余勇

简单介绍了计算流体动力学（CFD）方法的主要功能和发展概况。给出了CFD软件在建筑节能，最主要是在暖通空调节能方面的应用，说明了CFD软件在建筑节能应用的优越性以及有待于进一步研究的问题。

引言

CFD即计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是一门通过数值计算方法求解流体控制方程组进而预测流体的流动、传热和化学反应等相关物理现象的学科。常用的方法有有限差分法、有限元法和有限体积法。进行CFD分析的基本思路如下：将原本在时间与空间上连续的物理场如速度场或压力场等，离散成有限的变量集合，并根据流体力学的基本假定，建立起控制方程，通过求解这些流体力学的控制方程，获得这些变量的近似值。

我国作为一个人口众多的发展中国家，巨大的能源消耗已成为亟待解决的问题。其中建筑耗能占到总耗能的19.8%，而室内空调的耗能占到了整个建筑耗能的85%以上[2]。因此，在供暖、空气调节和建筑物内外空气流通等研究领域，采用CFD分析来替代传统的试验方法，可大大缩短研究时间并提高经济效率。而本文将着重就CFD在暖通工程节能中的应用来展开讨论。

CFD基本原理

CFD是通过计算机模拟和数值计算方法对流场进行仿真模拟，解决物理问题的精确数值算法。它是流体力学、数值计算方法以及计算机图形学三者相互结合的产物。CFD是继实验流体力学和理论流体力学之后出现的第三种流体力学的研究方法，是十分重要的研究方法。在航空航天、土木工程、水利工程等研究领域都扮演着重要角色。尤其是在暖通空调和室内外通风等研究方法，CFD成为了最为行之有效的分析方法。

CFD在暖通工程的应用

CFD在暖通空调中的主要应用领域CFD主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题：

1.提高室内空调效率

采用CFD分析方法可以预测气流在房间中的流动情况，在充分考虑室内环境、各类边界条件与扰动的影响后，可全面地反映室内的气流分布情况，通过进一步的优化设计可以得道一个合理的气流分布方法，使空调的使用效率最优。

2.建筑周边环境分析

建筑周边环境对居民日常生活起着举足轻重的作用。对居民小区的风环境和热环境进行预测，是CFD分析的又一重要应用领域。采用CFD方法，在建筑设计阶段即可对建筑周边环境进行分析和优化，对规划设计的效果进行验证，使建筑通风和自然采光达到最佳效果，是小区居民生活品质的重要保障。

3.室内环境状况分析

采用试验方法分析室内环境状况，需要耗费大量的时间与经费，而采用CFD方法进行分析不仅可以节省时间，同时也能精确预测利房间内的风速、温湿度、污染物分布等指标，计算出通风效率、毒害物扩散效率和热舒适等，进而对室内环境状态做出一个合理的评估。

4.暖通设备性能评估

暖通空调工程使用的大部分设备，如风机、水槽、空调等，其运行状态都受流质运动的影响，空气或水的流动情况是评价设备性能的重要指标。通过CFD分析设备工作时的流场分布情况和流质流动情况，可有效地预测设备的工作状态。进而选择设备最佳工作状态，降低设备能耗，节省运行费用。

暖通空调领域中CFD的求解过程

暖通空调领域用CFD进行模拟仿真，其主要环节无外乎包括以下几个方面：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。

1.建立数学物理模型

建立数学模型是对所研究的流动问题进行数学描述，为数值求解做准备工作。基本数学模型有：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中；ρ为流体密度（kg/m3），t为时间（s），u为速度矢量（m/s），ui为速度在i方向上的分量（m/s），p为压强（Pa）Fi———体积力（N），T为温度（K），cp为定压比热，ST为粘性耗散项。

2.求解过程

（1）确定边界条件与初始条件

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。

（2）划分计算网格。

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。

（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。

CFD在暖通空调节能应用情况

随着我国经济迅速发展和人民生活水平大幅提升，城市生活对化石能源的需求量越来越大。但今年来一系列能源危机提醒我们应当注重能源安全问题。在建筑工程领域，采用 CFD分析模拟，可有效减少建筑能耗，并能提高暖通设备的运行工作效率，我国暖通工作者已认识到CFD计算在研究和设计中的重要地位。

1.我国CFD在暖通空调节能应用现状

目前，我们已开始采用CFD对暖通空调节能的相关因素进行整体的系统模拟分析。通过在CFD模拟中改变设备参数，就有可能优化设备组合，改进系统性能。国外已把CFD用于室内空气流动与建筑能耗祸合模拟，我国清华大学也用CFD对空间气流组织设计与空调负荷的关系进行研究，这对建筑节能有重大意义。目前，我国在采用CFD解决建筑节能方面的研究还不是很深人，因而应进一步加强研究和推广的力度。

2.我国CFD应用存在的问题

我国研究机构很早就开始CFD模拟技术的应用研究，研究的范围从以室内空气分布以及建筑物内烟气流动规律的模拟为主，逐渐扩展到室外及建筑小区绕流乃至大气扩散问题，并已形成一些可以解决实际问题的软件。所以，从总体上看，我国暖通行业中开展CFD方面研究尚有大量工作要做，主要表现在以下几个方面：

（1）还要建立在考虑辐射条件下计算室内空气的温度分布、壁面和空气的换热、壁面的温度分布的多种模型。

（2）将已有的CFD模拟技术方法进行简化，能够在微机上较准确地计算包括高大空间气流组织在内的各种通风空调热环境问题。

（3）考虑实际空调管道连接带来的风口出流特性变化，从而使室内空气流动模拟更加准确等。

（4）CFD技术在CAE工程中已表现出巨大的优势，如果将与CAD及CAM乃至AI技术有效地结合在一起，将显示其强大的生命力。

结语

近年来城市化的脚步越来越快，建筑能耗逐年大幅度上升，建筑能耗问题已成为我国能源消耗的重要来源。减少不必要的建筑耗能，大力推进建筑节能已成为建筑行业最重要的任务。将CFD技术应用到常规建筑节能设计中，会对建筑的合理设计起到更有利作用。

（作者单位：四川蜀渝石油建筑安装工程有限责任公司）