廖海防

摘 要：隨著現(xiàn)階段我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在科技發(fā)展上逐漸形成了電子信息群體、生物群體、空間群體、海洋群體、新材料群體、新能源群體等高科技群體，并且其也逐漸成為社會(huì)發(fā)展的新動(dòng)力。并且在現(xiàn)階段的發(fā)展水平下，利用科學(xué)技術(shù)改變傳統(tǒng)模式已經(jīng)成為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然方向。CFD技術(shù)則是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算技術(shù)結(jié)合的新技術(shù)。CFD技術(shù)是一種虛擬的手段來利用計(jì)算機(jī)作為載體，加以一定的數(shù)據(jù)以期來計(jì)算出實(shí)際的流體流動(dòng)情況。而其就是使用數(shù)值求解來對微分方程進(jìn)行解答，來計(jì)算出在離散區(qū)域上，流體流動(dòng)的實(shí)際分布，從而得出其余實(shí)際比較相近的情況。所以在CFD是現(xiàn)階段所有的模仿計(jì)算中比較能夠貼近實(shí)際的一種，所以CFD技術(shù)也成為了建筑師對問題進(jìn)行分析和解決的重要工具，空調(diào)工程師也對其使用也越來越多。在文章中，將對CFD在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的使用進(jìn)行展開和簡單的討論，并且通過其使用辦法和步驟，來給工作人員提供一個(gè)重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：CFD技術(shù) 應(yīng)用范圍 暖通空調(diào)

中圖分類號：TM925.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（a）-0004-02

CFD的模擬設(shè)備使用簡單、投資小、計(jì)算速度快、并且計(jì)算空間不受限制，并且可以依據(jù)各種情況進(jìn)行計(jì)算。這是其他的算法所不具備的。而且隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，CFD技術(shù)已經(jīng)成為了一種重要的計(jì)算方法沒并且在建筑領(lǐng)域中越來越多的被應(yīng)用。

1 CFD介紹

CFD就是計(jì)算流力動(dòng)力學(xué)（Computaional Fluid Dynamics）的縮寫，即通過計(jì)算機(jī)的計(jì)算和圖像顯示功能，將含有流體流動(dòng)數(shù)據(jù)和熱傳導(dǎo)等數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的分析。CDF可以視為一種流體的方程式來對流動(dòng)的數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算和控制分析。并進(jìn)行熱傳導(dǎo)、熱傳遞、動(dòng)量傳遞以及燃燒等化學(xué)反應(yīng)研究的重要技術(shù)。

在世界上，不斷有人對CFD技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用和發(fā)展，早在1933年thom就利用數(shù)值法來對偏微分方程進(jìn)行解決，這也是CFD技術(shù)正是的在方程式中得以體現(xiàn)，而1974年P(guān).V.Nielsen也將CFD技術(shù)應(yīng)用到期計(jì)算領(lǐng)域中，并且對空氣流動(dòng)情況進(jìn)行一個(gè)全面詳細(xì)的解答。在隨后的不斷發(fā)展中，世界各個(gè)國家都為了節(jié)約能源和提高生產(chǎn)力水平，對其投入了大量的資源和時(shí)間來對CFD技術(shù)進(jìn)行研究。并且經(jīng)過了10年的不斷研究，取得了一定的成果，并且其在暖通空調(diào)領(lǐng)域的研究和使用也是大量的進(jìn)行?，F(xiàn)階段CFD技術(shù)已經(jīng)成為空調(diào)設(shè)計(jì)和建造師解決實(shí)際的工程問題的重要手段，并且提供了大量的技術(shù)參考。

在全世界中，CFD的技術(shù)使用是從美國開始的。在1986年美國就已經(jīng)對CFD模擬室內(nèi)空氣流動(dòng)的發(fā)展研究成果進(jìn)行了一定的分析和整理，并且成立了相關(guān)的部門來對室內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行研究。1989年美國的ASHARE成立了專門機(jī)構(gòu)以研究CFD方法預(yù)測室內(nèi)空氣流動(dòng)，并且完整的對CFD在空氣流動(dòng)的方法進(jìn)行了一個(gè)闡述。日本也是一個(gè)在CFD使用技術(shù)上比較成功的國家，其最開始將CFD應(yīng)用到室內(nèi)空氣流動(dòng)問題上是20世紀(jì)70年代。

2 CFD應(yīng)用范圍

在應(yīng)用范圍上，CFD能夠在各種復(fù)雜的幾何空間內(nèi)來對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且能夠?qū)α鲃?dòng)液體問題；高溫傳熱問題；氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)轉(zhuǎn)換問題；非牛頓流體流動(dòng)（如流變、粉塵、混凝土）問題；多孔質(zhì)介質(zhì)問題；化工反應(yīng)流問題；粉煤、氣態(tài)燃料、油霧、混合燃料及氧化流燃燒等問題；爆炸、燃爆、著火等問題；攪拌反應(yīng)釜問題；環(huán)保等問題提供一定的數(shù)據(jù)依據(jù)。而CFD的研究數(shù)據(jù)則可以為其在工程設(shè)計(jì)上、生產(chǎn)管理和技術(shù)改造上提供一定的數(shù)據(jù)參考。例如在流體的阻力上。流體與固體之間的熱傳遞，固體、氣體狀態(tài)的停留時(shí)間，產(chǎn)品質(zhì)量，反應(yīng)速率，處理能力等綜合指標(biāo)來對現(xiàn)場的各種情況進(jìn)行一個(gè)針對性有效的調(diào)節(jié)，并且以此拉對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一定的定性和定位。并且通過對于這一部分的數(shù)據(jù)分析來對現(xiàn)場的裝置和設(shè)計(jì)中的不足進(jìn)行技術(shù)的更正和提升，以能更好的完成施工目標(biāo)。所以CFD在一定的程度上是一種多功能、通用型的大型試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。

3 暖通空調(diào)領(lǐng)域中CFD技術(shù)的使用

3.1 CFD在暖通空調(diào)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

（1）通風(fēng)空調(diào)房間的設(shè)計(jì)。利用CFD技術(shù)的能力，可以將整個(gè)房間的氣流分布進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的預(yù)測，并且能夠起到一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。這種氣流數(shù)據(jù)分析能夠?qū)⑹覂?nèi)的各種情況參考進(jìn)去，并且能夠結(jié)合內(nèi)擾條件、邊界條件以及初始條件，進(jìn)而全面系統(tǒng)的對室內(nèi)氣流的分布情況進(jìn)行泛紅，從而得出最優(yōu)的整體設(shè)計(jì)方案，以使其在施工完成后能夠有一個(gè)良好的通風(fēng)效果。

（2）建筑外環(huán)境設(shè)計(jì)。在我們的居住環(huán)境中，建筑外部與建筑內(nèi)部的環(huán)境同樣重要。這就使在建筑設(shè)計(jì)中對于小區(qū)的二次送風(fēng)、小區(qū)的熱環(huán)境等問題也逐漸被人們重視起來。而利用CFD的計(jì)算模式可以便捷的將整個(gè)建筑的外環(huán)境進(jìn)行一個(gè)分析模擬，從而得出最好的建筑效果和空氣效果。并且能夠通過對外環(huán)境的流動(dòng)情況來對建筑內(nèi)部的通風(fēng)進(jìn)行一個(gè)設(shè)計(jì)因素。

（3）室內(nèi)空氣品質(zhì)。利用CFD的研究技術(shù)可以達(dá)到對于室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行一定的鑒定。通過對室內(nèi)的整體設(shè)計(jì)、相對溫度、相對濕度和污染物濃度等參數(shù)進(jìn)行一個(gè)綜合的分析，從而得出通風(fēng)的效率舒適度和排污效果的整體數(shù)值。

（4）改進(jìn)建筑設(shè)備性能。在現(xiàn)階段暖通工程的施工中，大部分的施工器械如風(fēng)機(jī)、蓄水槽、空調(diào)等都是通過流體工藝制作的，由于流動(dòng)情況對于設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效果有著非常大的影響。利用CFD模擬算法則可以對設(shè)備內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行一個(gè)準(zhǔn)確的計(jì)算，從而來對器械進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，以提升其工作效率。

3.2 CFD在暖通空調(diào)中的求解過程

將CFD在暖通空調(diào)領(lǐng)域中，整個(gè)計(jì)算過程中都是如下的幾個(gè)順序：建立數(shù)學(xué)模型、進(jìn)行氣流數(shù)值計(jì)算、結(jié)果可視化等步驟。

（1）建立數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型就是指很對所要研究的問題將其各種條件進(jìn)行一個(gè)數(shù)理分析，建立一個(gè)合理的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行計(jì)算，以為數(shù)值求解做出一定的準(zhǔn)備工作。

（2）氣流數(shù)值求解。在進(jìn)行氣流數(shù)值求解前，首先要將邊界條件和初始條件進(jìn)行一個(gè)明確，由于二者是控制方程存在合理解的前提。初始條件是指對于研究對象在開始的情況下各個(gè)求解變量的空間分布情況。而對于瞬間狀態(tài)的問題是必須給定初始條件的，而對于穩(wěn)定的環(huán)境問題則不需要給定初始條件。而邊界條件則是指對于求解問題的邊界上所存在的變量和導(dǎo)數(shù)的隨機(jī)性的變化規(guī)律。其次是要進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格的劃分。利用網(wǎng)格劃分和非網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)。由于網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)在空間上比較規(guī)范，而且對于一個(gè)時(shí)變性的區(qū)域可以簡單的對其進(jìn)行分類分析，現(xiàn)階段的大部分CFD計(jì)算軟件都有專門的網(wǎng)格生成功能。在最后建立一個(gè)離散方程，并且對其求解。選擇一種合適的方法來對求解的區(qū)域進(jìn)行離散化。

（3）結(jié)果可視化。結(jié)果可視化是指在進(jìn)行方程求解之后因?yàn)槠溆?jì)算的結(jié)果是單純的數(shù)據(jù)結(jié)果，不存在一定的可視性，并且不直觀，很難被除了工程人員和計(jì)算人員所熟悉，所以就要利用相關(guān)的軟件來講計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行可視化處理，CFD軟件的后期結(jié)果可以顯示出溫度、速度、濃度等相關(guān)的圖片，也可以以一種動(dòng)態(tài)的流動(dòng)線條或者圖形來進(jìn)行表現(xiàn)。

綜上所述，在現(xiàn)階段CFD已經(jīng)在暖通空調(diào)領(lǐng)域上進(jìn)行應(yīng)用，但是在全世界范圍內(nèi)，日本和歐洲等國家的相關(guān)技術(shù)走在世界的前列，并且現(xiàn)階段的日本已經(jīng)將CFD技術(shù)全面的應(yīng)用到暖通行業(yè)的實(shí)用當(dāng)中，并且國外CFD不僅基礎(chǔ)成果豐富，而且其軟件業(yè)比較成熟。我國從20世紀(jì)80年代開始將CFD與暖通領(lǐng)域進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)某晒蛯?shí)際應(yīng)用。但是從全面上來說，要將其全面的加入到暖通工程領(lǐng)域中還需要很長的一段時(shí)間發(fā)展，所以我們要大力發(fā)展我們的科技水平以使其在暖通領(lǐng)域做出更大的貢獻(xiàn)。

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