建筑行業(yè)流體仿真技術(shù)與應(yīng)用

建筑行業(yè)流體仿真技術(shù)與應(yīng)用姓名：宋述軍公司：安世亞太科技（北京）有限公司職務(wù)：客戶支持經(jīng)理主要內(nèi)容建筑行業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向CFD在建筑行業(yè)的應(yīng)用室外風環(huán)境模擬室內(nèi)自然通風的模擬室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)運行效果分析大空間空調(diào)系統(tǒng)的輔助設(shè)計建筑風載的預測大型建筑的消防性能化設(shè)計CFD在建筑行業(yè)的應(yīng)用前景建筑行業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向建筑行業(yè)的發(fā)展伴隨著人類活動的整個歷程目前中國的建筑行業(yè)正處于快速發(fā)展期:從住宅到商業(yè)地產(chǎn)，從小型建筑到大型公共建筑，從地上綜合體到地下功能建筑等等未來的發(fā)展方向：在空間上向地下和空中發(fā)展向綠色建筑靠攏向智能化建筑發(fā)展高密度建筑群體超高超大的建筑體綠色建筑-氣候適應(yīng)性建筑智能化建筑高密度建筑群體tttANSYSFLUENTANSYSFLUENT是世界上最知名、功能最全面的CFD軟件，因其豐富的物理模型使其應(yīng)用廣泛，因其用戶界面友好、算法健壯、新用戶容易上手等優(yōu)點一直在用戶中有著良好的口碑。ANSYSCFXANSYSCFX是世界上第一個全面采用全隱式耦合算法的大型商業(yè)CFD軟件，算法先進、物理模型豐富使其在結(jié)果精確性、計算穩(wěn)定性、計算速度和靈活性上都有優(yōu)異的表現(xiàn)。ANSYSAirpakANSYSAirpak是面向供暖通風和空調(diào)(HVAC)領(lǐng)域工程師的專業(yè)人工環(huán)境系統(tǒng)分析軟件?？梢跃_地模擬所研究對象內(nèi)的空氣流動、傳熱和污染等物理現(xiàn)象，并依照ISO7730標準提供舒適度、PMV、PPD等衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ）的技術(shù)指標。ANSYSCFD核心產(chǎn)品提供建筑行業(yè)完美解決方案室外風環(huán)境模擬《中國綠色建筑評價標準》對室外風環(huán)境有嚴格的要求：建筑物周圍人行區(qū)距地1.5m高處，風速ν<5m/s，風速放大系數(shù)<2，嚴寒、寒冷地區(qū)冬季保證除迎風面之外的建筑物前后壓差不大于5Pa，且有利于夏季、過渡季自然通風，住區(qū)不出現(xiàn)漩渦和死角。中國香港采用AVA（AirVentilationAssessment）體系來評估建筑物周圍風環(huán)境。室內(nèi)自然通風的模擬梯度風：Zg=10mh>380m后，風速可認為趨于均勻，大小等于h=380m處的風速室外風環(huán)境模擬室外風環(huán)境模擬室外風環(huán)境模擬—污染物的擴散室內(nèi)環(huán)境舒適度指標通常的舒適性評價對應(yīng)以下這些評價指標：預測平均熱感覺指數(shù)[

PredictedMeanVote(PMV)]不適人員比例[

Percentageofdissatisfiedpersons(PDD)]相對濕度[

RelativeHumidity(RH)]平均空氣齡[

MeanAgeofAir(MAA)]預測平均熱感覺指數(shù)預測平均熱感覺指數(shù)：PredictedMeanVote(PMV)PMV是由丹麥工科大學的Fanger教授在1967年發(fā)表的熱舒適方程式所提出的溫冷感指標。其中涉及室溫、平均輻射溫度、相對濕度、平均風速、著衣量和人體作業(yè)量六個變量。使用從-3(冷感)～0(中間感受)～+3（熱感）共七個階段的舒適性評價。ISO標準中，PMV在±0.5以內(nèi)狀態(tài)為推薦熱舒適狀態(tài)。預測平均熱感覺指數(shù)預測平均熱感覺指數(shù)：PredictedMeanVote(PMV)定義式：各變量說明M ：體表面的代謝率[W/m2]，其基本單位1Met=58.15[W/m2]。睡眠時約0.8[Met]，辦公室工作時約1.2[Met]。平均成人體表面機約1.7[m2]，此時辦公室工作的場合，代謝量約120[W]。W ：人體所做的機械功[W/m2]。通常取0。H ：體表面的對流、輻射的熱損失[W/m2]Ec ：皮膚上的散熱和出汗散熱量[W/m2]Cres ：呼吸中的顯熱損失量[W/m2]Eres ：呼吸中的潛熱損失量[W/m2]不適人員比例（PPD）不適人員比例：Percentageofdissatisfiedpersons(PDD)PPD指得是，對在一特定環(huán)境感到不適人員的比例。定義式ISO標準中，PDD小于10%的狀態(tài)為推薦熱舒適狀態(tài)。相對濕度：RelativeHumidity(RH)相對濕度：RelativeHumidity(RH)相對濕度指得是，水蒸氣分壓力同當前溫度下飽和水蒸氣壓力之比。定義式水的飽和蒸汽壓計算公式使用JIS采用的SONNTANG公式

水蒸氣的分壓力即，(壓力)×(水蒸氣的摩爾分數(shù))PH2O ：水蒸氣分壓力[Pa]Psat ：飽和水蒸氣壓[Pa]T：水蒸氣溫度[K]P ：圧力[Pa]Xv ：水蒸氣的摩爾分數(shù)平均空氣齡(MAA)平均空氣齡：MeanAgeofAir（MAA）空氣齡是指新鮮空氣由進口進入某一空間并到達某一點所需要的時間，有時也稱為駐留時間或空氣壽命。由于流動的不穩(wěn)定性，流入室內(nèi)某一點的空氣，其進入系統(tǒng)的時間也不相同?？諝饽挲g是一個隨機變量，服從一定的概率分布。所以，空氣年齡的意義是指所有可能到達該點的空氣的年齡的平均值。

室內(nèi)自然通風的模擬建筑室內(nèi)自然通風是指依靠室外風力造成的風壓和室內(nèi)外空氣溫度差造成的熱壓，促使空氣流動，使得建筑室內(nèi)外空氣交換。自然通風不但可以保證建筑室內(nèi)獲得新鮮空氣，帶走多余的熱量，而且又不需要消耗動力，節(jié)省能源，節(jié)省設(shè)備投資和運行費用，因而是一種經(jīng)濟有效的通風方法。室外自然風吹向建筑物時，在建筑物的迎風面形成正壓區(qū)，背風面形成負壓區(qū)，利用兩者之間的壓差進行室內(nèi)通風，就是風壓通風。熱壓通風則是因為室內(nèi)外溫度差引起空氣的密度差而產(chǎn)生的空氣流動：當室內(nèi)空氣溫度高于室外時，使室外空氣由建筑物的下部進入室內(nèi)，而從建筑物的上部排到室外；而當室外溫度高于室內(nèi)時，則氣流流向相反。自然通風的形式：貫流式通風；單面通風；風井或者中庭通風綠色建筑大力提倡在夏季和過渡季采用自然通風，以達到節(jié)約能源的目的，提高經(jīng)濟效益。大型商場的自然通風流線（溫度值）空氣速度矢量溫度分布云圖體育館和劇院的熱舒適度評價Phipps溫室及熱帶植物園：自然對流與太陽輻射室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)運行效果分析HVAC分析目的空氣流動狀態(tài)溫度分布空氣新鮮度污染物分布熱舒適度……如何在最節(jié)能的情況下實現(xiàn)建筑物內(nèi)部空間的氣流速度、溫度、濕度、粉塵以及有害物濃度等物理量的調(diào)控措施辦公室設(shè)計空氣流動狀態(tài)空氣平均壽命溫度分布溫度分布大型數(shù)據(jù)中心醫(yī)院病房空氣平均壽命空氣流動狀態(tài)倉儲式商場空氣平均壽命(s)溫度分布(K)會議室大空間空調(diào)系統(tǒng)的輔助設(shè)計大空間公共建筑是一種為大量人群的公共活動服務(wù)的，能提供較大室內(nèi)空間的建筑類型。大空間公共建筑不應(yīng)拘泥于某一特定建筑類型，也不限制其結(jié)構(gòu)跨度，它可以是單一的空間，如體育館、音樂廳、禮堂，也可以是復合建筑體的一個組成部分，如文化中心、商業(yè)建筑的中庭或門廳。大空間空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計是一個復雜的系統(tǒng)工程，不但要考慮項目的外部條件，包括地理位置、氣候條件、能源構(gòu)成等；而且還要考慮內(nèi)部空間的氣流組織、溫度分布和相關(guān)空調(diào)設(shè)備的選擇及運行管理等。由于大空間建筑的地位重要、構(gòu)造復雜、投資巨大，因此要求設(shè)計階段就能清晰的了解空調(diào)系統(tǒng)的運行情況，因而有必要使用CFD進行數(shù)值模擬，在設(shè)計階段糾正不必要的錯誤。大空間空調(diào)系統(tǒng)的輔助設(shè)計Yoyogi體育場雙月牙穹頂?shù)脑O(shè)計布達佩斯歌劇院體育場鳥瞰圖體育場的速度場流線圖，顏色代表溫度在劇院座位區(qū)和樂隊區(qū)有高達5°C的差異大空間空調(diào)系統(tǒng)的輔助設(shè)計音樂廳舞臺頂排風口舞臺上下兩排噴口回風口音樂池送風口座椅送風口舞臺上側(cè)回風口舞臺回風口側(cè)臺送風口舞臺溫度分布目標區(qū)域溫度分布音樂廳室內(nèi)環(huán)境模擬分析復雜建筑室內(nèi)環(huán)境分析，用于指導暖通設(shè)計建筑風載的預測意義向結(jié)構(gòu)專業(yè)提供平均和極限工況下的風載荷，為阻力減震系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)特別是高層超高層建筑的風載荷對建筑物的影響更大。由于城市梯度風的影響，高層超高層在風載荷下其頂端能夠產(chǎn)生明顯的偏移優(yōu)化建筑物的氣動外形與ANSYSMECHANICAL聯(lián)合進行流固耦合分析建筑風載的預測迪拜帆船酒店倫敦大教堂表面壓力分布倫敦大教堂建筑風載的預測上海鐵路南站風荷載及靜動力響應(yīng)研究上海鐵路南站風荷載及靜動力響應(yīng)研究通過適當降低懸挑部分的高度以研究幾何參數(shù)變化對平均風荷載的影響,數(shù)值模擬結(jié)果說明,適當降低懸挑高度可以顯著減小懸挑部分的平均風荷載大型公共建筑的消防性能化設(shè)計防火安全設(shè)計火焰在建筑物內(nèi)的擴展方式熱煙氣和有毒氣體在建筑物內(nèi)的擴散路徑建筑物內(nèi)空間走向防火隔斷門的布置ANSYSCFD特色豐富的火災模擬模型氣、液、固三種狀態(tài)的燃燒物的燃燒反應(yīng)煙生成、著火、爆炸和爆燃有毒有害氣體的濃度分布能與人員疏散分析相結(jié)合120s240s360s480s600s720s某圖書館火災煙氣發(fā)展云圖隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，建筑物的功能越來越多樣化，建筑物的設(shè)計越來越趨于概念化，大量新理論、新技術(shù)、新材料、新工藝及新設(shè)計理念在建筑消防設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。因此，完全套用指令性規(guī)范已不能較好地滿足目前的建筑設(shè)計要求。例如：展覽廳、體育館、具有高大空間的廠房、大劇場、倉庫、機場航站樓等建筑進行設(shè)計時，經(jīng)常出現(xiàn)與現(xiàn)行規(guī)范條文不相符合情況，顯然對這類建筑進行實物的火災試驗是不可能的，建筑消防安全設(shè)計評估便應(yīng)運而生。消防性能化的背景評價設(shè)計效果和火災危害

對超出規(guī)范的建筑進行合理消防設(shè)計，設(shè)計效果成了其最重要的評價指標，應(yīng)用所有可能的方法去對建筑的火災危險和將要導致的后果進行定性、定量的預測與評估。人員安全

在火災中的各類人員的安全，包括居住者、工作人員、顧客、消防人員等，通常這是大部分建筑物防火安全的主要目標。要達到該目標，應(yīng)當根據(jù)煙氣的流動特點和人員的行為特點，保證所有人員能在有效安全時間內(nèi)撤離起火建筑。消防性能化的目的?2009PERAChina場景設(shè)計

確定火災發(fā)生的位置，火源功率，煙氣釋放率，人員數(shù)量及分布狀況。CFD煙氣模擬危險到來時間的預測，需要分析在所設(shè)計的防排煙系統(tǒng)作用下，火災產(chǎn)生的熱煙氣在建筑空間內(nèi)的運動特性。人員疏散模擬即建筑物內(nèi)發(fā)生火災時，所有人員能否有足夠的時間疏散到安全的地點，疏散過程中不應(yīng)受到火災及煙氣的危害消防性能化判定消防性能化的流程消防性能化設(shè)計案例鐵道某客運專線調(diào)度所大廳Steps：專業(yè)的人員疏散模擬軟件模擬人群在正常及緊急情況下的移動機場展覽館博物館辦公樓火車站地鐵購物中心體育館隧道……易用一般設(shè)計人員可方便使用正常狀況緊急疏散Steps應(yīng)用案例：地鐵站高峰期人群流動模擬t=00:00:18地鐵進站t=00:00:20人流下車t=00:00:26人流出站t=00:00:49進站口擁堵t=00:01:59分流與換乘t=00:02:27疏散完畢鐵道某客運專線調(diào)度所大廳人流疏散看臺走道、坡道，樓梯休息廳、水平走廊、出入口最大單位人流流量（人/m·s）0.941.33人員類型步行速度（m/s）形體尺寸（肩寬m×背厚m×身高m）看臺走道、坡道，樓梯休息廳、水平走廊、出入口上行下行男人0.650.781.300.4×0.3×1.7女人0.550.661.100.4×0.28×1.6出入通道邊界層寬度（cm）樓梯墻壁間15扶手中線間9音樂廳座椅，體育館長