CFD是英文Computational Fluid Dynamics（計算流體動力學）的簡稱。它是伴隨著計算機技術、數值計算技術的發展而發展的。簡單地說，CFD相當於"虛擬"地在計算機做實驗，用以模擬仿真實際的流體流動情況。而其基本原理則是數值求解控制流體流動的微分方程，得出流體流動的流場在連續區域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況。可以認為CFD是現代模擬仿真技術的一種。
1933年，英國人Thom首次用手搖計算機數值求解了二維粘性流體偏微分方程，CFD由此而生。1974年，丹麥的Nielsen首次將CFD用於暖通空調工程領域，對通風房間內的空氣流動進行模擬。之後短短的20多年內，CFD技術在暖通空調工程中的研究和套用進行得如火如荼。如今，CFD技術逐漸成為廣大空調工程師和建築師解決分析工程問題的有力工具。
基本介紹
- 中文名：CFD仿真模擬
- 外文名：Computational Fluid Dynamics
- 發展依據：計算機技術、數值計算技術
- 創始人：Thom
優點,介紹,建立模型,數值算法,結果可視,解決問題,組織設計,環境分析,性能研究,研究,基礎研究,套用研究,
優點
CFD是一種模擬仿真技術，在暖通空調工程中的套用主要在於模擬預測室內外或設備內的空氣或其他工質流體的流動情況。以預測室內空氣分布為例，目前在暖通空調工程中採用的方法主要有四種：射流公式，Zonal model，CFD以及模型實驗。
由於建築空間越來越向複雜化、多樣化和大型化發展，實際空調通風房間的氣流組織形式變化多樣，而傳統的射流理論分析方法採用的是基於某些標準或理想條件理論分析或試驗得到的射流公式對空調送風***流的軸心速度和溫度、射流軌跡等進行預測，勢必會帶來較大的誤差。並且，射流分析方法只能給出室內的一些集總參數性的信息，不能給出設計人員所需的詳細資訊，無法滿足設計者詳細了解室內空氣分布情況的要求；
Zonal model是將房間劃分為一些有限的巨觀區域，認為區域內的相關參數如溫度、濃度相等，而區域間存在熱質交換，通過建立質量和能量守恆方程並充分考慮了區域間壓差和流動的關係來研究房間內的溫度分布以及流動情況，因此模擬得到的實際上還只是一種相對"精確"的集總結果，且在機械通風中的套用還存在較多問題。
模型實驗雖然能夠得到設計人員所需要的各種數據，但需要較長的實驗周期和昂貴的實驗費用，搭建實驗模型耗資很大，有文獻指出單個實驗通常耗資3000~20000美元，而對於不同的條件，可能還需要多個實驗，耗資更多，周期也長達數月以上，難於在工程設計中廣泛採用。
另一方面，CFD具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨特的優點，故其逐漸受到人們的青睞。由表1給出的四種室內空氣分布預測方法的對比可見，就目前的三種理論預測室內空氣分布的方法而言，CFD方法確實具有不可比擬的優點，且由於當前計算機技術的發展，CFD方法的計算周期和成本完全可以為工程套用所接受。儘管CFD方法還存在可靠性和對實際問題的可算性等問題，但這些問題已經逐步得到發展和解決。因此，CFD方法可套用於對室內空氣分布情況進行模擬和預測，從而得到房間內速度、溫度、濕度以及有害物濃度等物理量的詳細分布情況。
進一步而言，對於室外空氣流動以及其它設備內的流體流動的模擬預測，一般只有模型實驗或CFD方法適用。表1的比較同樣表明了CFD方法比模型實驗的優越性。故此，CFD方法可作為解決暖通空調工程的流動和傳熱傳質問題的強有力工具而推廣套用。
比較項目：
介紹
什麼是CFD?簡單地說，CFD就是利用計算機求解流體流動的各種守恆控制偏微分方程組的技術，這其中將涉及流體力學(尤其是湍流力學)、計算方法乃至計算機圖形處理等技術。
因問題的不同，CFD技術也會有所差別，如可壓縮氣體的亞音速流動、不可壓縮氣體的低速流動等。對於暖通空調領域內的流動問題，多為低速流動，流速在10m/s以下；流體溫度或密度變化不大，故可將其看作不可壓縮流動，不必考慮可壓縮流體高速流動下的激波等複雜現象。從此角度而言，此套用範圍內的CFD和數值傳熱學NHT(Numerical Heat Transfer)等同。另外，暖通空調領域內的流體流動多為湍流流動，這又給解決實際問題帶來很大的困難。由於湍流現象至今沒有完全得到解決，目前HVAC內的一些湍流現象主要依靠湍流半經驗理論來解決。
建立模型
建立數學物理模型是對所研究的流動問題進行數學描述，對於暖通空調工程領域的流動問題而言，通常是不可壓流體的粘性流體流動的控制微分方程。另外，由於暖通空調領域的流體流動基本為湍流流動，所以要結合湍流模型才能構成對所關心問題的完整描述，便於數值求解。
如下式為粘性流體流動的通用控制微分方程，隨著其中的變數f的不同，如f代表速度、焓以及湍流參數等物理量時，上式代表流體流動的動量守恆方程、能量守恆方程以及湍流動能和湍流動能耗散率方程。基於該方程，即可求解工程中關心的流場速度、溫度、濃度等物理量分布。
數值算法
上述的各微分方程相互耦合，具有很強的非線性特徵，目前只能利用數值方法進行求解。這就需要對實際問題的求解區域進行離散。數值方法中常用的離散形式有：有限容積，有限差分，有限元。目前這三種方法在暖通空調工程領域的CFD技術中均有套用。總體而言，對於暖通空調領域中的低速，不可壓流動和傳熱問題，採用有限容積法進行離散的情形較多。它具有物理意義清楚，總能滿足物理量的守恆規律的特點。離散後的微分方程組就變成了代數方程組，表現為如下形式 可見，通過離散之後使得難以求解的微分方程變成了容易求解的代數方程，採用一定的數值計算方法求解式表示的代數方程，即可獲得流場的離散分布。從而模擬關心的流動情況。
結果可視
上述代數方程求解後的結果是離散後的各格線節點上的數值，這樣的結果不直觀，難以為一般工程人員或其他相關人員理解。因此將求解結果的速度場、溫度場或濃度場等表示出來就成了CFD技術套用的必要組成部分。通過計算機圖形學等技術，就可以將我們所求解的速度場和溫度場等形象、直觀地表示出來。如下圖2所示即為某會議室側送風時的速度場和溫度場。其中顏色的暖冷表示溫度高低，矢量箭頭的大小表示速度大小。
解決問題
CFD用於解決以下幾類暖通空調工程的問題。
組織設計
環境分析
建築外環境對建築內部居者的生活有著重要的影響，所謂的建築小區二次風、小區熱環境等問題日益受到人們的關注。採用CFD可以方便地對建築外環境進行模擬分析，從而設計出合理的建築風環境。而且，通過模擬建築外環境的風流動情況，還可進一步指導建築內的自然通風設計等。
性能研究
暖通空調工程的許多設備，如風機、蓄冰槽、空調器等，都是通過流體工質的流動而工作的，流動情況對設備性能有著重要的影響。通過CFD模擬計算設備內部的流體流動情況，可以研究設備性能，從而改進其更好地工作，降低建築能耗，節省運行費用。
研究
CFD在暖通空調工程的套用始於1974年，國外在這方面發展較快，目前國內也有一些大學或科研機構在對此進行研究。就其研究方向而言，主要可分為兩方面：基礎研究和套用研究。目前，美國、歐洲、日本等已開發國家對CFD的基礎和套用研究都處於領先水平，我國的清華大學等也有較為獨特的研究方向。下面簡要介紹。
基礎研究
目前CFD在暖通空調工程的套用基礎研究方面，主要有如下新動態：
(1)室內空氣流動的簡化模擬：美國MIT，從描述空調風口入流邊界條件的方法、湍流模型等方面進行研究，以對室內空氣流動進行簡化模擬；中國清華大學，研究空調風口入流邊界條件的新方法、湍流模型以及數值算法，建立室內空氣流動數值模擬的簡捷體系；
(3)室內空氣流動模擬和建築能耗的耦合模擬：美國MIT，通過將簡化的CFD模擬方法和建築能耗計算耦合對建築環境進行設計；
套用研究
(2)置換通風的數值模擬：美國MIT、丹麥Aalborg大學、中國清華大學等，如地板置換通風、座椅送風等；
(3)高大空間的數值模擬：中國清華大學等，以體育場館為主的高大空間的氣流組織設計及其與空調負荷計算的關係研究；
(4)VOC散發的數值模擬：美國MIT等，藉助CFD研究室內有機散發污染物在室內的分布，研究室內IAQ問題；
(5)潔淨室的數值模擬：中國清華大學等；對型式比較固定的潔淨室空調氣流組織形式進行數值模擬，指導工程設計；
