CFD介绍及其在建筑通风中的应用

■尹中伟，何 磊

■1.河南省驻马店市大地装饰设计工程有限公司，河南 驻马店 463000;2.中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249

建筑通风即是用自然或机械的方法向某个建筑空间通入室外的空气，或向外排出空气的过程。建筑通风希望增大室内空气流通速度，减少室内空气中细菌的滋生，加大空气中氧气的比例，让居民的健康呼吸更有保障。因此，人们进行建筑通风的研究，优化建筑的结构。建筑通风的主要研究方法有实验方法和数值模拟方法。实验方法较准确，但是时间长，且花费大量人力、物力、财力。随着数值模拟的不断发展，在建筑通风的研究中CFD得到了越来越多的应用，相比试验方法，CFD方法节约时间、成本低、能模拟较复杂或较理想的过程等，在建筑通风的设计中得到了良好的应用。

1CFD简介

CFD即英文Computational Fluid Dynamics(计算流体动力学)的简称。CFD研究计算的基本定律是:动量守恒定律、能量守恒定律和质量守恒定律，把连续的计算域离散成许多个子区域(体积单元)，运用计算机在每个子区域上对控制方程组进行数值求解，从而分析整个计算域上流体的流动、传热和传质。简要地说，CFD相当于“虚拟”地在计算机上进行实验，从而模拟真实的流体流动。随着CFD计算方法和物理模型的不断改进和完善，以及计算机运算能力的不断增强，许多成熟的商业化CFD软件在不同行业得到了广泛的应用。

2 CFD常用软件

自1981年英国CHAM公司首先推出求解流动与传热问题的PHOENICS软件以来，国际软件产业迅速形成了通称为CFD软件的产业市场。下面着重介绍国内科研院所和高校引进的5种软件。

(1)PHOENICS。1981年即投放市场，可以说是CFD/NHT商用软件的鼻祖，对以后开发的商用软件有着比较大的影响。

(2)FLUENT。是继PHOENICS软件后投放市场的第二个基于有限容积法的软件，采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，可以计算不可压缩与可压缩流动、定常与非定常流动、燃烧过程、含有粒子/液滴的蒸发、多组份介质的化学反应过程等。

(3)FIDAP。是世界上首先使用有限元方法的CFD软件。可以计算层流与湍流、单相与两相流、可压缩及不可压缩流、凝固与熔化、牛顿流体及非牛顿流体的流动问题等。

(4)CFX。是第一个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业化软件。可计算多相流、不可压缩及可压缩流动、耦合传热问题、粒子运输过程、化学反应、气体燃烧、热辐射等。

(5)STAR－CD。是全球第一个采用完全非结构化网格生成技术和有限体积方法来研究工业领域中复杂流动的流体分析商用软件包。可以计算牛顿流体及非牛顿流体的流动、稳态与非稳态流动、亚音速及超音速流动、多孔介质中的流动、换热等问题。

在建筑通风领域应用较多的是Phoenics和FIuent。Phoenics软件与外界建模软件接口方面比较强，可以借助于CAD、3DmAX的工具建立模拟对象的空间模型，然后通过Phoenics的输入接口导入分析域中。针对建筑通风特点，F1uent软件公司了推出了Airpak软件，在保证计算结论可靠性的基础上大大改善了FIuent软件的易用性。

3 CFD在建筑通风中的应用

目前，国内外建筑通风的CFD研究开展了大量工作，涉及通风设计的主要有以下几个方面:

3.1 在建筑自然通风中的应用

空气压差的作用产生空气流动，这就形成了风。如果建筑物的开口(门或窗)处存在空气压差，就会形成自然通风。一般地，在单位时间内，从窗口进入室内的气流越多，室内的通风效果相应地就越好。

Nikas等［1］对建筑自然通风进行了数值模拟研究，研究表明:室内的自然通风情况除了和建筑开口的几何现状有关外，风速的方向和大小也是一个很重要的影响因素。Calautit J K等［2］根据按比例缩小的风洞试验和CFD分析探讨自然通风条件下某风塔的通风性能，风洞试验结果和CFD模拟吻合很好。

孙迎龙等［3］对光伏连栋玻璃温室自然通风的条件下进行了室内温度场三维CFD模拟和试验，发现室内温度场模拟和试验结果吻合，验证了模型的可行性。余元波等［4］采用CFD模拟了不同通风腔顶部和下部开口尺寸及窗户开启角度、尺寸等参数下，通风腔开口和外窗自然通风流量系数、外窗进风温度所受影响。

3.2 在建筑机械通风中的应用

机械通风的可靠性高、降温效果好、可控性强，在环境要求比较苛刻的建筑得到了广泛的应用。Harral等［5］采用修正的k－ε模型对无牲畜强制通风的畜舍流场进行了计算，结果表明该模型与实际情况符合较好;张天柱等［6］用简化的CFD模型对高密度迭层笼养蛋鸡舍流场进行了数值模拟，给出了相应的鸡舍内流场的分布。张忠杰等［7］运用CFD研究仓储粮堆不同通风条件下温度场的分布情况，得到了仓储粮堆随季节温度变化的模拟结果。王远成等［8］基于多孔介质理论，借助CFD对粮堆内部热湿耦合过程进行了模拟，得到了粮堆内部水分迁移和热量的规律。

3.3 在建筑混合通风中的应用

混合通风具有自然和机械通风的优点，可以满足空气品质高的要求而又环保节能。它设置了控制系统，能自动及时地切换自然通风和机械通风以减少能耗。Yingchun Ji等［9］介绍了位于杭州的一个使用了混合通风系统的低能耗建筑设计模拟和测试结果，发现混合通风系统设计是成功的。侯素娟［10］通过CFD建立了10层的中庭结构的建筑模型，得到了中庭空间内混合通风的气流规律。刘小波［11］以混合通风系统作为研究对象，借助FLUENT对该系统进行数值模拟，得到了系统中速度场及温度场分布情况。

3.4 在建筑置换通风中的应用

置换通风是近年兴起的一种新的送风方式，与混合通风不同的是置换通风从房间一侧送入新鲜空气，而由另一侧排出污浊空气。这种调节系统能将室内的污染物和余湿、余热带走，改善室内空气品质。王翔等［12］介绍了上海世博会膜结构屋顶展厅的置换通风空调设计，采用CFD软件对室内温度场、速度场进行了模拟及优化。

3.5 在建筑通风工程设计中的应用

传统的通风设计根据半理论半经验和少量的实验来完成，一般方案选择优化都是根据经验决定，可靠性低。CFD的出现改变了传统的设计流程，CFD模拟可以清晰地看出建筑内的温度场、流场或浓度场的分布，能够准确预测流体的运动情况，发现工程设计中存在的问题，从而不断修正，使工程设计摆脱了对经验的盲从，提高了设计效率。CFD模拟技术可以预测单个房间或者建筑的每个部分的详细流体参数，能够详细地分析在通风空间的污染物分布和气流形式。因此，CFD在通风工程界被称为现场模拟工具。

4 结论

随着建筑形式的复杂程度变高，CFD模拟在建筑通风设计中起到越来越重要的作用。本文简要介绍了CFD技术及常用软件，给出了CFD模拟在建筑通风中的应用情况。由于计算机技术和数值模拟技术的发展，CFD在建筑通风工程中已被应用于高大空间气流组织研究、置换通风热环境研究、洁净房间的气流组织研究、污染物排除特性的研究、辐射空调的换热特性研究等。相信不久的将来，CFD技术会在建筑通风设计中得到更加广泛的应用。

［1］Nikas K S，Nikolopoulos N，Nikolopoulos A.Numerical study of a naturally cross－ ventilated building.Energy and Buildings，2010，42(4):422－434.

［2］Calautit J K，Hughes B R.Wind tunnel and CFD study of the natural ventilation performance of a commercialmulti－ directional wind tower.Building and Environment，2014.

［3］孙迎龙，王新忠.光伏玻璃温室自然通风条件下的 CFD模拟验证.农机化研究，2015，4:043.

［4］余元波，谭洪卫，庄智等.新型建筑光伏幕墙和外窗自然通风设计.建筑节能，2014(10).

［5］Harral B B，Boon C R.Comparison of predicted andmeasured air flow patterns in amechanically ventilated livestock building without animals.Journal of Agricultural Engineering Research，1997，66(3):221 －228.

［6］张天柱，徐泳，黄之栋等.高密度迭层笼养蛋鸡舍内气流场的数值模拟.农业工程学报，1999，15(增刊):38 －43.

［7］张忠杰，李琼，杨德勇等.准静态仓储粮堆温度场的CFD模拟.中国粮油学报，2010(4):46－50.

［8］王远成，段海峰，张来林.就仓通风时粮堆内部热湿耦合传递过程的数值预测.河南工业大学学报:自然科学版，2009，30(6):75－79.

［9］Ji Y，Lomas K J，CookmJ.Hybrid ventilation for low energy building design in south China.Building and Environment，2009，44(11):2245 －2255.

［10］侯素娟.混合通风对高层住宅建筑中庭内气流特性的影响研究.湖南:湖南大学，2010.

［11］刘小波.建筑混合通风的模拟研究.湖南:湖南大学，2005.

［12］王翔，王亮.高大空间膜结构屋顶展厅置换通风空调设计.暖通空调，2012，42(5):47 －50.