摘要
CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。CFD 是伴随着计算机科学、数值计算技术的发展而成长起来的一门新兴科学。本文作者对Fluent、Ansys CFX、PHOENICS、Star-CD等软件进行大量、深入的研究与应用。特别是在建筑环境学领域的应用，作者总结了大量Fluent使用经验，如自然对流模拟、污染物浓度模拟、墙面吸附污染物模拟、湿度模拟等，并详细介绍在软件中的设置方法，同时进行了示例。随后，在阶梯教室自然通风这一案例中，进行初步的运用。这些使用解决方法的总结，为今后建筑环境学领域的CFD研究与应用打下了良好的基础。 自然通风实际上已经被国外许多建筑师使用，他们是从建筑设计的角度来最大限度的利用无需能源的自然通风。并且，从建筑设计出发，具有一劳永逸的特点，在建筑完成以后，基本无需追加投资。
天井是最简单方便的自然通风方式之一，其最大特点就是简单实用。天井利用建筑物内部的热源或太阳光照射所产生的热源，使建筑物内部的气流升温而产生热浮力，促使建筑下部的气流上升，并从建筑物顶部排出。这种方式即节能，又有一定的通风效果。本文对长沙市的四处天井建筑进行了实地调查，并给出了相应的结论。
阶梯教室是一种特殊的教学建筑类型。它不但有利于后排座位上的学生观看黑板的内容，而且有利于大部分学生收听讲授老师的语音。众所周知，阶梯教室的座位呈现倾斜状，且阶梯教室的最低处与最高处
一般都设有门窗等可用于通风的装置。风压与热压是自然通风的基本驱动力。那么，当教室里有学生就坐，且打开室内的照明设备时，再加上太阳光的照射，在阶梯教室里面将会产生热升力，这种升力能否被利用吗？与普通教室相比，阶梯教室更有利于自然通风吗？针对这些问题，本文使用Fluent软件进行了初步的模拟研究。通过模拟，预测出相应的结果，然后，对今后的自通风研究建筑设计研究提出了相关的建议。
关键词：CFD技术；建筑环境学；自然通风；风压；热压；阶梯教室；
I
Abstract
CFD stands for Computational Fluid Dynamics and is a new subject of Computer Science and Numerical Calculation. Some research in depth was done on commercial CFD software, such as Fluent, Ansys CFX, PHOENICS, Star-CD and so on. Especially in Fluent, this paper summarizes four solutions in HVAC simulation which are Natural Convection, VOC concentration field, VOC absorption by wall, humidity field. After that, natural ventilation in tiered-seating classroom has been come up with first time in this paper, and is simulated by Fluent, and some answers are presented. These researches contribute to HVAC on CFD.
Natural ventilation was used by architect in the world, and they made use of this method in the way of construction, which had the advantage without additional investment.
Dooryard is one of the ordinary natural ventilation architecture whose characteristic is practical and fit for almost everywhere. Sunshine is used by dooryard and the air’s temperature is ascending in building, and force the air ventilates from bottom to top. In the way energy is saved. Four Dooryard building were investigated by author and some suggestions were made.
Tiered-seating classroom is a special type of architecture and provides good fields of vision and audition for students at back seats of the classroom, but, whether its natural ventilation is better than, or at least the same as that of ordinary classroom remains unknown. This is the key point we care about, so computational fluid dynamics (CFD) was used to simulate the airflow in one ordinary classroom and two tiered-seating ones. At last, some conclusions and suggestion were made on natural ventilation architecture.
Key word: CFD; architecture environment; natural ventilation; wind pressure; stack effect; tiered-seating classroom
II
插图索引
图1.1 大剧院气流组织1 (10)
图1.2 大剧院气流组织2 (11)
图1.3 大剧院气流组织3 (11)
图1.4 观众厅中间纵断面温度分布 (12)
图1.5 加利福尼亚的居住状况模拟 (12)
图1.6 江南新苑住宅小区通风1 (13)
图1.7 江南新苑住宅小区通风2 (13)
图1.8 江南新苑住宅小区通风3 (13)
图1.9 2008年奥运体育中心投标项目1 (14)
图1.10 2008年奥运体育中心投标项目2 (14)
图1.11 室内溜冰场的空气质量和通风的模拟1 (15)
图1.12 室内溜冰场的空气质量和通风的模拟2 (15)
图1.13 室内溜冰场的空气质量和通风的模拟3 (15)
图1.14 车间的通风 (16)
图1.15 复杂建筑里的火灾模拟1 (17)
图1.16 复杂建筑里的火灾模拟2 (17)
图1.17 复杂建筑里的火灾模拟3 (18)
图1.18 运动场火灾情况模拟1 (18)
图1.19 运动场火灾情况模拟2 (19)
图1.20 对风扇的精确模拟1 (19)
图1.21 对风扇的精确模拟2 (20)
图2.1 污染物散发模拟网格划分 (23)
图2.2污染物散发模拟压力场 (24)
图2.3 污染物散发模拟 (25)
图2.4 污染物吸附模拟网格划分 (26)
图2.5 墙面无吸附效果的压力云图 (26)
图2.6 墙面无吸附效果的速度矢量图 (27)
图2.7 墙面无吸附效果的浓度场 (23)
图2.8 墙面有吸附效果的浓度场 (24)
图2.9湿度模拟网络划分 (29)
图2.10 空气湿度分布 (25)
图3.1 英国新议会大厦鸟瞰图 (32)
V
图3.2 德.蒙特福德大楼通风示意图 (32)
图3.3 Tjibaou中心的模型图 (33)
图3.4 诺丁汉的英国国内税收中心外景 (33)
图3.5 教学楼正门的巨大玻璃幕墙 (35)
图3.6 复临舍教学楼的一楼大门 (35)
图3.7 复临舍教学楼的天窗，具有风帽的作用 (36)
图3.8 复临舍教学楼的巨大玻璃幕墙 (36)
图3.9 湖南大学第十四学生公寓1 (37)
图3.10 湖南大学第十四学生公寓2 (37)
图3.11 湖南大学第十四学生公寓3 (38)
图3.12 湖南大学第十四学生公寓4 (38)
图3.13 湖南长沙通程商业广场 (39)
图3.14 湖南长沙通程商业广场大厅玻璃穹隆1 (39)
图3.15 湖南长沙通程商业广场大厅玻璃穹隆2 (40)
图3.16 湖南长沙平和堂商业大厦 (40)
图3.17 湖南长沙平和堂商业大厦大厅天窗1 (41)
图3.18 湖南长沙平和堂商业大厦大厅天窗2 (41)
图3.19 普通教室自然通风速度矢量图 (45)
图2.20 阶梯教室自然通风速度矢量图 (45)
图2.21 阶梯教室模型尺寸详图 (46)
图2.22 六种教室图示 (47)
图2.23普通教室网格划分 (48)
图2.24阶梯教室网格划分 (48)
图2.25带风帽的阶梯教室网格划分 (48)
图2.26教室周围采用结构网格 (49)
阶梯教室图2.27 热源为375 W/m2时，普通教室气流速度云图 (49)
图2.28 热源为375 W/m2时，阶梯教室气流速度云图 (50)
图2.29 热源为375 W/m2时，带天窗阶梯教室气流速度云图 (50)
图2.30 六种情形下换气量对比 (51)
VI
附表索引
表3.1 六种教室详细参数 (46)
表3.2 不同热源强度下通风换气量对比 (51)
VII
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