CFD在建筑设计中的应用

计算流体动力学（CFD）在建筑设计中的应用一、自然通风的原理二、自然通风在当代建筑中的重要性三、自然通风的整体设计四、深圳地区及夏热冬暖地区的自然通风条件五、建筑通风与计算机模拟技术六、计算流体动力学（CFD）简介七、计算流体动力学（CFD）在国内、外的发展动态八、计算流体动力学（CFD）在建筑设计中的应用九、计算流体动力学（CFD）在暖通空调设计中的应用主要内容一、自然通风的原理自然通风的动力:风压和热压风压:自然通风的风压就是建筑迎风面和背风面的压力差.“穿堂风”就是利用风压在建筑内部产生的空气流动。热压:当室内外空气存在密度差时而形成动力。“烟囱效应”就是利用热压作用形成的。室内外空气温度差越大，进排风口高度差越大，则热压作用越强。问题：是利用风压还是热压的作用来进行自然通风设计？非常复杂，风压和热压什么时候相互加强，什么时候相互削弱还不能完全预知。一般来说，建筑进深小的部位、室外区域多利用风压；进深较大的部位、高层建筑竖向多利用热压来达到通风的效果。一般来说，建筑进深小的部位、空旷区域多利用风压，如单体建筑室内、小区等区域（见下图）：该套户型建筑前后压差较大，易于通过风压实现自然通风该户型建筑图：这两个图形是上述户型的自然通风模拟图，可以看出：该户型自然通风状况很理想，空气龄都在3分钟左右，完全可以通过自然通风来满足室内的舒适度要求。而进深较大的部位、高层建筑竖向自然通风多利用热压的作用，如：Stackventilation二、自然通风在当代建筑中的重要性一、新鲜自然空气，有利于人的生理和心理健康室内空气品质的优劣很大程度上取决于室外新风量。室外空气品质的优劣取决于室外气流是否顺畅。改善空气品质、节能该户型室内空气龄较小，空气新鲜该户型室内空气龄很大，空气不新鲜该小区除左上角空气龄稍大外（10分钟左右），其余区域空气龄比较小（小于6分钟），空气流动比较顺畅。该小区整体空气龄比较大，空气流动不顺畅。二、节省开启空调的时间当室外空气温湿度较低时自然通风可以在不消耗能源的情况下降低室内温度，带走潮湿气体，达到人体热舒适。人们在不同的自然通风状态下，其热舒适范围是不一样的：在自然通风良好的状态下，温度不高于280C,相对湿度不大于80%时，感觉舒适；在自然通风不畅时，温度高于260C时，就会感觉闷热。三、自然通风的整体设计自然通风分五个层次：区域自然通风、城市自然通风、小区自然通风和室内自然通风。其整体设计步骤一般为：1、确定大气候的自然通风潜力：2、建筑微环境的自然通风设计与评估：3、建筑单体室内自然通风设计与评估3.1确定大气候的自然通风潜力大气候区域自然通风潜力分析，即区域及城市自然通风潜力分析：根据建筑所在地区的宏观气候条件，如宏观风速分布和风向（风玫瑰图）、宏观气温分布、太阳辐射照度、室外空气湿度等来确定该地区气候的自然通风潜力。即有必要收集建筑所在地区的气象参数的逐时变化情况资料并进行分析。3.2建筑微环境（小区）的自然通风设计与评估设计步骤：定性设计、模拟预测、修改设计定性设计：根据建筑小区周围风速与气温分布、小区地形与建筑布局（建筑高度、建筑布局、植被等）等进行建筑小区的自然通风设计。模拟预测：一般采用CFD技术修改设计：根据模拟结果，进行小区规划修改模拟预测：一般采用CFD技术3.3建筑单体室内自然通风设计与评估设计步骤：定性设计、模拟预测、修改设计、模拟预测定性设计：根据建筑小区自然通风潜力，进行建筑平、立面设计，包括：户型平面布局与分隔、开窗位置、开窗面积的大小的设计。确定室内自然通风方案和设计气流路径。模拟预测：一般采用CFD技术设计修改：根据模拟结果修改单体平、立面与室内分隔设计；模拟预测：一般采用CFD技术四、深圳地区及夏热冬暖地区的自然通风条件深圳地区5~9月，每月都有10天以上的时间，具备采用自然通风降温的自然条件；夏热冬暖地区的沿海地区具有较好的自然通风条件，即使在最热份，也有20%以上的天数，具备采用自然通风降温的自然条件；夏热冬暖地区的内陆地区单就气温来讲，在最热份，均有30%以上的天数，具备采用自然通风降温的室外温度条件，但室外风速相对较小，大部分在1.0~1.5m/s左右，因此其自然通风条件不及沿海地区。五、建筑通风与计算机模拟技术自然通风的研究方法可分为两类：实验法和数值模拟法，其中CFD方法就是数值模拟法的一种，目前CFD方法的应用相当广泛。计算机模拟技术（特别是计算流体动力学，CFD）对于建筑设计起着重要作用。基于计算流体动力学的模拟计算软件，可以给我们提供很多用以预测的分析手段，使我们直观地感受可能出现的气流状况，从而为改进建筑设计提供了良好的参考。六、计算流体动力学（CFD）简介CFD是英文ComputationalFluidDynamics（计算流体动力学）的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，CFD相当于“虚拟”地在计算机上做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。总体而言，CFD通常可表述为下图所示的过程：建立数学物理模型数值算法求解结果可视化，如速度矢量图、温度分布图、PMV（PPD)云图、压力分布图等及各参数的动画等。CFD的过程示意根据数学物理模型编制CFD软件计算机运算WhyCFD模型实验模型实验：周期长，价格昂贵，受自然条件限制WhyCFD模拟仿真模拟仿真：周期短，成本低，资料完备，易于模拟真实条件常用CFD软件PHOENICSFLUENTAIRPAKCFXSTAR－CDFIDAP多达数十种商用CFD软件，常用：七、CFD在国内、外的发展动态1933年，英国人Thom首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程，CFD由此而生。1974年，丹麦的Nielsen首次将CFD用于暖通空调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟。之后短短的20多年内，CFD技术在建筑设计中的研究和应用进行得如火如荼。如今，CFD技术逐渐成为广大建筑师和空调工程师解决分析工程问题的有力工具。国外的CFD技术发展较快，目前国内也有一些大学或科研机构在对此进行研究。就其研究方向而言，主要可分为两方面：基础研究和应用研究。目前，美国、欧洲、日本等发达国家对CFD的基础和应用研究都处于领先水平，我国的清华大学等也有较为独特的研究方向，而深圳市建筑科学研究院主要从事应用方面的研究。下面简要介绍。7.1基础研究方面目前CFD在应用基础研究方面，主要有如下新动态：室内空气流动的简化模拟；室内外空气流动的大涡模拟：目前已经开始尝试用于建筑小区和自然通风模拟等；室内空气流动模拟和建筑能耗的耦合模拟：通过将简化的CFD模拟方法和建筑能耗计算耦合对建筑环境进行设计。7.2应用研究方面自然通风的数值模拟：主要借助大涡模拟工具研究自然通风问题；置换通风的数值模拟：如地板置换通风、座椅送风等；高大空间的数值模拟：以体育场馆为主的高大空间的气流组织设计及其与空调负荷计算的关系研究；洁净室的数值模拟：对型式比较固定的洁净室空调气流组织形式进行数值模拟，指导工程设计。有害物散发的数值模拟：借助CFD研究室内有机散发污染物在室内的分布，研究室内IAQ问题；大气环境污染模拟八、CFD在建筑设计中的应用主要有两个方面：1、建筑外环境的模拟设计2、建筑内环境的模拟设计8.1建筑外环境的模拟设计建筑外环境对建筑内部居者的生活有着重要的影响，所谓的建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。采用CFD可以方便地对建筑外环境进行模拟分析，从而设计出合理的建筑风环境。下述为利用CFD对某建筑小区的自然通风模拟设计过程。小区初始设计的自然通风模拟结果风速图风压图空气龄图小区规划图对小区规划设计进行了修改后的模拟结果：风速图风压图空气龄图结论：进行了这些改进之后，建筑凹槽部位空气龄明显下降，建筑自然通风状况明显改善。8.2建筑室内环境的模拟设计采用CFD技术可以对建筑户型和房间进行自然通风和热舒适性模拟，通过改进建筑外窗的位置、大小、室内空间分隔等，保证住户在室外气象条件满足自然通风的时间段能够利用自然通风来满足室内的热舒适性要求，以达到节约能源和提高人体舒适性的目的。下述是对深圳市刚设计好的一套住房的自然通风模拟设计过程。初始设计户型的自然通风模拟结果：问题：两个次卧（最下部的两个房间）的自然通风效果不好，室内空气龄偏大。风速图空气龄图修改后的模拟结果：风速图空气龄图修改方法：在两个次卧两侧的外墙上各增开了一面外窗。修改前的建筑图修改后的建筑图结论：增开了一面外窗后，两个次卧的空气龄明显减小，房间空气更新鲜。九、CFD在暖通空调设计中的应用这方面的应用也主要有两个方面：1、通风空调空间的气流组织设计2、建筑设备性能的研究改进9.1通风空调空间的气流组织设计通风空调空间的气流组织直接影响到其通风空调的效果，借助CFD可以预测仿真气流分布、温度分布、热舒适性等，从而指导设计。通风空调空间通常又可分为：普通建筑空间，如住宅、办公室、高大空间等；特殊空间，如洁净室、客车、列车及其它需要空调的特殊空间。下图为利用CFD设计的某体育馆高大空间的气流组织结果。某体育馆空调送风速度分布图按我国现行的设计体制，计算机模拟仿真既不属于建筑师应该掌握的一门技巧，也不属于空调设计师应该掌握的技术，又没有建立建筑环境的评估体制和相应的评价系统，所以在我国的设计单位普及这种技术目前还较困难。但近年来迫于居住者对环境品质的强烈要求，加上非典的影响，国内许多建筑开发商在积极的拉动这项技术的应用市场。结语谢谢！