會(huì)計(jì)學(xué)1CFD技術(shù)及其在暖通空調(diào)工程中的應(yīng)用內(nèi)容提綱1.CFD簡(jiǎn)要介紹2.CFD發(fā)展概況3.CFD理論研究主要方向4.CFD技術(shù)的工程應(yīng)用第1頁(yè)/共52頁(yè)1.CFD簡(jiǎn)要介紹計(jì)算流體力學(xué)在流體力學(xué)中的地位理論流體力學(xué)：連續(xù)場(chǎng)模型，分析解法計(jì)算流體力學(xué)：離散場(chǎng)模型，數(shù)值解法各種方法比較：方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)實(shí)驗(yàn)法真實(shí)、客觀、求解范圍廣成本高、認(rèn)識(shí)有限分析法成本低、揭示機(jī)理、可預(yù)見(jiàn)可能失真、求解范圍有限數(shù)值方法成本低、求解范圍廣可能失真第2頁(yè)/共52頁(yè)1.CFD簡(jiǎn)要介紹流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述控制方程（不可壓縮流體）連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

第3頁(yè)/共52頁(yè)1.CFD簡(jiǎn)要介紹能量方程：

通用微分方程：

非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)源項(xiàng)－廣義變量－廣義擴(kuò)散系數(shù)第4頁(yè)/共52頁(yè)1.CFD簡(jiǎn)要介紹初始條件：邊界條件：（1）第一類邊界條件：邊界上給定（2）第二類邊界條件：邊界上給定（3）第三類邊界條件：邊界上與關(guān)系給定第5頁(yè)/共52頁(yè)1.CFD簡(jiǎn)要介紹舉例后臺(tái)階突擴(kuò)層流流動(dòng)與換熱問(wèn)題（二維、穩(wěn)態(tài)、不可壓縮、常物性、無(wú)內(nèi)熱源）第6頁(yè)/共52頁(yè)1.CFD簡(jiǎn)要介紹連續(xù)性方程：動(dòng)量方程：能量方程：

第7頁(yè)/共52頁(yè)1.CFD簡(jiǎn)要介紹邊界條件(1)進(jìn)口(速度u、溫度T)分布要給定

(2)中心線(3)壁面(3)出口數(shù)值處理方法第8頁(yè)/共52頁(yè)1.CFD簡(jiǎn)要介紹流動(dòng)與傳熱問(wèn)題數(shù)值求解的基本思想基于連續(xù)介質(zhì)模型(1)用有限個(gè)離散點(diǎn)上的值代表連續(xù)體－區(qū)域離散(2)建立離散點(diǎn)上物理量的代數(shù)方程式－方程的離散(3)求解代數(shù)方程第9頁(yè)/共52頁(yè)第10頁(yè)/共52頁(yè)1.CFD簡(jiǎn)要介紹常用數(shù)學(xué)方法有限差分法FDM有限容積法FVM（最為常用）有限元法FEM邊界元法BEM有限分析法FAM第11頁(yè)/共52頁(yè)1.CFD簡(jiǎn)要介紹不是基于連續(xù)介質(zhì)模型格子－Boltzmann方法直接模擬MonteCarlo方法分子動(dòng)力學(xué)模擬第12頁(yè)/共52頁(yè)1.CFD簡(jiǎn)要介紹商用CFD軟件PhoenicsStar-cdCFXFluent已經(jīng)被Ansys收購(gòu)第13頁(yè)/共52頁(yè)1.CFD簡(jiǎn)要介紹一個(gè)算例——卡門渦街模擬(Re=100)動(dòng)畫演示第14頁(yè)/共52頁(yè)2.CFD發(fā)展概況CFD是ComputationalFluidDynamics（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）的縮寫，是流體力學(xué)理論研究的一個(gè)分支。工程中的流體流動(dòng)、傳熱、燃燒、化學(xué)反應(yīng)、多相流等的數(shù)值預(yù)測(cè)及工程應(yīng)用一般簡(jiǎn)稱為CFD技術(shù)。CFD技術(shù)的發(fā)展總的來(lái)說(shuō)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展而發(fā)展的，從20世紀(jì)60年代至今，其發(fā)展過(guò)程可以分為四個(gè)階段。第15頁(yè)/共52頁(yè)初始階段(1965～1974年)－解決計(jì)算流體力學(xué)中的一些基本的理論問(wèn)題模型方程（湍流、傳熱、輻射、氣體－顆粒作用、化學(xué)反應(yīng)、燃燒等）數(shù)值方法（差分格式、代數(shù)方程組求解等）網(wǎng)格劃分程序編寫與實(shí)現(xiàn)就數(shù)值結(jié)果與大量傳統(tǒng)的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及精確解進(jìn)行比較，以確定數(shù)值預(yù)測(cè)方法的可靠性、精確性及影響規(guī)律2.CFD發(fā)展概況第16頁(yè)/共52頁(yè)取得的一些重要成果標(biāo)準(zhǔn)k-e模型和壁面函數(shù)法的提出迎風(fēng)格式、QUICK格式的提出SIMPLE算法的提出微分方程方法生成適體坐標(biāo)體系，從而使計(jì)算流體力學(xué)對(duì)不規(guī)則的幾何流動(dòng)區(qū)域有了較強(qiáng)的適應(yīng)性，逐漸在CFD中形成了專門的研究領(lǐng)域：網(wǎng)格生成技術(shù)

2.CFD發(fā)展概況第17頁(yè)/共52頁(yè)走向工業(yè)應(yīng)用階段(1975～1984年)－探討CFD在解決實(shí)際工程問(wèn)題中的可行性、可靠性及工業(yè)化推廣應(yīng)用CFD技術(shù)開始向各種以流動(dòng)為基礎(chǔ)的工程問(wèn)題方向發(fā)展，如氣固、液固多相流、非牛頓流、化學(xué)反應(yīng)流、煤粉燃燒等

1977年，Spalding等開發(fā)的用于預(yù)測(cè)二維邊界層內(nèi)的遷移現(xiàn)象的GENMIX程序公開

1981年，Spalding組建的CHAM公司將包裝后的計(jì)算軟件（PHOENICS）正式投放市場(chǎng)，開創(chuàng)了CFD商業(yè)軟件的先河2.CFD發(fā)展概況第18頁(yè)/共52頁(yè)快速發(fā)展期(1985年～1995)－CFD在工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用以及應(yīng)用效果的研究取得了一定的成果，在學(xué)術(shù)界得到了充分的認(rèn)可Spalding領(lǐng)導(dǎo)的CHAM公司在發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)界進(jìn)行了大量的推廣工作Patankar也在美國(guó)工程師協(xié)會(huì)的協(xié)助下，舉行了大范圍的培訓(xùn)，皆在推廣應(yīng)用CFDCFD工程應(yīng)用雖然取得一定成果，但總體上還僅僅限于解決一些簡(jiǎn)單問(wèn)題2.CFD發(fā)展概況第19頁(yè)/共52頁(yè)應(yīng)用成熟期(1996年～2005)－CFD技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域各個(gè)方面獲得極大推廣隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)微機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步，CFD的前后處理軟件得到了迅速發(fā)展，如Fieldview，Tecplot，ICEM-CFD等等一些經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚的實(shí)體也見(jiàn)到了CFD應(yīng)用軟件的巨大商機(jī)，紛紛介入，如美國(guó)的FLUENT、ANSYS及英國(guó)的AEA等2.CFD發(fā)展概況第20頁(yè)/共52頁(yè)CFD工程應(yīng)用中的困難如何簡(jiǎn)化問(wèn)題？—將實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，對(duì)問(wèn)題的主要矛盾進(jìn)行提煉如何進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分？－實(shí)際幾何模型的復(fù)雜性如何選擇格式、算法、模型？—實(shí)現(xiàn)問(wèn)題順利求解2.CFD發(fā)展概況即使上述問(wèn)題解決了，但有時(shí)候仍然無(wú)法獲得收斂結(jié)果！第21頁(yè)/共52頁(yè)CFD工程應(yīng)用中的發(fā)展方向廣度方向發(fā)展—多物理場(chǎng)(耦合)求解深度方向發(fā)展—更加專業(yè)化暖通領(lǐng)域：與能耗模擬、光環(huán)境模擬、聲環(huán)境模擬構(gòu)建建筑環(huán)境模擬系統(tǒng)—模型文件接口？軟件通用性？2.CFD發(fā)展概況第22頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究主要方向差分格式算法網(wǎng)格生成技術(shù)湍流模型第23頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向湍流現(xiàn)象—雷諾實(shí)驗(yàn)第24頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向大尺度結(jié)構(gòu)小尺度結(jié)構(gòu)第25頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向湍流物理量時(shí)均值定義及其性質(zhì)t第26頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向湍流數(shù)值模擬方法直接數(shù)值模擬（DNS）大渦模擬（LES）、分離渦模擬（DES）雷諾平均方程模擬（RANS）零方程模型K-e兩方程模型第27頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向湍流對(duì)流換熱的Reynolds時(shí)均方程：連續(xù)性方程：動(dòng)量方程：對(duì)流項(xiàng)：第28頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向整理得到：Boussinesq假設(shè)第29頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向根據(jù)對(duì)求解，可以分為：零方程模型、一方程模型、兩方程模型和四方程模型等；對(duì)于通風(fēng)空調(diào)氣流組織計(jì)算，陳清焰提出了新零方程模型：新零方程模型的提出主要是為了快速解決氣流組織中的計(jì)算問(wèn)題，在計(jì)算精度上進(jìn)行妥協(xié)第30頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向混合長(zhǎng)度理論（Prandtl，1925）新零方程模型的評(píng)價(jià)《零方程模型用于空調(diào)通風(fēng)房間氣流組織數(shù)值模擬的研究》陳曉春，朱穎心，王元，暖通空調(diào)，2006.8《混合對(duì)流的數(shù)值模擬》陳曉春，林冠婧，周翔等，計(jì)算物理，2007.1第31頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向兩種方法進(jìn)行研究算例比較強(qiáng)迫對(duì)流混合對(duì)流自然對(duì)流理論分析第32頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向強(qiáng)迫對(duì)流第33頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向混合長(zhǎng)度理論新零方程模型K-e模型第34頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向x=3.0mx=6.0my=0.084my=2.916m第35頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向混合對(duì)流第36頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向x=0.52my=0.52mx=0.52my=0.52m第37頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向自然對(duì)流第38頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向速度分布比較

溫度分布比較

第39頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向混合對(duì)流的進(jìn)一步討論V2F模型、標(biāo)準(zhǔn)k-e模型和新零方程模型比較零方程模型

K-e模型

V2F模型

第40頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向零方程模型

K-e模型

V2F模型

第41頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向x=0.52my=0.52mx=0.52my=0.52m第42頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向理論分析Prandtl-Kolmogorov的假設(shè)

零方程模型

混合長(zhǎng)度理論第43頁(yè)/共52頁(yè)3.CFD理論研究方向結(jié)論：總體來(lái)說(shuō)Prandtl的混合長(zhǎng)度理論能夠獲得比Chen的零方程模型更好的結(jié)果；從這兩種零方程模型的構(gòu)造著手進(jìn)行分析，認(rèn)為Prandtl的混合長(zhǎng)度理論更為合理些。相對(duì)于雙方程k-e湍流模型，零方程模型仍然屬于低級(jí)模型，計(jì)算精度有限，但它能夠極大的節(jié)約計(jì)算資源。第44頁(yè)/共52頁(yè)4.CFD在暖通空調(diào)中的應(yīng)用CFD在暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀（國(guó)外）上世紀(jì)70年代初，P.V.Nielsen首次將CFD技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)領(lǐng)域；1978年，Nielsen又使用守恒方程的原始變量形式模擬了三維室內(nèi)氣流流動(dòng)；1980年，Gosman利用k-e模型模擬不同幾何形狀的室內(nèi)氣流流動(dòng)；1984年，Alamdari和Hammond描述了計(jì)算建筑物表面對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算方法；Fluent公司推出面向暖通工程師的Airpak

第45頁(yè)/共52頁(yè)4.CFD在暖通空調(diào)中的應(yīng)用1989年，美國(guó)的供暖、冷藏與空氣調(diào)節(jié)工程師協(xié)會(huì)（ASHARE）專門成立了用CFD方法預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣流動(dòng)的研究機(jī)構(gòu)，并組織完成了ASHARE的第464（RP464）號(hào)研究課題“室內(nèi)空氣流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算”，該課題比較完整的研究了CFD方法模擬室內(nèi)空氣流動(dòng)的許多相關(guān)問(wèn)題第46頁(yè)/共52頁(yè)4.CFD在暖通空調(diào)中的應(yīng)用CFD在暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀（國(guó)內(nèi)）1983年湖南大學(xué)湯廣發(fā)編寫了一套二維層流計(jì)算程序，并且成功的分析了通風(fēng)和標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)廠房自然對(duì)流等難度較大的工程問(wèn)題；1988年，張建忠分析了數(shù)值計(jì)算方法在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，還對(duì)常見(jiàn)的工業(yè)敞口槽通風(fēng)問(wèn)題做了數(shù)值計(jì)算分析；1992年，顧瑞英和武文斐在熱源表面溫度給定條件下，利用數(shù)值模擬方法和模型求解了氣流的速度分布和溫度分布，考察了送風(fēng)方式、送風(fēng)量、熱源表面溫度、熱源表面和壁體表面的黑度、室外環(huán)境通過(guò)壁體的傳熱等諸多因素對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響

第47頁(yè)/共52頁(yè)4.CFD在暖通空調(diào)中的應(yīng)用清華大學(xué)的李先庭和趙彬等人在CFD方法評(píng)價(jià)PMV和空氣齡、風(fēng)口模型、室內(nèi)顆粒物的擴(kuò)散規(guī)律等方面做出了重要貢獻(xiàn)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的魏學(xué)孟和何鐘怡等人在大渦模擬技術(shù)以及其在潔凈室的計(jì)算中也做出了