CFD技术在连通类高大空间空调系统设计中的运用

张斌

唐山市规划建筑设计研究院有限公司 河北 唐山 063000

引言

当前，设计人员的主要任务是设计出节能舒适的室内环境，而创造人工环境的过程中需要合理组织室内气流。气流组织和环境品质之间具有紧密的联系，而且直接影响到能源效率。CFD技术不断发展，设计人员可以利用这项技术预测室内气流组织，通过综合评价各项参数，选择最佳气流组织形式，保障连通类高大空间空调系统设计的科学性，在最大限度上满足人们的生活需求。

1 概述CFD技术

计算机流体动力学，简称CFD，是一种基于数值计算和计算机技术的模拟技术。本技术实验采用虚拟计算机。模拟实际流量。通过计算可以列出流体的流动微分方程。连续间隔中的流体流动是平滑的。CFD技术在1974年就开始使用。由一位丹麦的工程师率先在暖通开工条件下运用CFD技术施工。模拟通风环境下，室内的空气是如何流通的。之后通过系列的创新和发展，建筑师﹑空调工程师在分析工程问题时开始广泛运用CFD技术，可以大幅度提高暖通空调设计水平[1]。

例如在室内空气分布阶段，利用CFD技术可以降低整体成本，同时可以提高工作效率，而且具备完善的资料，可以有效模拟㓊不通过的工程情况。对比其他方法，CFD技术具有显著的优势，计算机技术不断发展，可以不断缩减CFD技术计算周期和成本，适用于工程施工。但是在实际应用CFD技术的过程中仍旧存在一些问题，所以需要不断创新和发展相关技术，将会逐渐弥补CFD技术使用中的不足，不断优化CFD技术使用性能，在工程中发挥出更加重要的作用。

2 概述暖通空调系统中CFD技术的应用

2.1 技术特点

2.1.1 CFD通用软件的数学模型主要包括湍流模型和自由面流模型以及多相流模型等。使用的离散方法包括有限元法和有限体积法。分析了当前的技术条件，CFD软件主要采用离散方法[2]。

2.1.2 在设计时，采用三维的流动数值模型计算量大，故使用CFD软件时，收敛速度可有效提升。所以计算耗费时间缩短了，并运用平行计算法可有效解决由于单机容量不足而造成的问题。目前，在实践工作开展中使用的收敛技术包括了残差光顺法，多层网格法。

2.1.3 为了满足不同客户的需求，CFD系统设置了许多特殊模块。通过系统特定版本和软件。它可以实现复杂过程的有效计算，自动生成网格，简化条件，大大减轻工作人员的工作压力，并有效处理计算结果的分析。目前，该系统包括了流动显示以及网格生成模块，可实现任何流程几何形状的建模输出，但形成结构型网格时要花的时间精力都很多。而采用专用模块可自动生成网格，并利用客户几何参数，有效形成三维网格模型[3]。

2.2 应用领域

2.2.1 设计通风空调房建的气流组织。保障气流分布方案的科学性，有利于暖通空调结构的科学设计，有效提高暖通空调系统的科学性。同时，该技术在制冷工程中的应用可以模拟空调房间的空气分布。该技术可用于做好模拟工作，明确房间内气流的分布，以便设计者能够识别HVAC系统的各种因素，从而充分发挥出暖通空调制冷工程的作用。

2.2.2 建筑外环境分析设计。设计建筑暖通空调的过程中，建筑外部环境直接关系到建筑自然通风情况，这也直接影响到住户生活质量。因此在利用CFD技术的过程中，需要全面分析和设计建筑外环境，注重分析当地热环境和二次风等，合理优化设计建筑暖通空调指令工程，优化通风效果和制冷效果。

2.2.3 室内空气质量。CFD也可用于评估室内空气质量。采用专业软件进行模拟，确定不同空间的温度和湿度，对空调结构进行合理科学的调整，优化参数性能，提高系统的整体工作效率，改进建筑设备性能。

建筑暖通空调系统的风机和空调中存在流体工作介质，流体流动与设备性能有关，因此设计者需要注意这方面的问题。CFD技术可用于模拟设备的流体流动，从而提高整体工作效率，并通过优化通风效果和制冷效果来节省设备维护成本，同时可以显著降低设备的能耗。

3 连通类高大空间建筑存在的问题

第一，气流控制问题难解决。连通的高大空间由于高度不同，需要使用开口对各连接空间进行利用，由于受烟囱效应影响，空间内气流相互流动无法有效控制气流的组织，再加上设计没有模块供参考，所以设计难度大[4]。

第二，计算荷载的问题。高连通空间的空调位置低﹑形式复杂，应采用混合送风方式和特殊负荷处理来解决负荷的影响。高大空间连接着周围的展厅和走廊，因此在计算连接展厅和走廊的高大空间的空调负荷时，则要考虑热量转换以及热量交换的问题。

近些年分析高大空间气流组织的过程中，逐渐推出新的设计思想和方法，需要保障使用的灵活性和经济性，一方面需要细化空调区域，在最大限度上满足高大空间的需求。另一方面需要结合使用多种气流组织形式，共同实现低能耗和效果好的目标[5]。

4 CFD技术在连通类高大空间空调系统设计中的运用

4.1 网格生成

在CFD建模时，网格生成的是非常重要的。在求解时要耗费大量时间去生成模型与网格，技术人员则要考虑多个因素，明确网络结构﹑数量等等，才能更好地提升整体结构的准确。

4.1.1 网格结构：网格结构有四面体﹑五面体﹑六面体，在生成时主要为划分结构化以及非结构化网格。自由度相同时，六面体与四边形法的微网格质量最好，六面体的收敛假值相对来说比较低，可确保模拟结果的准确性。技术人员可以使用四边形和六面体元素来合理减少网格数量并有效提高处理效率，并且可以从结构上处理六面体网格。目前，区域电网技术具有较高的利用率。根据空调室内人体的传热性能，想象一个矩形空间，将房间分成两个区域，使用非结构化四面体网格，其他使用结构化六面体网格，人体上方的网格使用局部致密化技术。模拟和分析通风室内人体气体的流动，使用人体附近的过渡网格，在其他区域使用四面体网格。在使用该技术时，工人结合实际情况和经验，选择最合适的结构，并综合分析混合网格对此所产生的影响。

4.1.2 网格密度：为了优化模拟效果，需要提高网格密度的合理性。科学合理的网格密度有利于优化仿真精度。然而，如果它超出特定范围，盲网格加密将浪费计算时间，影响模拟精度，甚至扩大误差。因此，有必要有效地验证网格的独立性。独立性意味着模拟结构和网格密度之间没有关系，或者当网格被细化时，计算的准确性不会受到很大影响。研究人员应根据经验选择合理的网格内容，并结合实验数据进行计算[6]。

4.1.3 湍流模型：该模型直接影响CFD模拟的准确性，包括直接数值模拟和大涡电流模拟。通过数值模拟，技术人员可以使用精确的网格。由于计算资源有限，不适合在室内空间使用数值模拟。大涡流模拟可用于分离涡流模拟，主流区域可使用大涡流模拟，边界层流动可使用雷诺平均N-S方程。技术人员计算颗粒浓度分布，然后使用大涡流模拟。由于严格要求网络精度和计算时间，RANS模型具有较高的应用率。

组织空调间气流组织时，该模型具有极强适应性，但由于入流条件复杂，研究者要对障碍物进行分析，模拟相应的情况合理选择湍流模型，并且对实验结果﹑数据进行分析，可有效提升检测的科学性。

4.2 风口模型

作为技术人员，需要对出风口流动﹑温度情况等进行综合分析，采用CFD技术对气流分布情况进行分析。由于送风口十分复杂，为了模拟流入条件，应设计风口的网格，但这种划分也更困难，因此应使用风口模型。该模型可以减少网格数量和计算时间，提高计算的准确性。目前风口模型逐渐成熟，运用送风法不会对模拟造成干扰。

4.3 辐射换热

计算结果时由于资源有限的问题，一些工作人员不重视热辐射影响。但自然通风条件下气体的流动速度是降低的。这就说明了要利用热浮力所产生的作用在计算求解时，考虑热辐射所带的影响。一般来说，换热包括了热源以及壁面辐射，还也要考虑空气对其产生的吸收作用。对于这些辐射工作人员要先将壁面温度计算出来，明确其边界的情况。如果这个温度值未能得到明确，则要修改边界条件以下正热负荷。

5 CFD技术在连通类高大空间空调系统设计中的应用策略

当将CFD技术应用于相连的大型空间中的空调系统设计时，需要首先建立一个模型，然后使用该模型计算守恒方程并计算空调制冷系统的值。最后，这些值需要可视化。在管理和技术人员完成评估和分析后，他们可以了解空调的制冷条件，因此可以进一步调整具体用途。因为在CFD技术的后处理过程中，需要针对结算结果转化和展示位静态图片，使计算可视化和便利性进一步提高。在实际工作中通过严格操作上述步骤，有利于严谨性的应用CFD技术，保障空调系统运行效果，科学性的调整空气流体，提高人们居住环境的舒适性。当前利用CFD技术可以推动暖通空调系统发展，但是我国CFD技术还不能和国外技术比肩，因此相关技术人员需要不断完善CFD技术，优化整体使用性能，提高人们的体验感。

6 CFD技术的发展趋势

第一，与网络技术结合在一起。通过这两项技术的联合使用，可提升暖通空调系统设计的水平，同时做好不同区域的设计协同工作。共享设计的信息，对接CAD﹑CAM等。

第二，与专家系统结合在一起。与专家系统相结合可让专家系统的指导作用发挥最大，减少软件使用难度。并且运用专家系统内的信息，可自动检测系统前﹑后处理是否统一﹑正确，确保得到的计算结果是准确的。并且CFD还可以当成是专家系统的补充，有利于积累并计算案例，提升计算能力。

第三，与实测数据相结合。计算机技术是不断进步与发展的，这样就说明了商用软件数量在增加。选择合理的软件可计算出暖通空调工程的各项数据。但实测数据并不完善，计算结果不准。这说明模拟工程实测数据库要不断完善，结合实测数据才能更好地助力该软件的发展。

7 结束语

CFD技术在连接的大空间中的空调系统设计中的应用不仅可以节约能源，而且可以确保空调系统的质量，因此，我国技术人员需要深入分析CFD技术的优势，保障连通类高大空间空调系统运行的稳定性，实现环保节能的发展目标。