进行了模拟计算，最终得出热通道空气层的对流换热系数和双层换气幕墙的整体传热系数。总之，随着计算机技术和流体力学理论的不断发展，CFD将在更多方面得到广泛使用。2.5居住区风环境分析中的CFD技术应用 对于建筑物周围的风环境特性研究，目前存在着3种方法，分别是现场观测法、风洞实验法、计算机模拟法。对于计算机模拟法，流体流动的数值模拟即在计算机上离散求解空气流动遵循的流体动力学方程组，并将结果用计算机图形学技术形象直观地表示出来，这样的数值模拟技术就是所谓CFD技术【12】。该技术从1974年以后大量应用于制造业领域。但近年来研究者将CFD技术应用于建筑环境的模拟研究工作，到目前为止虽然还没有得到深入和普及的应用，但已经取得了很大的发展。采用CFD软件对CFD技术进行分析。它可以精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象，并且可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品传热、污染和舒适度等问题，并依照ISO7730标准提供舒适PMV、PPD等衡量室内空气质量(IAQ)的技术指标。确立合理的边界，让模拟实验接近真实情况，进行网格划分。网格生成质量对计算精度与稳定性影响极大，网格生成能力的强弱也是衡量CFD通用软件性能的一个重要因素[10]。本研究在利用Air-Pak进行模拟时，采用非结构化网格技术进行网格划分，从而提高计算精度3暖通空调领域中CFD的求解过程3.1建立物理数学模型（1）质量守恒方程　　（2）动量守恒方程　　（3）能量守恒方程3.2进行气流数值求解（1）确定边界条件和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（2）划分计算网络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）建立离散方程并求解 离散方程常用的方法有：有限容积法、有限差分法和有限元法等。选择合适的方法，对求解区域进行离散。3.3结果可视化针对高大空间空调气流组织设计的问题，目前暖通界的主要研究手段是用CFD技术进行气流数值分析与模型实验相，结合。由于气流数值分析能够考虑室内的各种可能的内扰、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组织方案；模拟实验则主要用来对重要的数据进行验证，或者进行必要的修正。因此，气流数值分析和模型实验的结合是一种较好的气流组织设计方法。4置换通风问题置换通风存在的问题，一方面在于人体周围的上升气流将低区的空气带入呼吸区，污染物被同时带至工作区，而降低工作区空气的洁净度。另一方面，由于在地板附近送风，当空气温度较低，风速相对较高时，可能产生因吹风而引起的局部不适感。采用CFD方法建立合适的数学模型，研究置换通风，可以克服实验研究中出现的运行费用高、实验条件受限等缺陷，已成为国内外研究置换通风的新方法。利用CFD方法，对某置换通风系统的温度场、速度场进行了模拟分析，得出了与试验实测值相吻合的模拟结果。人体热舒适指的是人对热环境表示满意的意识状态，它通过研究人体对热环境的主观热反映，得到人体热舒适的环境参数组合的最佳范围和允许范围，以及实现这一条件的控制、调节方法。影响人体热舒适的环境参数有四个：空气温度、气流速度、空气的相对湿度和平均辐射温度；人的自身参数有两个：衣服热阻和劳动强度。国际上，采用CFD研究人体热舒适的有：日本的ShuzoMurakami等人采用CFD技术进行数值模拟，利用暖体假人做试验验证模拟结果，以研究“不同气流组织”下人体周围的流场和温度场；日本的FlaktK.K在CFD程序中加入了PMV等热舒适性指标的计算模式，并利用热辐射、温度、风速等空间分布对空间的热舒适性作预测。在国内，姚润明等将人体热舒适的评价指标PMV/PPD模型与建筑动态热模拟及计算流体动力学模拟相结合，对通风房间进行了室内气候及热舒适性的模拟与分析，取得了好的效果。5对室内空气品质的研究目前， 对室内空气品质的评价采用主观方式、客观方式或对主、客观相结合的方式。客观评价的依据，是人们受到的影响与各种污染物浓度、种类、作用时间的关系，它利用了空气龄、换气效率、通风效能系数等概念和方法；主观评价则是通过对室内人员的问询获得，即利用人体的感官器官对环境进行描述和评价。室内空气品质的研究主要运用CFD技术，通过求解偏微方程得到室内各个点的风速、温度、相对湿度、污染物浓度、空气龄等参数，从而评价通风换气效率、热舒适和污染物排除效率等。三、总结本文例举了CFD在一些领域中的应用，在最近20年中，CFD得到了飞速的发展,除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外,还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制,例如由于问题的复杂性,既无法作分析解,也因费用昂贵而无力进行实验确定,CFD的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD软件可以拓宽实验研究的范围,减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验,CFD软件一般都能推出多种优化的物理模型,如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点,都有适合它的数值解法,在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。随着科技的发展，CFD必会在建筑领域成为一个重要的研究课。四、参考文献【1】谢华刘中平.通风、空调设计中的CFD技术[J].房材与应用,2004，32（1）：34-36.【2】凌长明，陶文锉.冰箱内非稳态自然对流的二维数值模拟.西安交通大学学报，1982,29(10):35~41【3】陶建兴，杨亚东，孙庆宽.CFD仿真技术在空调房间温度场研究中的应用暖通空调，2002,32（2）:95~98【4】丁国良，OellrichLR.冰箱箱内空气温度场和流场的优化研究.制冷学报，1998,(1):22~27【5】丁国良，OellrichLR.冰箱中空气流场和温度场的有限元模拟.上海交通大学学报，1998,32(7):18~22 【6】Zehua-Hu,Da-Wen-Sun.CFDsimulationofheatandmoisturetransferforpredictingcoolingrateandweightlossofcookedhamduringair-blastchillingprocess.JournalofFoodEngineering,2000,46(3):189~197【7】张桂先，陈立东，丁鸥.CFD流体模型在双层换气幕墙传热分析中的应用.工程建设与设计，2003,(9):4~7【8】刘尚培，项海帆，谢霁明.风对结构的作用[M].上海：同济大学出版社，1992【9】董玉平，由世俊，等高大空间建筑空调气流CFD模拟研究河北建筑科技学院学报，2003,20(3):23~27【10】BoulardT，HaxaireRLamraniMA，etal．Characterizationandmodelingofthefluxesinducedbynaturalventilationinagreenhouse[J]．JournalofAgriculturalEngineeringResearch，1999，74：135-144.【11】沫.封闭腔内孤立物体的自然对流换热.西安:西安交通大学，1991【12】尚培，项海帆，谢霁明.风对结构的作用[M].上海同济大学出版社，1992.