计算流体动力学在建筑环境工程上的应用分析

张爱龙

摘 要：随着计算机技术及数值计算技术的快速发展，计算流体动力学技术发展迅速，并在工程建筑、航空航天、能源、石油化工等众多领域获得广泛应用。通过计算流体动力学技术应用，可以实现流体流动与换热模拟。在分析计算流体动力学的基础上，从建筑外环境分析设计、通风空调空间气流组织设计、建筑物与外环境传热计算、建筑设备性能研究等方面对计算流体动力学在建筑环境工程中的应用进行研究。关键字：计算流体动力学；CFD；建筑环境

中图分类号：TU71 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2013）-12-0194-01

一、计算流体动力学概述

计算流体动力学即Computational Fluid Dynamics ，简称为CFD，是伴随着计算机技术与数值计算技术发展而来的一种先进技术，可以实现对流體流动及换热模拟，在航空航天、能源、石油化工、建筑工程等众多领域内获得广泛应用。在建筑领域应用计算流体动力学技术，可以对小区建筑物是空气流动、室内通风、室内供热制冷设备布置、建筑物与外界环境换热等状况进行模拟与研究，从而提高建筑设计方案的科学性及合理性，打造宜居环境。

（一）计算流体动力学分析方法

计算流体动力学技术的应用，是在计算机基础上，对实际流体流动状况进行模拟仿真。其技术实现的基本原理为：通过数值求解控制流体流动微分方程，获得流体流动流场在区域范围内离散分布状况。计算流体动力学技术分析方法主要分为三个环节，分别为数学物理模型构建、数值算法求解与结果可视化。

1.数学物理模型构建。针对所需要研究的流动问题，通过构建数学物理模型进行描述与研究。在建筑环境领域，其流体流动问题主要是进行不可压流体粘性流体流动控制微分方程求解，为此，可以建立湍流模型并进行数值求解。如下公式为粘性流体流动控制微分方程：

在方程中，S代表源项，Γ代表扩散系数，p代表密度，其变量φ所代表的物理量不同，其方程含义不同。在应用该方程的基础上，可以进行建筑工程环境中温度、浓度、流场速度等物理量分布。

2.数值算法求解。考虑到粘性流体流动控制微分方程具有较强的非线性特征，只能应用数值方法进行求解。为此，应对求解区域进行离散处理，一般采取有限元、有限差分、有限容积等离散形式。在进行不可压流动与传热问题研究时所采取有限容积法进行离散。通过离散，可以获得代数方程并进行求解，获得流场离散分布。

3.结果可视化。单纯进行方程求解无法让一般工作人员进行理解，应用计算流体动力学技术将速度场、温度场等进行模拟描述，通过计算机图形，直观表达出模拟结果。在可视化处理后，可以将复杂数值以直观图像进行显示，便于非专业工作人员理解。当前，应用计算流体动力学技术，可以生成静态速度图、静态温度场图，并可以描绘出流场轨迹。

（二）计算流体动力学技术优势

在建筑环境工程中，其建筑群风环境预测、室内热环境、风环境、设备性能等均是通过试验方式来实现，如进行风洞试验等，其试验存在着一定缺陷，且试验周期较长。应用计算流体动力学技术进行计算机仿真模拟，其成本较低，速度较快，且模拟真实度较高，其模拟准确性有保障。应用计算流体动力学技术可以生成可视化结果，可以为建筑设计及优化发挥指导意义。

二、计算流体动力学在建筑环境工程中的应用

（一）建筑外环境分析设计。在建筑工程中，其外环境对建筑内居住者生活存在着很大影响，尤其是建筑设计较为密集的区域，其小区热环境问题与二次风问题逐渐受到人们的重视。应用计算流体动力学技术，可以对建筑外环境进行仿真模拟，为建筑设计提供依据，实现建筑风环境设计的合理性与科学性。在仿真模拟建筑外环境风流动分布状况的基础上，还可以对建筑内自然通风设计提出意见。按照模拟获得风速大小，进行住宅建筑风荷载承受值计算，有助于优化建筑结构设计。

（二）通风空调空间气流组织设计。通风空调空间气流组织是建筑环境设计的重要内容，其空调空间气流组织直接关系着通风空调效果，如空调空间气流组织质量较好，则室内空调温度及速度能够满足建筑环境设计的要求，反之，则不能实现其设计目标。为此，在进行建筑空调系统设计施工之前，应进行空调空间气流组织的设计与预测。在传统方法中，多是选择典型送回风方式的气流组织状况研究，其精度及应用范围难以满足设计要求。应用计算流体动力学技术，可以通过模拟仿真对建筑物内部空气气流分布及温度分布情况进行描述，可以实现对室内通风效果及空气质量的评价，指导通风空调空间气流组织设计工作。

（三）建筑物及外环境传热计算。在建筑工程中，其建筑围护结构所具备的热工性能会对室内热环境造成直接影响。如隔热保温性较差的围护结构其建筑室内热环境表现为冬冷夏热。为此，在工程施工中应综合分析室内与室外热交换等情况。通过应用计算流体动力学技术，结合数值传热学，可以对建筑流固耦合进行传热计算，根据研究结果，合理选择建筑围护材料，有效控制建筑室内热环境，实现节能目的。

（四）建筑设备性能研究。在建筑工程施工中，会应用到多种设备，如风机、空调等，其设备运行均是通过流体工质流动来实现，流体流动状况直接影响着设备性能，如流道设置良好，其流体流动阻力较小，可以降低设备噪音，节约能耗等。应用计算流体动力学，可以对设备内部流体流动状况进行模拟研究，在研究结果上分析设备性能，改进设备结构，实现设备应用的综合效益。

三、结语

计算流体动力学技术的应用可以实现流体流动与换热模拟，在航空航天、能源、石油化工、建筑工程等众多领域获得广泛应用。计算流体动力学技术分析主要分为数学物理模型构建、数值算法求解与结果可视化三个环节，在实际应用中展示出较大优势。从建筑外环境分析设计、通风空调空间气流组织设计、建筑物与外环境传热计算、建筑设备性能研究四个方面对建筑环境工程中计算流体动力学技术的应用进行了研究。实践证明，通过计算流体动力学技术的应用，可以有效提高建筑环境质量，实现建筑施工综合效益。

参考文献：

[1]李康吉. 建筑室内环境建模、控制与优化及能耗预测[D].浙江大学，2013.

[2]陈雪宇，黄晓家，谢水波，沃留杰，谭斌. 计算流体动力学（CFD）在建筑排水系统中的应用[J]. 给水排水，2009，11：204-208.

[3]邓保庆. 环境工程专业CFD课程教学的应用初探[J]. 中国科技信息，2010，07：201-202+211.

[4]徐扬. 建筑环境中风能利用的模拟研究[D].山东建筑大学，2012.