建筑環(huán)境內(nèi)氣流組織的逆向模擬與設(shè)計(jì)

為了創(chuàng)造一個(gè)健康，舒適而又節(jié)能的室內(nèi)環(huán)境，本研究首先通過(guò)引入權(quán)重因子構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)將多目標(biāo)設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。然后采用基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的伴隨方法進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。基于CFD的伴隨方法用于計(jì)算目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的梯度，以便使優(yōu)化算法（最速梯度法）沿最快的方向最小化目標(biāo)函數(shù)。但優(yōu)化算法中的步長(zhǎng)對(duì)計(jì)算時(shí)間有顯著影響，通常使用的恒定步長(zhǎng)是通過(guò)耗時(shí)的試錯(cuò)過(guò)程獲得的。該研究通過(guò)使用自適應(yīng)步長(zhǎng)來(lái)進(jìn)一步提升伴隨方法的性能?；贑FD的伴隨方法最開(kāi)始是使用“凍結(jié)湍流”假設(shè)（即，湍流粘度的變化等于零）來(lái)推導(dǎo)出伴隨方程，因此梯度的計(jì)算是不準(zhǔn)確的。又因?yàn)楸狙芯恐心繕?biāo)函數(shù)由RANS方程和RNG k-ε湍流模型約束控制，我們開(kāi)發(fā)了RNG k-ε湍流模型的伴隨方程，完善了伴隨方法，提升了計(jì)算精度。改進(jìn)后的伴隨方法可用于確定送風(fēng)口的尺寸，位置和形狀以及送風(fēng)參數(shù)（即速度，溫度和角度），但最佳的設(shè)計(jì)可能包含大量的送風(fēng)口，且實(shí)施起來(lái)是不切實(shí)際的。因此，該研究開(kāi)發(fā)了面積約束的拓?fù)鋬?yōu)化和聚類分析，將多個(gè)送風(fēng)口合并為有限的數(shù)量并確定其大小和位置。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化送風(fēng)口形狀和參數(shù)，可以獲得所需的室內(nèi)環(huán)境。考慮到精度和效率，基于CFD的伴隨方法適用于室內(nèi)環(huán)境的逆向設(shè)計(jì)；但基于CFD的伴隨方法單個(gè)設(shè)計(jì)循環(huán)仍然需要使用個(gè)人計(jì)算機(jī)計(jì)算數(shù)十個(gè)小時(shí)。為了加快逆向設(shè)計(jì)過(guò)程，本研究評(píng)估了四種快速流體動(dòng)力學(xué)（FFD）模型，用于求解Navier-Stokes方程和湍流模型。之后又進(jìn)一步采用FFD求解器求解伴隨方程和用于逆向設(shè)計(jì)室內(nèi)環(huán)境的基于FFD的伴隨方法。結(jié)果表明，F(xiàn)FD在預(yù)測(cè)瞬態(tài)室內(nèi)氣流方面比CFD快20倍，且保持相似的計(jì)算精度；逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中基于FFD的伴隨方法比基于CFD的伴隨方法快4-16倍。 2100433B

為了提高我國(guó)建筑室內(nèi)環(huán)境的舒適性和健康性，降低我國(guó)建筑的通風(fēng)能耗，我們需要對(duì)建筑室內(nèi)氣流組織進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。當(dāng)前國(guó)際上應(yīng)用的室內(nèi)環(huán)境的優(yōu)化方法存在計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)或者計(jì)算精度不高的問(wèn)題，這些問(wèn)題使得工程師很難將室內(nèi)環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到實(shí)際工程中。本團(tuán)隊(duì)將基于在相關(guān)領(lǐng)域研究的深厚積累，發(fā)展室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)建立方法和多目標(biāo)的匹配原則，建立基于伴隨方法的室內(nèi)氣流組織逆向設(shè)計(jì)理論和技術(shù)，通過(guò)對(duì)室內(nèi)空間的逆向模擬與設(shè)計(jì)，從而解決兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：（1）基于伴隨方法的建筑室內(nèi)氣流組織逆向設(shè)計(jì)原理（2）建筑室內(nèi)氣流組織逆向設(shè)計(jì)求解的存在性、唯一性和多重性的判斷準(zhǔn)則。本課題將為我國(guó)設(shè)計(jì)健康、舒適并且節(jié)能的生活和工作環(huán)境提供所需要的理論和技術(shù)。

氣流組織形式對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境影響的數(shù)值模擬

不同的氣流組織方式會(huì)形成不同的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、相對(duì)濕度、潔凈度或有害物濃度場(chǎng)，直接影響通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的效果與經(jīng)濟(jì)性。對(duì)置換通風(fēng)與其它通風(fēng)方式的全面比較研究較少。研究應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法，以辦公室內(nèi)的實(shí)際情況，進(jìn)行不同氣流組織方案下的通風(fēng)效果模擬。

物理模型及簡(jiǎn)化假設(shè)

本文研究辦公室內(nèi)四種氣流組織的物理模型：混合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模型A(上送上回式)；混合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模型B(側(cè)送側(cè)回式，回風(fēng)口在墻上部)；混合通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模型C(側(cè)送側(cè)回式，回風(fēng)口在墻下部)；置換通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模型D(表1)。氣流組織形式D見(jiàn)圖1(其余三種模型只是風(fēng)口尺寸與位置有差別)。辦公室及其設(shè)備模型取自典型的Sebric置換通風(fēng)測(cè)試算例。

為簡(jiǎn)化模型并減少計(jì)算量，必須對(duì)實(shí)際的室內(nèi)氣流做一些假設(shè)：a.連續(xù)性的介質(zhì)；b.定常的流場(chǎng)，實(shí)際情況中，氣流經(jīng)各送風(fēng)口以均勻的速度送入室內(nèi)，一段時(shí)間后，送風(fēng)空氣與室內(nèi)空氣充分混合，室內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)房間的流場(chǎng)可視為定常流(沒(méi)有外部氣流的干擾)；c.空氣視為不可壓縮；d.墻壁、天花板和地板的假設(shè)。房間類型為辦公室，各物理模型根據(jù)實(shí)際情況取不同的邊界條件。為簡(jiǎn)化影響因素，選擇位于四面及樓上樓下均有相鄰房間的建筑物內(nèi)區(qū)，因此不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱。

室內(nèi)溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)分析

（1）對(duì)于散流器送風(fēng)的形式 A，氣流由方形散流器垂直射入室內(nèi)，受浮升力及射流不斷卷吸周圍空氣的影響，射流速度逐漸減小，受到地面的阻礙后轉(zhuǎn)向兩側(cè)流動(dòng)。由于墻壁和室內(nèi)障礙物的阻礙及熱源的影響，氣流在室內(nèi)會(huì)形成多個(gè)回流區(qū)。在送風(fēng)口下方的氣流速度比周圍的大得多，使室內(nèi)人員有明顯的吹風(fēng)感，影響其舒適度。

（2）對(duì)于形式 B，氣流水平射入，受重力作用呈拋物線流動(dòng)，但又受浮升力作用，速度逐漸減小，一部分氣流遇到障礙物后向近壁面(右墻 )流去，另一部分“拋物”氣流遇地面改變方向，向左壁面流去，碰到壁面開(kāi)始爬升，使左下部出現(xiàn)回流現(xiàn)象。一部分氣流水平射入后，受到出口的卷吸作用直接流出房間，即短流現(xiàn)象，使送入的新鮮空氣部分流失而造成能源損失。通觀房間對(duì)稱面全場(chǎng)，氣流速度差別過(guò)大，舒適度也不高。

（3）對(duì)于形式C，與B相比，由于回風(fēng)口的位置布置在對(duì)面墻壁的下方，送入的新鮮空氣不會(huì)直接流出房間。送風(fēng)氣流與室內(nèi)空氣混合更好，使室內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布更均勻，但兩者氣流分布的情況差別不大。

（4）對(duì)于形式 D，室內(nèi)氣流以類似層流的活塞流狀態(tài)緩慢向上移動(dòng)，溫度由下至上逐漸升高，呈明顯層狀分布。由于新風(fēng)的溫度低于室內(nèi)溫度，相對(duì)密度較高，進(jìn)入房間后先向下流動(dòng)，停留在室內(nèi)地板上，形成一個(gè)“新風(fēng)湖”。當(dāng)氣流到達(dá)一定高度遇到障礙物和熱源(如人體、計(jì)算機(jī))時(shí)，新風(fēng)受熱上升，降低發(fā)熱物體的表面溫度，帶走熱量。人體及計(jì)算機(jī)等熱源周圍特別是頂部區(qū)域，隨高度增加溫度明顯上升，形成“熱羽”區(qū)域，正是以“熱羽”形式的上升氣流，將周圍熱空氣卷吸其中，逐漸上升并最終通過(guò)回風(fēng)口排出房間，在工作區(qū)域內(nèi)形成典型的“置換”流動(dòng)。

研究結(jié)論

置換通風(fēng)方式在污染物的排除及熱舒適等方面優(yōu)于其它氣流組織形式?；旌贤L(fēng)的不同氣流組織形式，通風(fēng)效率與熱舒適效果存在差異。選擇適宜的氣流組織形式具有十分重要的意義。

在某些特定的歷史階段，有些國(guó)家往往參照其他國(guó)家原準(zhǔn)機(jī)（而非自己國(guó)家自身產(chǎn)品）“設(shè)計(jì)”的“原準(zhǔn)法”進(jìn)行飛機(jī)的研制。這個(gè)過(guò)程，甚至是一個(gè)尺寸都不能改或不敢改的測(cè)繪仿制。多數(shù)情況下沒(méi)有圖紙、只有實(shí)物，由實(shí)物反推圖紙、反推設(shè)計(jì)、反推需求。

那是一個(gè)充滿了執(zhí)果索因的逆行之旅。

基于“原準(zhǔn)法”的測(cè)繪仿制是典型的逆向設(shè)計(jì)活動(dòng)。特別是在早期武器裝備的測(cè)繪仿制過(guò)程中，存在大量的相對(duì)低水平的逆向設(shè)計(jì)活動(dòng)（如圖1紅色箭頭所示），即僅由實(shí)物反推到圖紙、反推到設(shè)計(jì)，而無(wú)需反求到軍方原始需求。例如，測(cè)繪僅能測(cè)得零件的實(shí)際尺寸，但公差如何給，絕對(duì)是個(gè)技術(shù)活（公差配合的精度很大程度上決定了零件的可靠性和使用壽命），這一步的逆向，正所謂知其然知其所以然。

盡管這種反推，取得了一些成就。然而，歷史的發(fā)展也證明，這種不需承擔(dān)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的“原準(zhǔn)法”并非始終有效的設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)理論上沒(méi)有得到合理闡述，在航空發(fā)展史上僅有非常有限、而非明顯的促進(jìn)作用，其出現(xiàn)是特定歷史條件的產(chǎn)物，并不是航空航天產(chǎn)品等復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身的規(guī)律所決定，已被各國(guó)所摒棄。

在經(jīng)濟(jì)日益國(guó)際化、市場(chǎng)化的今天，復(fù)雜產(chǎn)品和系統(tǒng)的測(cè)繪仿制已不可行。而隨著知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的理念日益得以鞏固，中國(guó)市場(chǎng)正向設(shè)計(jì)的主戰(zhàn)場(chǎng)，已經(jīng)拉開(kāi)。

然而花了真金白銀買了國(guó)外產(chǎn)品的圖紙和專利技術(shù)等知識(shí)產(chǎn)權(quán)的引進(jìn)消化吸收，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是逆向設(shè)計(jì)或逆向工程，而需要具體情況具體分析。

消化吸收再創(chuàng)新，和逃避技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的“原準(zhǔn)法”目的不同，這里一定包含了反推到需求的高水平的逆向設(shè)計(jì)活動(dòng)（如圖1綠色箭頭所示），特別是在消化吸收階段；而到了再創(chuàng)新階段，則是再次進(jìn)入了完整的正向設(shè)計(jì)過(guò)程。

中國(guó)航空行業(yè)有兩個(gè)非常典型的引進(jìn)消化吸收的例子，一是上世紀(jì)七十年代引進(jìn)英國(guó)斯貝航空發(fā)動(dòng)機(jī)，歷時(shí)30年到2003年完成國(guó)產(chǎn)化；一是上世紀(jì)九十年代從俄羅斯引進(jìn)蘇-27SK，歷時(shí)20年衍生出性能全新的殲-11B，兩者的差別十分鮮明。其他行業(yè)，高鐵是走引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新之路比較成功的案例。

與此形成鮮明對(duì)照的是，各種汽車生產(chǎn)線的引進(jìn)基本上是失敗案例。

本書(shū)共8章，首先系統(tǒng)介紹基本量子力學(xué)和固體物理知識(shí)，再闡述第一性原理和CASTEP模塊的操作方法及在材料中的設(shè)計(jì)、模擬與計(jì)算。全書(shū)包含薛定諤方程求解、晶體學(xué)基礎(chǔ)、密度泛函理論、CASTEP操作方法、晶體的電子結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)、晶體彈性理論、硬度與超硬材料、磁性性質(zhì)模擬分析等。