CFD技术及其在暖通空调工程中的应用.ppt

内容提纲内容提纲 1. CFD简要介绍简要介绍 2. CFD发展概况发展概况 3. CFD理论研究主要方向理论研究主要方向 4. CFD 技术的工程应用技术的工程应用1. CFD简要介绍简要介绍 计算流体力学在流体力学中的地位计算流体力学在流体力学中的地位 理论流体力学：连续场模型，分析解法理论流体力学：连续场模型，分析解法 计算流体力学：离散场模型，数值解法计算流体力学：离散场模型，数值解法 各种方法比较：各种方法比较：方法方法优点优点缺点缺点实验法实验法真实、客观、求解范真实、客观、求解范围广围广成本高、认识有限成本高、认识有限分析法分析法成本低、揭示机理、成本低、揭示机理、可预见可预见可能失真、求解范围可能失真、求解范围有限有限数值方法数值方法成本低、求解范围广成本低、求解范围广可能失真可能失真1. CFD简要介绍简要介绍 流动与传热问题的数学描述流动与传热问题的数学描述 控制方程（不可压缩流体）控制方程（不可压缩流体）连续性方程：连续性方程： ()0div U 动量方程：动量方程： xupdiv udivuFtxgradUyvpdiv vdivvFtygradUzwpdiv wdivwFtzgradU1. CFD简要介绍简要介绍能量方程：能量方程： TpSTdivTdivTtcgradU通用微分方程：通用微分方程： divdivSt gradU非稳态项非稳态项 对流项对流项 扩散项扩散项 源项源项 广义变量广义变量 广义扩散系数广义扩散系数1. CFD简要介绍简要介绍 初始条件：初始条件： 边界条件：边界条件：（1）第一类边界条件：边界上）第一类边界条件：边界上 给给定定（2）第二类边界条件：边界上）第二类边界条件：边界上 给定给定（3）第三类边界条件：边界上）第三类边界条件：边界上 与与 关关系给定系给定0t , ,x y z, ,x y znn1. CFD简要介绍简要介绍 举例 后台阶突扩层流流动与换热问题（二维、稳态、不可压缩、常物性、无内热源）H/2H1L11. CFD简要介绍简要介绍0uvxy22221uuuvpuuxyxxy 22221vuvvpvvxyyxy 2222uTvTTTaxyxy连续性方程：动量方程：能量方程： 1. CFD简要介绍简要介绍 边界条件边界条件(1)进口进口 (速度速度u、温度、温度T)分布要给定分布要给定 (2)中心线中心线0Ty0uy0v (3)壁面壁面0uvwTT(3)出口出口 数值处理方法数值处理方法1. CFD简要介绍简要介绍 流动与传热问题数值求解的基本思想流动与传热问题数值求解的基本思想 基于连续介质模型基于连续介质模型(1)用有限个离散点上的值代表连续体用有限个离散点上的值代表连续体区域区域离散离散(2)建立离散点上物理量的代数方程式建立离散点上物理量的代数方程式方程方程的离散的离散(3)求解代数方程求解代数方程建立控制方程，确定初始条件和边界条件划分子区域，确定节点(区域离散化)建立离散方程(方程离散化)初始与边界条件离散化求解离散方程解收敛？解的分析线形问题以当前值重新建立离散方程1. CFD简要介绍简要介绍 常用数学方法常用数学方法 有限差分法有限差分法 FDM 有限容积法有限容积法 FVM （最为常用）（最为常用） 有限元法有限元法 FEM 边界元法边界元法 BEM 有限分析法有限分析法 FAM1. CFD简要介绍简要介绍 不是基于连续介质模型不是基于连续介质模型 格子格子Boltzmann方法方法 直接模拟直接模拟Monte Carlo方法方法 分子动力学模拟分子动力学模拟1. CFD简要介绍简要介绍 商用商用CFD软件软件 Phoenics Star-cd CFX Fluent已经被已经被Ansys收购收购1. CFD简要介绍简要介绍 一个算例卡门涡街模拟(Re=100)动画演示2. CFD发展概况发展概况 CFD是是Computational Fluid Dynamics （计算流体动力学）的缩写，是流体力学（计算流体动力学）的缩写，是流体力学理论研究的一个分支。工程中的理论研究的一个分支。工程中的流体流动、流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流传热、燃烧、化学反应、多相流等的数值等的数值预测及工程应用一般简称为预测及工程应用一般简称为CFD技术。技术。CFD技术的发展总的来说是随着计算机技技术的发展总的来说是随着计算机技术及数值计算方法的发展而发展的，从术及数值计算方法的发展而发展的，从20世纪世纪60年代至今，其发展过程可以分为年代至今，其发展过程可以分为四四个阶段个阶段。 初始阶段初始阶段(19651974年年)解决计算流体解决计算流体力学中的一些基本的理论问题力学中的一些基本的理论问题 模型方程（湍流、传热、辐射、气体颗粒作模型方程（湍流、传热、辐射、气体颗粒作用、化学反应、燃烧等）用、化学反应、燃烧等） 数值方法（差分格式、代数方程组求解等）数值方法（差分格式、代数方程组求解等） 网格划分网格划分 程序编写与实现程序编写与实现 就数值结果与大量传统的流体力学实验结果及就数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确解进行比较，以确定数值预测方法的可靠精确解进行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律性、精确性及影响规律2. CFD发展概况发展概况 取得的一些重要成果取得的一些重要成果 标准标准k-e模型模型和和壁面函数法壁面函数法的提出的提出 迎风格式迎风格式、QUICK格式格式的提出的提出 SIMPLE算法算法的提出的提出 微分方程方法生成适体坐标体系，从而使计算微分方程方法生成适体坐标体系，从而使计算流体力学对不规则的几何流动区域有了较强的流体力学对不规则的几何流动区域有了较强的适应性，逐渐在适应性，逐渐在CFD中形成了专门的研究领域：中形成了专门的研究领域：网格生成技术网格生成技术 2. CFD发展概况发展概况 走向工业应用阶段走向工业应用阶段(19751984年年)探讨探讨CFD在在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用推广应用 CFD技术开始向各种以流动为基础的工程问题方向发技术开始向各种以流动为基础的工程问题方向发展，如气固、液固多相流、非牛顿流、化学反应流、展，如气固、液固多相流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等煤粉燃烧等 1977年，年，Spalding等开发的用于预测二维边界层内的等开发的用于预测二维边界层内的迁移现象的迁移现象的GENMIX程序公开程序公开 1981年，年，Spalding组建的组建的CHAM公司将包装后的计算公司将包装后的计算软件（软件（PHOENICS）正式投放市场，开创了）正式投放市场，开创了CFD商业商业软件的先河软件的先河 2. CFD发展概况发展概况 快速发展期快速发展期(1985年年1995) CFD在工程在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了一设计的应用以及应用效果的研究取得了一定的成果，在学术界得到了充分的认可定的成果，在学术界得到了充分的认可 Spalding领导的领导的CHAM公司在发达国家的工业公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工作界进行了大量的推广工作 Patankar也在美国工程师协会的协助下，举行也在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的培训，皆在推广应用了大范围的培训，皆在推广应用CFD CFD工程应用虽然取得一定成果，但总体上还工程应用虽然取得一定成果，但总体上还仅仅限于解决一些简单问题仅仅限于解决一些简单问题2. CFD发展概况发展概况 应用成熟期应用成熟期(1996年年2005) CFD技术在技术在工业领域各个方面获得极大推广工业领域各个方面获得极大推广 随着计算机图形学、计算机微机技术的快速进随着计算机图形学、计算机微机技术的快速进步，步，CFD的前后处理软件得到了迅速发展，如的前后处理软件得到了迅速发展，如Fieldview，Tecplot，ICEM-CFD等等等等 一些经济实力雄厚的实体也见到了一些经济实力雄厚的实体也见到了CFD 应用软应用软件的巨大商机，纷纷介入，如美国的件的巨大商机，纷纷介入，如美国的FLUENT、ANSYS及英国的及英国的AEA等等2. CFD发展概况发展概况 CFD工程应用中的困难工程应用中的困难 如何简化问题？如何简化问题？将实际问题进行合理简化，将实际问题进行合理简化，对问题的主要矛盾进行提炼对问题的主要矛盾进行提炼 如何进行建模和网格划分？实际几何模型的如何进行建模和网格划分？实际几何模型的复杂性复杂性 如何选择格式、算法、如何选择格式、算法、模型模型？实现问题顺利实现问题顺利求解求解2. CFD发展概况发展概况即使上述问题解决了，但有时候仍然无法获得收敛结果！即使上述问题解决了，但有时候仍然无法获得收敛结果！ CFD工程应用中的发展方向工程应用中的发展方向 广度方向发展广度方向发展多物理场多物理场(耦合耦合)求解求解 深度方向发展深度方向发展更加专业化更加专业化 暖通领域：与能耗模拟、光环境模拟、声环境暖通领域：与能耗模拟、光环境模拟、声环境模拟构建模拟构建建筑环境模拟系统建筑环境模拟系统模型文件接口？模型文件接口？ 软件通用性？软件通用性？2. CFD发展概况发展概况3. CFD理论研究主要方向理论研究主要方向 差分格式差分格式 算法算法 网格生成技术网格生成技术 湍流模型湍流模型()0div U xupdiv udivuFtxgradUyvpdiv vdivvFtygradUzwpdiv wdivwFtzgradU3. CFD理论研究方向理论研究方向湍流现象湍流现象雷诺实验雷诺实验3. CFD理论研究方向理论研究方向大尺度结构大尺度结构小尺度结构小尺度结构3. CFD理论研究方向理论研究方向湍流物理量时均值定义及其性质 tNoImage 1TtTdtt3. CFD理论研究方向理论研究方向 湍流数值模拟方法湍流数值模拟方法 直接数值模拟（直接数值模拟（DNS） 大涡模拟（大涡模拟（LES）、分离涡模拟（）、分离涡模拟（DES） 雷诺平均方程模拟（雷诺平均方程模拟（RANS） 零方程模型零方程模型 K-e两方程模型两方程模型3. CFD理论研究方向理论研究方向湍流对流换热的湍流对流换热的Reynolds时均方程：时均方程：连续性方程：连续性方程： 0iiiiiiiiiiiiiuuuuxxxuuuxxx动量方程：动量方程：221iiijjiiuuuputxxx 对流项：对流项：ijijijiijjjjjjuuuuuuuuuuxxxx3. CFD理论研究方向理论研究方向ijijijijjijijiijijijjju uu uuuuuxu uu uuuuuu uuuxx 整理得到：ijiiijjijju uuupuutxxxx 23jiijijtijttijtjiuuuupdivVxx Boussinesq假设3. CFD理论研究方向理论研究方向 根据对根据对 求解，可以分为：零方程模型、一求解，可以分为：零方程模型、一方程模型、两方程模型和四方程模型等；方程模型、两方程模型和四方程模型等； 对于通风空调气流组织计算，陈清焰提出了新对于通风空调气流组织计算，陈清焰提出了新零方程模型：零方程模型： 新零方程模型的提出主要是为了快速解决气流新零方程模型的提出主要是为了快速解决气流组织中的计算问题，在计算精度上进行妥协组织中的计算问题，在计算精度上进行妥协t0.03874tVl3. CFD理论研究方向理论研究方向 混合长度理论（混合长度理论（Prandtl，1925） 新零方程模型的评价新零方程模型的评价 零方程模型用于空调通风房间气流组织数值零方程模型用于空调通风房间气流组织数值模拟的研究模拟的研究 陈晓春，朱颖心，王元，暖通空陈晓春，朱颖心，王元，暖通空调，调，2006.8 混合对流的数值模拟混合对流的数值模拟 陈晓春，林冠婧，陈晓春，林冠婧，周翔等，计算物理，周翔等，计算物理，2007.12tml S3. CFD理论研究方向理论研究方向 两种方法进行研究两种方法进行研究 算例比较算例比较 强迫对流强迫对流 混合对流混合对流 自然对流自然对流 理论分析理论分析3. CFD理论研究方向理论研究方向 强迫对流强迫对流0.1680.455/ininhmUm s0.48outhm9.0Lm3.0Hm3. CFD理论研究方向理论研究方向混合长度理论 新零方程模型 K-e模型 3. CFD理论研究方向理论研究方向0.00.51.01.52.02.53.0-0.4-0.20.00.20.40.60.8 k- model zero model mixing length model experimentU/Uiny(m)0.00.51.01.52.02.53.0-0.4-0.20.00.20.40.60.8U/Uiny(m) k- model zero model mixing length model experiment0246810-0.4-0.20.00.20.40.6 k- model zero model mixing length model experimentU/Uinx(m)0246810-0.20.00.20.40.60.81.01.2 k- model zero model mixing length model experimentU/Uinx(m)x=3.0m x=6.0m y=0.084m y=2.916m 3. CFD理论研究方向理论研究方向 混合对流0.018inhm0.024outhm1.04Lm1.04Hm035fTC015wTC015inTC0.57/inUm s3. CFD理论研究方向理论研究方向0.00.20.40.60.81.01.2-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.40.5 k- model zero model mixing length model experimentvelocity(m/s)y(m)0.00.20.40.60.81.01.2-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4 k- model zero model mixing length model experimentvelocity(m/s)x(m)0.00.20.40.60.81.01.21520253035 k- model zero model mixing length model experimenttemperature(oC)y(m)0.00.20.40.60.81.01.215161718192021 k- model zero model mixing length model experimenttemperature(oC)x(m)x=0.52m y=0.52m x=0.52m y=0.52m 3. CFD理论研究方向理论研究方向 自然对流3. CFD理论研究方向理论研究方向0.00.10.20.30.40.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4 k- model zero model mixing length model experimentvelocity(m/s)x(m)0.00.10.20.30.40.5203040506070temperature(oc)x(m) k- model zero model mixing length model experiment large eddy simulation速度分布比较 温度分布比较 3. CFD理论研究方向理论研究方向 混合对流的进一步讨论 V2F模型、标准k-e模型和新零方程模型比较零方程模型 K-e模型 V2F模型 3. CFD理论研究方向理论研究方向零方程模型 K-e模型 V2F模型 3. CFD理论研究方向理论研究方向0.00.20.40.60.81.01.2-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.40.5velocity(m/s)y(m) V2F model k- model zero model Experiment data0.00.20.40.60.81.01.2-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4velocity(m/s)x(m) V2F model k- model zero model Experiment data0.00.20.40.60.81.01.21520253035temperature(oc)y(m) V2F model k- model zero model Experiment data0.00.20.40.60.81.01.215161718192021temperature(oc)x(m) V2F model k- model zero model Experiment datax=0.52m y=0.52m x=0.52m y=0.52m 3. CFD理论研究方向理论研究方向 理论分析 Prandtl-Kolmogorov的假设 12tc kl0.03874tVl2tmuly零方程模型 混合长度理论 3. CFD理论研究方向理论研究方向结论：总体来说结论：总体来说Prandtl的混合长度理论的混合长度理论能够获得比能够获得比Chen的零方程模型更好的结的零方程模型更好的结果；从这两种零方程模型的构造着手进行果；从这两种零方程模型的构造着手进行分析，认为分析，认为Prandtl的混合长度理论更为的混合长度理论更为合理些。相对于双方程合理些。相对于双方程k-e湍流模型，零湍流模型，零方程模型仍然属于低级模型，计算精度有方程模型仍然属于低级模型，计算精度有限，但它能够极大的节约计算资源。限，但它能够极大的节约计算资源。4. CFD在暖通空调中的应用在暖通空调中的应用 CFD在暖通空调领域内的研究现状（国外）在暖通空调领域内的研究现状（国外） 上世纪上世纪70年代初，年代初，P.V.Nielsen首次将首次将CFD技术技术应用于暖通空调领域；应用于暖通空调领域； 1978年，年，Nielsen又使用守恒方程的原始变量又使用守恒方程的原始变量形式模拟了三维室内气流流动；形式模拟了三维室内气流流动； 1980年，年，Gosman利用利用k-e模型模拟不同几何模型模拟不同几何形状的室内气流流动；形状的室内气流流动； 1984年，年，Alamdari和和Hammond描述了计算建描述了计算建筑物表面对流换热系数的计算方法；筑物表面对流换热系数的计算方法； Fluent公司推出面向暖通工程师的公司推出面向暖通工程师的Airpak 4. CFD在暖通空调中的应用在暖通空调中的应用 1989年，美国的供暖、冷藏与空气调节工年，美国的供暖、冷藏与空气调节工程师协会（程师协会（ASHARE）专门成立了用）专门成立了用CFD方法预测室内空气流动的研究机构，并组方法预测室内空气流动的研究机构，并组织完成了织完成了ASHARE的第的第464（RP464）号）号研究课题研究课题“室内空气流动的数值计算室内空气流动的数值计算”，该课题比较完整的研究了该课题比较完整的研究了CFD方法模拟室方法模拟室内空气流动的许多相关问题内空气流动的许多相关问题4. CFD在暖通空调中的应用在暖通空调中的应用 CFD在暖通空调领域内的研究现状（国内）在暖通空调领域内的研究现状（国内） 1983年年湖南大学湖南大学汤广发汤广发编写了一套二维层流计算程序，编写了一套二维层流计算程序，并且成功的分析了通风和标准工业厂房自然对流等难并且成功的分析了通风和标准工业厂房自然对流等难度较大的工程问题；度较大的工程问题； 1988年，张建忠分析了数值计算方法在暖通空调领域年，张建忠分析了数值计算方法在暖通空调领域的应用情况，还对常见的工业敞口槽通风问题做了数的应用情况，还对常见的工业敞口槽通风问题做了数值计算分析；值计算分析； 1992年，顾瑞英和武文斐在热源表面温度给定条件下，年，顾瑞英和武文斐在热源表面温度给定条件下，利用数值模拟方法和模型求解了气流的速度分布和温利用数值模拟方法和模型求解了气流的速度分布和温度分布，考察了送风方式、送风量、热源表面温度、度分布，考察了送风方式、送风量、热源表面温度、热源表面和壁体表面的黑度、室外环境通过壁体的传热源表面和壁体表面的黑度、室外环境通过壁体的传热等诸多因素对室内气流组织的影响热等诸多因素对室内气流组织的影响 4. CFD在暖通空调中的应用在暖通空调中的应用 清华大学的李先庭和赵彬等人在清华大学的李先庭和赵彬等人在CFD方法方法评价评价PMV和空气龄、风口模型、室内颗粒和空气龄、风口模型、室内颗粒物的扩散规律等方面做出了重要贡献；物的扩散规律等方面做出了重要贡献； 哈尔滨工业大学的魏学孟和何钟怡等人在哈尔滨工业大学的魏学孟和何钟怡等人在大涡模拟技术以及其在洁净室的计算中也大涡模拟技术以及其在洁净室的计算中也做出了很多有重要价值的工作；做出了很多有重要价值的工作； 4. CFD在暖通空调中的应用在暖通空调中的应用 90年代末期及以后的研究特点：年代末期及以后的研究特点： 高级湍流模型的应用高级湍流模型的应用 浮升力的计算研究浮升力的计算研究 大空间气流组织大空间气流组织 快速计算方法快速计算方法 结合暖通空调特点的数值计算方法（结合暖通空调特点的数值计算方法（PMV，空，空气龄，气龄，VOC扩散等）扩散等）4. CFD在暖通空调中的应用在暖通空调中的应用 应用实例应用实例1-土壤源热泵研究土壤源热泵研究 应用实例应用实例2-大空间热环境分析大空间热环境分析 应用实例应用实例3-建筑室外风环境建筑室外风环境 应用实例应用实例4-通风空调气流组织通风空调气流组织谢谢！2010年8月25日结束结束