CFD技术及其在暖通空调工程中的应用课件.ppt

1、1内容提纲内容提纲1. 简要介绍简要介绍2. 发展概况发展概况3. 理论研究主要方向理论研究主要方向4. 技术的工程应用技术的工程应用1. 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、求解范围广真实、客观、求解范围广成本高、认识有限成本高、认识有限分析法分析法成本低、揭示机理、可预见成本低、揭示机理、可预见可能失真、求解范围有限可能失真、求解范围有限数值

2、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. 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. 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

3、散系数1. 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 给定给定（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 关系给定关系给定0t , ,x y z, ,x y znn1. 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. 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. 简要

4、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. 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区域离散用有限个离散点上的值代表连续体区域离散(2)建立离散点上物理量的代数方程式方程的离散建立离散点上物理量的代数方程式方程的离散(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

5、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. 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 有限容积法有限容积法 （最为常用）（最为常用） 有限元法有限元法 边界元法边界元法 有限分析法有限分析法 1. 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方法格子方法直接模拟直接模拟 方法方法分子动力学模拟分子动力学模拟1. 简要介绍简要介绍商用软件商用软件已经被收购已经被收购1. 简要介绍简要介绍一个算例卡门涡街模拟(100)动画演示2. 发展概况发展概况是是 （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

6、中的流体流动、传（计算流体动力学）的缩写，是流体力学理论研究的一个分支。工程中的流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等的数值预测及工程应用一般简称为技术。技术的发展总的来热、燃烧、化学反应、多相流等的数值预测及工程应用一般简称为技术。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，从说是随着计算机技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，其发展过程年代至今，其发展过程可以分为四个阶段。可以分为四个阶段。 初始阶段初始阶段(19651974年年)解决计算流体力学中的一些基本的理论问题解决计算流体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

7、用、化学反应、燃烧等）模型方程（湍流、传热、辐射、气体颗粒作用、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精确解进行比较，以确定数值预测方法的可靠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性、精确性及影响规律性、精确性及影响规律2. 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模型和壁面函数法的提出标准模型和壁面函数法的提出迎风格式、格式的提出迎风格式、格式的提出算法的提出算法的提出微分方程方法生成适体坐标体系

8、，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适应性，逐渐在中形成了专门的研究领域：网格生成技术适应性，逐渐在中形成了专门的研究领域：网格生成技术 2. 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)探讨在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化探讨在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、煤粉燃烧

9、等反应流、煤粉燃烧等 1977年，等开发的用于预测二维边界层内的迁移现象的程序公开年，等开发的用于预测二维边界层内的迁移现象的程序公开 1981年，组建的公司将包装后的计算软件（）正式投放市场，开创了商业软件的先河年，组建的公司将包装后的计算软件（）正式投放市场，开创了商业软件的先河 2. 发展概况发展概况快速发展期快速发展期(1985年年1995) 在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了一定的成果，在工程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在学术界得到了充分的认可领导的公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工作领导的公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工

10、作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2. 发展概况发展概况应用成熟期应用成熟期(1996年年2005) 技术在工业领域各个方面获得极大推广技术在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步，的前后处理软件得到了迅速发展，如，随着计算机图形学、计算机微机技术的快速进步，的前后处理软件得到了迅速发展，如，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

11、了 应用软件的巨大商机，纷纷介入，如美国的、及英国的应用软件的巨大商机，纷纷介入，如美国的、及英国的等等2. 发展概况发展概况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，对问题的主要矛盾进行提炼将实际问题进行合理简化，对问题的主要矛盾进行提炼如何进行建模和网格划分？实际几何模型的复杂性如何进行建模和网格划分？实际几何模型的复杂性如何选择格式、算法、模型？如何选择格式、算法、模型？实现问题顺利求解实现问题顺利求解2. 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！工程应用中的发展方向工程

12、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、声环境模拟构建建筑环境模拟系统暖通领域：与能耗模拟、光环境模拟、声环境模拟构建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. 发展概况发展概况3. 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. 理论研究方向理论研究方向湍流现

13、象湍流现象雷诺实验雷诺实验3. 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. 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. 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（）大涡模拟（）、分离涡模拟（）大涡模拟（）、分离涡模拟（）雷诺平均方程模拟（）雷诺平均方程模拟（）零方程模型零方程模型两方程模型两方程模型3. 理论研究方向理论研究方向湍流对流换热的时均方程：湍流对流换热的时均方程：连续性方程：连续性方程： 0iiiiiiiiiiiiiuuuuxxxuuuxxx动量方程：动量方程：22

14、1iiijjiiuuuputxxx 对流项：对流项：ijijijiijjjjjjuuuuuuuuuuxxxx3. 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 假设3. 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、一方程模型、两方程模型和四方程模型等；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；对于通风空调气流组织计算，陈清焰提出了新零方程模型：对于通风空

15、调气流组织计算，陈清焰提出了新零方程模型：新零方程模型的提出主要是为了快速解决气流组织中的计算问题，在计算精度上进行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妥协t0.03874tVl3. 理论研究方向理论研究方向混合长度理论（，混合长度理论（，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模拟的研究零方程模型用于空调通风房间气流组织数值模拟的研究 陈晓春，朱颖心，王元，暖通陈晓春，朱颖心，王元，暖通空调，空调，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，周翔等，计算物理，陈晓春，林冠婧，周翔等，计

16、算物理，2007.12tml S3. 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. 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. 理论研究方向理论研究方向混合长度理论 新零方程模型 模型 3. 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

17、)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)3.0m 6.0m 0.084m

18、 2.916m 3. 理论研究方向理论研究方向混合对流0.018inhm0.024outhm1.04Lm1.04Hm035fTC015wTC015inTC0.57/inUm s3. 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 m

19、ixing 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)0.52m 0.52m 0.52m 0.52m 3. 理论研究方向理论研究方向自然对流3. 理论

20、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. 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、标准模型和新

21、零方程模型比较零方程模型 模型 V2F模型 3. 理论研究方向理论研究方向零方程模型 模型 V2F模型 3. 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 data

22、0.00.20.40.60.81.01.21520253035temperature(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 data0.52m 0.52m 0.52m 0.52m 3. 理论研究方向理论研究方向理论分析的假设 12tc kl0.03874tVl2tmuly零方程模型 混合长度理论 3. 理论研究方向理论研究方向结论：总体来

23、说的混合长度理论能够获得比的零方程模型更好的结果；从这两种零方程结论：总体来说的混合长度理论能够获得比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分析，认为的混合长度理论更为合理些。相对于双方程湍流模型，模型的构造着手进行分析，认为的混合长度理论更为合理些。相对于双方程湍流模型，零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。零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。4. 在暖通空调中的应用在暖通空调中的应用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，首次将技术应用于暖通空调领域；年

24、代初，首次将技术应用于暖通空调领域；1978年，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；年，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；1980年，利用模型模拟不同几何形状的室内气流流动；年，利用模型模拟不同几何形状的室内气流流动；1984年，和描述了计算建筑物表面对流换热系数的计算方法；年，和描述了计算建筑物表面对流换热系数的计算方法；公司推出面向暖通工程师的公司推出面向暖通工程师的 4. 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、冷藏与空气调节工程师协会（）专门成立了用方法预测室内空气流年，美国的供暖、冷藏与空气调节工程师协会（）专门成立了用方法预测室

25、内空气流动的研究机构，并组织完成了的第动的研究机构，并组织完成了的第464（464）号研究课题）号研究课题“室内空气流动的数值计算室内空气流动的数值计算”，该，该课题比较完整的研究了方法模拟室内空气流动的许多相关问题课题比较完整的研究了方法模拟室内空气流动的许多相关问题4. 在暖通空调中的应用在暖通空调中的应用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年湖南大学汤广发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年湖南大学汤广发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度较大的工程问题；厂房自然对流等难度较大的工程问

26、题；1988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值计算分析；通风问题做了数值计算分析；1992年，顾瑞英和武文斐在热源表面温度给定条件下，利用数值模拟方法和模型求解了气年，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、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的黑度、室外

27、环境通过壁体的传热等诸多因素对室内气流组织的影响 4. 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方法评价和空气龄、风口模型、室内颗粒物的扩散规律等方清华大学的李先庭和赵彬等人在方法评价和空气龄、风口模型、室内颗粒物的扩散规律等方面做出了重要贡献；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大涡模拟技术以及其在洁净室的计算中也做出了很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做出了很多有重要价值的工作；多有重要价值的工作； 4. 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（，空气龄，扩散等）结合暖通空调特点的数值计算方法（，空气龄，扩散等）4. 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2020/11/553谢谢观赏！