玩轉CFD，你需要搞定這些攔路虎！

02-08

讀研時玩過一陣子動網格，畢業後也做了一些室內外風環境的模擬，前兩年在公司搞了一個《基於室外風環境CFD模擬的城市規劃及建築設計》的課題也賺了點經費，所以這篇文章主要聊一下CFD在室內外風環境模擬中應用的難點。

雖然是玩過一陣子，自己也清楚的知道自己是個半桶水，CFD這玩意兒博大精深，涉及面極廣，可以說各行各業的人都在用，但從室內外風環境中的應用來說，玩過的一大把，精通的極少，室內外風環境這塊敢說自己做出的結果能指導工程的也為數不多。

簡單說一點我認為的難點，有高手多交流。

1、建模

曾經有一陣子想把BIM模型直接導入到ICEM中畫網格，結果發現基本不可能成功，BIM模型細節太多，導致網格質量極差，基本沒法用。所以建模最重要的工作就是簡化實際模型，但是簡化的太過簡單又影響對實際流場的分析，所以要尋找一個平衡點，既能簡化提高網格質量又能方便結果的分析。

比如下面的建築，簡化的模型可能就是幾個描述建築外形的體塊，因為建築的細節對室外的流場幾乎沒什麼影響，那就沒有必要保留這些細節了，否則網格質量太差是沒法計算的。對於室內的模擬同樣的思路，不可能建一個人體模型還把五官都建出來，只要描述大體的外形即可。

網格質量對計算結果有非常大的影響，大多數人一個尺寸的非結構體網格全部搞定，什麼邊界層網格、網格加密、網格質量一概不管，這樣做出來的結果可想而知了。

邊界層網格不能忽略，特別是要研究物體表面傳熱、受力的情況。

盡量提高網格質量（比如網格長寬比、扭曲度等等，在ICEM中可以直接顯示網格質量低的部分，可以通過不斷的調整去優化網格）；能劃分結構體網格的盡量結構體網格，稍微複雜的可以考慮混合網格，即複雜部分用非結構體網格，簡單部分用結構體網格。

流體變化劇烈的部分網格要加密，網格大小要足以描述此處流體的特徵。

看看這個飛機的結構體網格，不得不說，劃分網格是個技術活兒。

邊界條件是求解過程中非常重要的一個設置，正確定義了邊界條件，讓求解的邊界條件最大程度的符合實際情況，求解的結果才可能符合實際。

拿室內風環境的模擬來說，散流器是貼附流，平送出去之後冷氣流再下降，如果就只開個口，按照壓力邊界來計算，結果必然跟實際相差太遠，當然這個對於室內環境的模擬是最大的難點，一般情況下可以單獨模擬風口的特性，再用模擬結果作為室內環境模擬的邊界條件，複雜情況下還要用到UDF來處理。

比如研究活塞風對地鐵環境的影響，只能先模擬活塞風的特性，再用模擬結果作為車站環境模擬的一個邊界條件，如果用動網格加室內環境的模擬是非常難以計算的。

室內冷負荷的形成主要有太陽通過玻璃的輻射傳熱、玻璃和牆體的溫差傳熱、室內人體、設備的發熱，除了太陽輻射其它的因素都好描述，難度就在太陽輻射這裡，太陽輻射形成的冷負荷具有延遲性，如果要精確描述就要加入輻射模型，這無疑給計算帶來很大的麻煩，室內氣流模擬很少見有人考慮太陽輻射的。

讀研時一個同門是研究太陽能煙囪的，這東西當然要用輻射模型去做，結果這哥們直接給煙囪設置了熱邊界條件，就這樣室內氣流還是不流動，沒辦法直接給了煙囪速度邊界，這就直接屬於湊數據了。

室內最重要的幾個環境參數：溫度、相對濕度、風速，溫度和風速都好解決，是計算軟體直接可以輸出的參數，但是相對濕度要輸出就很麻煩了，因為要計算空氣中的水蒸氣含量，這樣一來就成了多相流或者多組分模型了，這又是一個巨大的挑戰，看過很多論文都沒發現對相對濕度進行關注的。

比如做一個大型游泳館的項目，那麼室內的相對濕度就是非常重要的一個指標，如果用數值模擬來指導空調設計，那麼對於相對濕度的分析就是一個非常大的挑戰。

數值計算的結果最後都要通過可視化的方式向人們呈現出來，用這些雲圖、矢量圖、流線圖、二維點線圖等等來分析人們關注的結果，這部分的工作就要抽絲剝繭，一步步的從海量的數據當中抽出所需要的數據，用這些可視化的工具來佐證你的觀點，讓讀者信服，而這部分工作要做好並不容易。

室內環境的分析當中除了經常關注的幾個參數之外，其它一些熱舒適指標比如PMV、空氣齡等等都是更近一步的分析工具，如果用基礎的fluent計算軟體來做要輸出這些參數是要用到UDF的，難度偏大，如果用較為專業的airpak，phenix的flare模塊就比較好實現。

不會用UDF很難說你是個CFD的高手，因為現實中有太多情況是軟體所無法描述的，只有通過UDF去私人訂製，才能讓模擬工況和現實接近。

比如地鐵列車在隧道中的運動是有加速、勻速、減速的過程，這就需要用UDF來描述列車的運動；比如室外風環境的模擬中，來流風是一個梯度風，這就需要用UDF來描述來流風的梯度特性。

UDF的學習跟編程有很大的關係，所以很多博士讀到最後都成了編程的高手，現在不是都流行轉CS嘛，UDF編程倒是給他們提供足夠的轉行資本。

以上是一個半桶水的一點見解，歡迎高手指點。