CFD在建筑设计中的应用_精品文档.ppt

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计算流体动力学（计算流体动力学（CFDCFD）在）在建筑设计中的应用建筑设计中的应用2004.6.8刘俊跃刘俊跃深圳市建筑科学研究院深圳市建筑科学研究院一、自然通风的原理一、自然通风的原理二、自然通风在当代建筑中的重要性二、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五、建筑通风与计算机模拟技术六、计算流体动力学（六、计算流体动力学（CFDCFD）简介）简介七、计算流体动力学（七、计算流体动力学（CFDCFD）在国内、外的发展动态）在国内、外的发展动态八、计算流体动力学（八、计算流体动力学（CFDCFD）在建筑设计中的应用）在建筑设计中的应用九、计算流体动力学（九、计算流体动力学（CFDCFD）在暖通空调设计中的应用）在暖通空调设计中的应用主要内容主要内容一、自然通风的原理一、自然通风的原理自然通风的动力自然通风的动力:

风压和热压风压和热压风压风压:

自然通风的风压就是建筑迎风面和背风面自然通风的风压就是建筑迎风面和背风面的压力差的压力差.“穿堂风穿堂风”就是利用风压在建筑内部产生的空气流就是利用风压在建筑内部产生的空气流动。

动。

热压热压:

当室内外空气存在密度差时而形成动力。

当室内外空气存在密度差时而形成动力。

“烟囱效应烟囱效应”就是利用热压作用形成的。

室内外空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。

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？

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。

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；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。

果。

一般来说，建筑进深小的部位、空旷区域多利用风压，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）：

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：

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。

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：

利用热压的作用，如：

Stackventilation二、自然通风在当代建筑中的重要性二、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。

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、节能改善空气品质、节能改善空气品质、节能改善空气品质、节能该户型室内空气龄较小，空气新鲜该户型室内空气龄较小，空气新鲜该户型室内空气龄很大，空气不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（该小区除左上角空气龄稍大外（10分钟左右），其余区分钟左右），其余区域空气龄比较小（小于域空气龄比较小（小于6分钟），空气流动比较顺畅。

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。

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，达到人体热源的情况下降低室内温度，带走潮湿气体，达到人体热舒适。

舒适。

人们在不同的自然通风状态下，其热舒适范围是不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,相对湿度不大于相对湿度不大于80%时，感觉舒适；在自然通风不畅时，时，感觉舒适；在自然通风不畅时，温度高于温度高于260C时，就会感觉闷热。

时，就会感觉闷热。

三、自然通风的整体设计三、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。

其整体设计步骤一风、小区自然通风和室内自然通风。

其整体设计步骤一般为：

般为：

1、确定大气候的自然通风潜力：

、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：

、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建筑单体室内自然通风设计与评估3.13.1确定大气候的自然通风潜力确定大气候的自然通风潜力大气候大气候区域自然通风潜力区域自然通风潜力分析分析，即，即区域及城市自然通风区域及城市自然通风潜力分析潜力分析：

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。

分析。

3.23.2建筑微环境（小区）的自然通风设计与评估建筑微环境（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。

建筑小区的自然通风设计。

模拟预测：

一般采用模拟预测：

一般采用CFD技术技术修改设计：

根据模拟结果，进行小区规划修改修改设计：

根据模拟结果，进行小区规划修改模拟预测：

一般采用模拟预测：

一般采用CFD技术技术3.33.3建筑单体室内自然通风设计与评估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、模拟预设计步骤：

定性设计、模拟预测、修改设计、模拟预测测定性设计定性设计：

根据建筑小区自然通风潜力，进行：

根据建筑小区自然通风潜力，进行建筑平、建筑平、立面设计，包括：

户型平面布局与分隔、开窗位置、开窗立面设计，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面积的大小的设计。

确定室内自然通风方案和设计气流路。

确定室内自然通风方案和设计气流路径。

径。

模拟预测：

一般采用模拟预测：

一般采用CFD技术技术设计修改：

根据模拟结果修改单体平、立面与室内分设计修改：

根据模拟结果修改单体平、立面与室内分隔设计；隔设计；模拟预测：

一般采用模拟预测：

一般采用CFD技术技术四、深圳地区及夏热冬暖地区的自然通风条件四、深圳地区及夏热冬暖地区的自然通风条件u深圳地区深圳地区59月，每月都有月，每月都有10天以上的时间，具备采天以上的时间，具备采用自然通风降温的自然条件；用自然通风降温的自然条件；u夏热冬暖地区的沿海地区具有较好的自然通风条件，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，也有即使在最热份，也有20%以上的天数，具备采用自然通以上的天数，具备采用自然通风降温的自然条件；风降温的自然条件；u夏热冬暖地区的内陆地区单就气温来讲，在最热份，夏热冬暖地区的内陆地区单就气温来讲，在最热份，均有均有30%以上的天数，具备采用自然通风降温的室外温以上的天数，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，大部分在度条件，但室外风速相对较小，大部分在1.01.5m/s左右，因此其自然通风条件不及沿海地区。

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：

自然通风的研究方法可分为两类：

实验法实验法和和数值模数值模拟法拟法，其中，其中CFD方法就是数值模拟法的一种，目前方法就是数值模拟法的一种，目前CFD方法的应用相当广泛。

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，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，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。

筑设计提供了良好的参考。

六、计算流体动力学（六、计算流体动力学（CFDCFD）简介）简介CFD是英文是英文ComputationalFluidDynamics（计算（计算流体动力学）的简称。

它是伴随着流体动力学）的简称。

它是伴随着计算机技术计算机技术、数值计算数值计算技术技术的发展而发展的。

简单地说，的发展而发展的。

简单地说，CFD相当于相当于“虚拟虚拟”地在地在计算机上做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。

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，总体而言，CFD通常可表述为下图所示的过程：

通常可表述为下图所示的过程：

u建立数学物理模型建立数学物理模型u数值算法求解数值算法求解u结果可视化，如速度矢量图、温度分布图、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云图、压力分布图等及各参数的动画等。

等。

CFDCFD的过程示意的过程示意的过程示意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常用CFD软件软件nPHOENICSnFLUENTnAIRPAKnCFXnSTARCDnFIDAP多达数十种商用多达数十种商用CFD软件，常用：

软件，常用：

七、七、CFDCFD在国内、外的发展动态在国内、外的发展动态1933年，英国人年，英国人Thom首次用手摇计算机数值求首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程，解了二维粘性流体偏微分方程，CFD由此而生。

由此而生。

1974年，丹麦的年，丹麦的Nielsen首次将首次将CFD用于暖通空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。

调工程领域，对通风房间内的空气流动进行模拟。

之后短短的之后短短的20多年内，多年内，CFD技术在建筑设计中的技术在建筑设计中的研究和应用进行得如火如荼。

研究和应用进行得如火如荼。

如今，如今，CFD技术逐渐成为广大建筑师和空调工程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。

师解决分析工程问题的有力工具。

国外的国外的CFD技术发展较快，目前国内也有一些大学技术发展较快，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：

分为两方面：

基础研究基础研究和和应用研究应用研究。

目前，美国、欧洲、日本等发达国家对目前，美国、欧洲、日本等发达国家对CFD的基础和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