隨著人們生活水平和生活質(zhì)量的不斷提高，現(xiàn)代建筑物內(nèi)部裝飾、裝修成為時尚。而20世紀70年代的能源危機所引起的節(jié)能熱潮，使人們在普遍使用保溫節(jié)能材料的基礎(chǔ)上，將房屋盡可能密封。建筑物密閉程度的增加,新風量的不足, 導致了室內(nèi)空氣污染物不容易擴散,增加了室內(nèi)人群與污染物的接觸機會，因此室內(nèi)空氣的污染問題引起人們的極大關(guān)注。研究室內(nèi)有害物產(chǎn)生-擴散及分布的規(guī)律，以便對它們進行有效控制，減少對居住者的危害，已經(jīng)成為環(huán)境衛(wèi)生學領(lǐng)域的一個熱門課題。
1 室內(nèi)空氣品質(zhì)評價
研究發(fā)現(xiàn)，病態(tài)建筑物綜合癥（sick building syndrome，SBS）[1]及隨之產(chǎn)生的工作效率的下降等都直接或間接地與室內(nèi)空氣品質(zhì)（indoor air quality，IAQ）有關(guān)，所以對室內(nèi)空氣品質(zhì)進行評價具有非常重要的意義。室內(nèi)空氣品質(zhì)評價可以做到：①掌握室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況和變化趨勢，以便有效預測室內(nèi)空氣的污染程度；②評價室內(nèi)空氣污染對人體健康的影響以及室內(nèi)人員的接受程度，為制訂室內(nèi)空氣品質(zhì)標準提供依據(jù)；③弄清污染源與室內(nèi)空氣品質(zhì)的關(guān)系，為建筑設(shè)計、衛(wèi)生防疫、污染控制提供依據(jù)。
室內(nèi)空氣品質(zhì)評價是人們認識室內(nèi)環(huán)境的一種科學方法，它是隨著人們對室內(nèi)環(huán)境重要性認識不斷加深而提出的新概念。國際上通常選用CO2、CO、甲醛、可吸入性微粒、NOx、SO2、室內(nèi)細菌總數(shù)、溫度、相對濕度、風速、照度以及噪聲共12個指標[2]來定量地反映室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。我國則選用溫度、相對濕度、空氣流速、新風量、SO2、NO2、CO、CO2、NH3、O3、甲醛、苯、甲苯、二甲苯、苯并[a]芘B(a)P、可吸入顆粒物、總揮發(fā)性有機物、菌落總數(shù)、氡共19項指標。目前國內(nèi)外普遍運用的室內(nèi)空氣品質(zhì)評價方法有主觀評價法、客觀評價法和主客觀相結(jié)合的綜合評價法[3]。其中較為成熟的客觀評價法有室內(nèi)空氣污染物的檢測評價法和CFD數(shù)值模擬法。污染物檢測評價法是指選擇具有代表性的污染物作為評價指標，通過采樣分析測定該污染物濃度，后對照室內(nèi)空氣質(zhì)量標準做出檢測報告，得出室內(nèi)環(huán)境是否達標。這種方法非常直觀，從檢測報告中可以看出室內(nèi)污染物的超標倍數(shù)。但是該方法的分析測定結(jié)果只能反映室內(nèi)污染物在極限狀態(tài)下的平均濃度，而不能反映通風狀況下空間各點污染物的濃度分布。
CFD (Computational Fluid Dynamics，計算流體力學)數(shù)值模擬法是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。它可以模擬室內(nèi)空氣中氣流的運動狀態(tài)和污染物在空氣中的分布狀況。簡單地說,該方法就是在計算機上虛擬地做實驗，依據(jù)室內(nèi)空氣流動的數(shù)學物理模型,將房間劃分為小的控制體,把控制空氣流動的連續(xù)的微分方程組離散為非連續(xù)的代數(shù)方程組,然后結(jié)合實際的邊界條件在計算機上進行數(shù)值求解。只要劃分的控制體足夠小就可認為離散區(qū)域上的離散值代表整個房間內(nèi)空氣分布情況[4]。其理論依據(jù)是質(zhì)量、動量以及能量三大守恒定律[5~7]
2 CFD計算方法及模型
室內(nèi)大部分氣流屬于湍流，數(shù)值計算中湍流粘性占主導地位，僅在壁面附近為層流。由于室內(nèi)空氣流動雷諾數(shù)（Re）較大，故通風房間可模擬為一個非穩(wěn)態(tài)的三維湍流問題，一般采用標準的K-ε兩方程模型對其進行數(shù)學描述。CFD計算方法主要有三種：差分法、有限元法、有限體積法。
描述室內(nèi)空氣環(huán)境氣流的流動和傳熱現(xiàn)象以及污染物的擴散傳質(zhì)現(xiàn)象的微分方程包括連續(xù)方程、動量方程、能量方程、氣體組分方程等,它們可統(tǒng)一寫成如下的標準形式 ：
式中，φ為微分方程的因變量，它取1時代表連續(xù)方程，取ui, T, k, ε, m,分別對應(yīng)于速度、溫度、湍流動能、湍流動能和氣體組分方程，Γφ為擴散系數(shù)；Sφ為廣義源項。
通常采用有限差分法進行離散,再用某種離散算法，比如SIMPLE方法求解。具體求解時，可借助于功能強大的商用CFD軟件(如FLUENT、PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDAP等) [9]，利用它們直觀而便捷的操作迅速完成計算,而讓專業(yè)人員專注于所探討的問題本身。
3 CFD在室內(nèi)空氣質(zhì)量評價方面的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用
目前國外所從事的室內(nèi)環(huán)境領(lǐng)域的研究開發(fā)工作主要集中在病態(tài)建筑物綜合癥(SBS)的成因及預防、氡(Rn)輻射的控制、室內(nèi)環(huán)境污染與人類健康等方面。在西方發(fā)達國家，由于呈病態(tài)建筑物綜合癥狀（SBS）的人數(shù)急劇增加，因此，各國投入了大量的人力和財力從事室內(nèi)環(huán)境問題的研究和開發(fā)工作。近年來CFD 技術(shù)已成為對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)（如空氣溫度、濕度、空氣速度、污染物濃度）進行數(shù)值模擬和預測的重要工具。由于室內(nèi)污染物的多樣性、微量性和累積性,許多研究機構(gòu)投巨資建立了專門用于室內(nèi)環(huán)境研究的受控環(huán)境艙(Controlled Environment Chamber, CEC)，如美國勞倫斯·伯克利實驗室(LBNL)的室內(nèi)環(huán)境系和丹麥理工大學的室內(nèi)環(huán)境和能源國際中心(ICIEE)等，因而占據(jù)著此領(lǐng)域的地位。目前，勞倫斯·伯克利國家實驗室正在使用埃施朗公司的LonWorks技術(shù)開發(fā)一個供暖、通風和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的原型，以改善加州85000個可移動教室(portable classroom)的室內(nèi)空氣質(zhì)量。丹麥理工大學的室內(nèi)環(huán)境和能源國際中心的研究主要集中在人體熱舒適、室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)對人體健康、舒適和工作效率的影響以及個性化送風系統(tǒng)的設(shè)計等幾個方面。他們正在用CFD技術(shù)模擬室內(nèi)暖體假人（thermal manikin）周圍的流場分布，從事人體對室內(nèi)環(huán)境的感知機理，人體與環(huán)境之間的對流、輻射等熱交換形式的理論和實驗研究，期待得到室內(nèi)尤其是人體周圍的溫度和污染物濃度分布。
我國對室內(nèi)環(huán)境的研究的深度和廣度上還很有限，大多數(shù)研究集中在對燃料燃燒、吸煙以及不同場合的VOC的排放、室內(nèi)裝修及家具帶來的污染、室內(nèi)環(huán)境污染的治理、對人體的健康效應(yīng)的評價以及對氡的檢測等幾個方面的實驗研究上。對室內(nèi)空氣氣流的運動狀態(tài)和污染物在空氣中的分布的研究正處于剛剛起步的階段。目前國內(nèi)只有幾家科研單位和大專院校做了有關(guān)室內(nèi)環(huán)境CFD方面的研究工作。通過使用CFD技術(shù)可以實現(xiàn)以下目標：結(jié)合室內(nèi)污染源釋放擴散模型，利用室內(nèi)建材和裝飾材料源釋放數(shù)據(jù)庫，可以掌握室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況和變化趨勢，預測室內(nèi)空氣的污染程度，評價室內(nèi)空氣品質(zhì)，指導建材和裝飾材料的使用，減少由于室內(nèi)空氣品質(zhì)低劣導致病態(tài)建筑出現(xiàn)的可能性；結(jié)合空氣凈化器模型，優(yōu)化送回風方式和空氣凈化器擺放位置，使空氣凈化器效率達到高[10]。
由于數(shù)值模擬相對于實驗研究有獨特的優(yōu)點,比如成本低,周期短,能獲得完整的數(shù)據(jù),能模擬出實際運行過程中各種所測數(shù)據(jù)狀態(tài)，對于設(shè)計、改造等商業(yè)或?qū)嶒炇覒?yīng)用起到重要的指導作用,因而CFD技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用[11~14]。在環(huán)境方面的應(yīng)用主要包括以下幾部分：河流中污染物的擴散規(guī)律的研究；汽車尾氣對街道環(huán)境污染的分析以及室內(nèi)空氣氣流及污染物的分布[15~17]。
3.1 室內(nèi)空氣質(zhì)量與熱舒適
從20世紀20年代起，由人們對空調(diào)系統(tǒng)引起的吹風感的抱怨開始，產(chǎn)生了空氣流動對熱舒適影響的研究。50年代末，對熱舒適的研究進入高潮。從研究空氣平均速度對熱舒適性的影響到研究氣流脈動強度、氣流脈動頻率對人體熱感覺的影響。而對吹風感的研究多基于實驗研究，這給CFD的理論研究積累了大量的數(shù)據(jù)。基于此，CFD學者們可以對不同的置換通風系統(tǒng)中的氣流平均速度、脈動強度及脈動頻率特性進行模擬，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，再通過與實驗結(jié)果的對比，提出可以有效評價吹風感的參數(shù)及其數(shù)學模型，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)可能產(chǎn)生的吹風感的預測。
置換通風是建筑通風常用的形式，包含兩種不同的對流方式：一種是由離散熱源與污染源浮升力作用引起的自然對流；另一種是由外界機械通風引起的強迫對流。因此，室內(nèi)實際的空氣流動與傳熱傳質(zhì)特性應(yīng)該由上述兩種對流之間的相互作用來決定。
日本東京大學的Marahami[20]利用低雷諾數(shù)K-ε湍流模型和Gagge的人體兩節(jié)點模型，模擬計算了人體與環(huán)境熱濕傳遞過程中人體周圍的空氣溫度、濕度、空氣流速分布，模擬計算結(jié)果與對真人和暖體假人的實測結(jié)果相近。利用模擬計算結(jié)果可準確預測各種室內(nèi)熱環(huán)境下人體的熱感覺。日本開發(fā)了用于人體熱舒適評價和室內(nèi)空氣品質(zhì)評價的軟件，并將PMV、空氣齡等指標的計算問題編入CFD軟件[21]。
美國麻省理工學院(MIT) [22]開發(fā)了幾個雷諾平均納維-斯托克斯RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程模型(如雙層K-ε紊流模型和零方程模型的CFD程序)和大渦模擬LES(Large Eddy Simulation)程序，用于模擬計算帶有置換通風的辦公建筑室內(nèi)空氣流速和溫度，進行建筑物能量分析和室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計，評價建筑物自然通風效果，研究建筑材料的揮發(fā)性有機化合物VOC釋放和室內(nèi)空氣品質(zhì)問題。
徐玉黨和張莉[23]通過模擬計算某房間各個截面上溫度、速度和湍流強度的分布，來預測出整個房間的熱舒適度。在數(shù)值模擬可視圖中，可以看到房間內(nèi)的溫度場沒有熱分層現(xiàn)象，且溫度梯度變化不大。計算方法表明，在相同的空氣強度和流速條件下，高湍流強度的氣流比低湍流強度的氣流更容易產(chǎn)生冷吹風感，從而引發(fā)人體舒適性問題。
3.2 室內(nèi)空氣質(zhì)量與建筑通風
通風房間內(nèi)，新風量和風口位置決定著室內(nèi)空氣的溫度、相對濕度以及污染物的分布。因此有效的通風和合理的氣流組織對于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，控制室 內(nèi)空氣污染物水平，保證實現(xiàn)健康建筑有著重要的意義。
目前對室內(nèi)空氣環(huán)境的CFD模擬較好地考慮了熱源浮升力對室內(nèi)氣流的驅(qū)動作用，而很少考慮室內(nèi)污染物濃度差對空氣流動的影響。盡管前者的影響比后者更為明顯，但近年來國內(nèi)室內(nèi)污染物濃度近一半超過國家標準，對人體健康產(chǎn)生了重要影響的事實，使人們意識到污染物濃度差對室內(nèi)氣流的影響與驅(qū)動作用已是不容忽視的。特別是，隨著近年來地板送風空調(diào)系統(tǒng)或置換通風系統(tǒng)的廣泛采用，熱與污染物浮升力作用相當，必須同時給予考慮。
Tatsuya等[24]利用ｋ-ε湍流模型，模擬呈站立、仰臥和坐姿三種狀態(tài)的個體人群周圍的氣流及污染物濃度的分布情況。由于人體呼出的空氣量很少，不足以影響室內(nèi)空氣流場，因此，在邊界條件的設(shè)置中把人嘴設(shè)置為排風口（exhaust fan），并且考慮到呼吸區(qū)的氣流受到由人體新陳代謝產(chǎn)生熱量而呈上升狀態(tài)的影響，設(shè)人體熱流分別為站立：20.0 W/m2, 坐姿：20.3 W/m2,仰臥：30.1 W/m2。此物理模型考慮到了人體的呼吸及其自身代謝的熱量，與實際情況更相符。得到存在污染源（地板）的情況下，人體周圍污染物濃度的分布。另外，研究過程中Tatsuya等定義了更具有實際應(yīng)用價值的污染物吸入效應(yīng)指數(shù)（IECI），用來評價污染物的擴散對人體的危害效應(yīng)。
山東科技大學土木建筑學院的劉玉峰，徐永清[25]利用CFD商用程序，對通風空調(diào)系統(tǒng)兩種常用氣流組織方式(上送上回式以及上送下回式氣流組織方式)的室內(nèi)復合型木制裝飾材料所釋放的揮發(fā)性有機物(以甲醛為評價指標)的濃度場進行了計算，并對計算結(jié)果進行了分析，得出以下結(jié)論：不同氣流組織方式下，室內(nèi)污染物的分布特性、空氣交換效率相差較大。比較而言，上送下回氣流組織方式優(yōu)于上送上回氣流組織方式，其工作區(qū)污染物濃度和空氣交換效率較高。
上海大學的徐麗等[26]采用雷諾平均的N-S方程與RNG的κ–ε渦粘性湍流模型，針對三種不同通風方案對內(nèi)設(shè)障礙物、污染源和集中熱源的房間內(nèi)的三維速度場、溫度場以及污染物CO2的濃度分布進行了數(shù)值模擬分析。并給出了x=1m，x=1.8m和x=2.7m三個剖面上沿房間高度方向的CO2濃度分布圖。得出結(jié)論：在相同的條件下,置換通風方式可獲得好的IAQ。因為上進上出通風房間內(nèi)的CO2濃度達到幾萬ppm,已遠超出IAQ評價標準。上側(cè)進上側(cè)出通風方式則介于二者之間，但也超標。
另外，文獻[26]還給出了污染物的質(zhì)量組份的對流-擴散方程,介紹了通風效率的概念。通過對三種通風方式的氣流組織和室內(nèi)空氣品質(zhì)的比較得出,置換通風可使室內(nèi)工作區(qū)得到較高的空氣品質(zhì)、較高的熱舒適性,并具有較高的通風效率。
4 展 望
自從1974年,丹麥的Nilsen首次將CFD技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)工程，模擬室內(nèi)空氣流動情況后，近年來，計算流體動力學在建筑環(huán)境模擬中的應(yīng)用日趨廣泛與成熟，并逐步成為人們認識與評價室內(nèi)空氣環(huán)境的重要手段與工具。因為CFD數(shù)值模擬得到的微觀數(shù)據(jù)分布，如空氣流速、溫度與污染物濃度等，是設(shè)計與控制健康舒適室內(nèi)空氣環(huán)境的依據(jù)[27]。通過數(shù)值模擬技術(shù)對建筑室內(nèi)環(huán)境進行模擬仿真，可以形象、直觀、快捷地對室內(nèi)氣流流動形成的微環(huán)境做出分析和評價，這不僅便于讓各類技術(shù)人員了解和把握室內(nèi)空氣及其污染物的分布規(guī)律，同時也是優(yōu)化建筑規(guī)劃設(shè)計的有力工具[28]。
目前用CFD模擬室內(nèi)空氣狀況還存在以下問題：（1）無論是國內(nèi)還是國外，用CFD技術(shù)模擬的室內(nèi)空氣污染物分布情況大都是針對甲醛和二氧化碳，對于苯、甲苯等室內(nèi)空氣濃度中危害較大的致癌性污染物進行模擬測定的還很少；（2）在模擬結(jié)果與實驗測定相比較的基礎(chǔ)上，為了得到更優(yōu)化的模型，還要注重不同模型所得結(jié)果之間的對比； （3）由于現(xiàn)階段對室內(nèi)空氣污染物的檢測是在房間密閉的情況下進行的，因此，對密閉房間的模擬也有一定的現(xiàn)實意義?，F(xiàn)今，多數(shù)學者都在研究通風房間的氣流及污染物狀況，對于密閉房間研究甚少。
綜上所述， CFD技術(shù)可以對室內(nèi)氣流組織特性和污染物傳播規(guī)律進行模擬，為評估室內(nèi)空氣品質(zhì)和研究人體舒適性提供有力依據(jù)。但是需要選擇合理的數(shù)學模型和離散方法，設(shè)置符合實際的邊界條件，模擬結(jié)果才能與實際相符。它減少了研究者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復、低效的勞動，可以將更多的精力和時間投入到考慮問題的本質(zhì)，優(yōu)化算法的選用，參數(shù)的設(shè)定等方面。因此，作為一種新學科，CFD將會隨著技術(shù)的進步和發(fā)展而日趨成熟，并且將在環(huán)境領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。
1 室內(nèi)空氣品質(zhì)評價
研究發(fā)現(xiàn)，病態(tài)建筑物綜合癥（sick building syndrome，SBS）[1]及隨之產(chǎn)生的工作效率的下降等都直接或間接地與室內(nèi)空氣品質(zhì)（indoor air quality，IAQ）有關(guān)，所以對室內(nèi)空氣品質(zhì)進行評價具有非常重要的意義。室內(nèi)空氣品質(zhì)評價可以做到：①掌握室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況和變化趨勢，以便有效預測室內(nèi)空氣的污染程度；②評價室內(nèi)空氣污染對人體健康的影響以及室內(nèi)人員的接受程度，為制訂室內(nèi)空氣品質(zhì)標準提供依據(jù)；③弄清污染源與室內(nèi)空氣品質(zhì)的關(guān)系，為建筑設(shè)計、衛(wèi)生防疫、污染控制提供依據(jù)。
室內(nèi)空氣品質(zhì)評價是人們認識室內(nèi)環(huán)境的一種科學方法，它是隨著人們對室內(nèi)環(huán)境重要性認識不斷加深而提出的新概念。國際上通常選用CO2、CO、甲醛、可吸入性微粒、NOx、SO2、室內(nèi)細菌總數(shù)、溫度、相對濕度、風速、照度以及噪聲共12個指標[2]來定量地反映室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。我國則選用溫度、相對濕度、空氣流速、新風量、SO2、NO2、CO、CO2、NH3、O3、甲醛、苯、甲苯、二甲苯、苯并[a]芘B(a)P、可吸入顆粒物、總揮發(fā)性有機物、菌落總數(shù)、氡共19項指標。目前國內(nèi)外普遍運用的室內(nèi)空氣品質(zhì)評價方法有主觀評價法、客觀評價法和主客觀相結(jié)合的綜合評價法[3]。其中較為成熟的客觀評價法有室內(nèi)空氣污染物的檢測評價法和CFD數(shù)值模擬法。污染物檢測評價法是指選擇具有代表性的污染物作為評價指標，通過采樣分析測定該污染物濃度，后對照室內(nèi)空氣質(zhì)量標準做出檢測報告，得出室內(nèi)環(huán)境是否達標。這種方法非常直觀，從檢測報告中可以看出室內(nèi)污染物的超標倍數(shù)。但是該方法的分析測定結(jié)果只能反映室內(nèi)污染物在極限狀態(tài)下的平均濃度，而不能反映通風狀況下空間各點污染物的濃度分布。
CFD (Computational Fluid Dynamics，計算流體力學)數(shù)值模擬法是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。它可以模擬室內(nèi)空氣中氣流的運動狀態(tài)和污染物在空氣中的分布狀況。簡單地說,該方法就是在計算機上虛擬地做實驗，依據(jù)室內(nèi)空氣流動的數(shù)學物理模型,將房間劃分為小的控制體,把控制空氣流動的連續(xù)的微分方程組離散為非連續(xù)的代數(shù)方程組,然后結(jié)合實際的邊界條件在計算機上進行數(shù)值求解。只要劃分的控制體足夠小就可認為離散區(qū)域上的離散值代表整個房間內(nèi)空氣分布情況[4]。其理論依據(jù)是質(zhì)量、動量以及能量三大守恒定律[5~7]
2 CFD計算方法及模型
室內(nèi)大部分氣流屬于湍流，數(shù)值計算中湍流粘性占主導地位，僅在壁面附近為層流。由于室內(nèi)空氣流動雷諾數(shù)（Re）較大，故通風房間可模擬為一個非穩(wěn)態(tài)的三維湍流問題，一般采用標準的K-ε兩方程模型對其進行數(shù)學描述。CFD計算方法主要有三種：差分法、有限元法、有限體積法。
描述室內(nèi)空氣環(huán)境氣流的流動和傳熱現(xiàn)象以及污染物的擴散傳質(zhì)現(xiàn)象的微分方程包括連續(xù)方程、動量方程、能量方程、氣體組分方程等,它們可統(tǒng)一寫成如下的標準形式 ：
式中，φ為微分方程的因變量，它取1時代表連續(xù)方程，取ui, T, k, ε, m,分別對應(yīng)于速度、溫度、湍流動能、湍流動能和氣體組分方程，Γφ為擴散系數(shù)；Sφ為廣義源項。
通常采用有限差分法進行離散,再用某種離散算法，比如SIMPLE方法求解。具體求解時，可借助于功能強大的商用CFD軟件(如FLUENT、PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDAP等) [9]，利用它們直觀而便捷的操作迅速完成計算,而讓專業(yè)人員專注于所探討的問題本身。
3 CFD在室內(nèi)空氣質(zhì)量評價方面的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用
目前國外所從事的室內(nèi)環(huán)境領(lǐng)域的研究開發(fā)工作主要集中在病態(tài)建筑物綜合癥(SBS)的成因及預防、氡(Rn)輻射的控制、室內(nèi)環(huán)境污染與人類健康等方面。在西方發(fā)達國家，由于呈病態(tài)建筑物綜合癥狀（SBS）的人數(shù)急劇增加，因此，各國投入了大量的人力和財力從事室內(nèi)環(huán)境問題的研究和開發(fā)工作。近年來CFD 技術(shù)已成為對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)（如空氣溫度、濕度、空氣速度、污染物濃度）進行數(shù)值模擬和預測的重要工具。由于室內(nèi)污染物的多樣性、微量性和累積性,許多研究機構(gòu)投巨資建立了專門用于室內(nèi)環(huán)境研究的受控環(huán)境艙(Controlled Environment Chamber, CEC)，如美國勞倫斯·伯克利實驗室(LBNL)的室內(nèi)環(huán)境系和丹麥理工大學的室內(nèi)環(huán)境和能源國際中心(ICIEE)等，因而占據(jù)著此領(lǐng)域的地位。目前，勞倫斯·伯克利國家實驗室正在使用埃施朗公司的LonWorks技術(shù)開發(fā)一個供暖、通風和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的原型，以改善加州85000個可移動教室(portable classroom)的室內(nèi)空氣質(zhì)量。丹麥理工大學的室內(nèi)環(huán)境和能源國際中心的研究主要集中在人體熱舒適、室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)對人體健康、舒適和工作效率的影響以及個性化送風系統(tǒng)的設(shè)計等幾個方面。他們正在用CFD技術(shù)模擬室內(nèi)暖體假人（thermal manikin）周圍的流場分布，從事人體對室內(nèi)環(huán)境的感知機理，人體與環(huán)境之間的對流、輻射等熱交換形式的理論和實驗研究，期待得到室內(nèi)尤其是人體周圍的溫度和污染物濃度分布。
我國對室內(nèi)環(huán)境的研究的深度和廣度上還很有限，大多數(shù)研究集中在對燃料燃燒、吸煙以及不同場合的VOC的排放、室內(nèi)裝修及家具帶來的污染、室內(nèi)環(huán)境污染的治理、對人體的健康效應(yīng)的評價以及對氡的檢測等幾個方面的實驗研究上。對室內(nèi)空氣氣流的運動狀態(tài)和污染物在空氣中的分布的研究正處于剛剛起步的階段。目前國內(nèi)只有幾家科研單位和大專院校做了有關(guān)室內(nèi)環(huán)境CFD方面的研究工作。通過使用CFD技術(shù)可以實現(xiàn)以下目標：結(jié)合室內(nèi)污染源釋放擴散模型，利用室內(nèi)建材和裝飾材料源釋放數(shù)據(jù)庫，可以掌握室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況和變化趨勢，預測室內(nèi)空氣的污染程度，評價室內(nèi)空氣品質(zhì)，指導建材和裝飾材料的使用，減少由于室內(nèi)空氣品質(zhì)低劣導致病態(tài)建筑出現(xiàn)的可能性；結(jié)合空氣凈化器模型，優(yōu)化送回風方式和空氣凈化器擺放位置，使空氣凈化器效率達到高[10]。
由于數(shù)值模擬相對于實驗研究有獨特的優(yōu)點,比如成本低,周期短,能獲得完整的數(shù)據(jù),能模擬出實際運行過程中各種所測數(shù)據(jù)狀態(tài)，對于設(shè)計、改造等商業(yè)或?qū)嶒炇覒?yīng)用起到重要的指導作用,因而CFD技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用[11~14]。在環(huán)境方面的應(yīng)用主要包括以下幾部分：河流中污染物的擴散規(guī)律的研究；汽車尾氣對街道環(huán)境污染的分析以及室內(nèi)空氣氣流及污染物的分布[15~17]。
3.1 室內(nèi)空氣質(zhì)量與熱舒適
從20世紀20年代起，由人們對空調(diào)系統(tǒng)引起的吹風感的抱怨開始，產(chǎn)生了空氣流動對熱舒適影響的研究。50年代末，對熱舒適的研究進入高潮。從研究空氣平均速度對熱舒適性的影響到研究氣流脈動強度、氣流脈動頻率對人體熱感覺的影響。而對吹風感的研究多基于實驗研究，這給CFD的理論研究積累了大量的數(shù)據(jù)。基于此，CFD學者們可以對不同的置換通風系統(tǒng)中的氣流平均速度、脈動強度及脈動頻率特性進行模擬，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，再通過與實驗結(jié)果的對比，提出可以有效評價吹風感的參數(shù)及其數(shù)學模型，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)可能產(chǎn)生的吹風感的預測。
置換通風是建筑通風常用的形式，包含兩種不同的對流方式：一種是由離散熱源與污染源浮升力作用引起的自然對流；另一種是由外界機械通風引起的強迫對流。因此，室內(nèi)實際的空氣流動與傳熱傳質(zhì)特性應(yīng)該由上述兩種對流之間的相互作用來決定。
日本東京大學的Marahami[20]利用低雷諾數(shù)K-ε湍流模型和Gagge的人體兩節(jié)點模型，模擬計算了人體與環(huán)境熱濕傳遞過程中人體周圍的空氣溫度、濕度、空氣流速分布，模擬計算結(jié)果與對真人和暖體假人的實測結(jié)果相近。利用模擬計算結(jié)果可準確預測各種室內(nèi)熱環(huán)境下人體的熱感覺。日本開發(fā)了用于人體熱舒適評價和室內(nèi)空氣品質(zhì)評價的軟件，并將PMV、空氣齡等指標的計算問題編入CFD軟件[21]。
美國麻省理工學院(MIT) [22]開發(fā)了幾個雷諾平均納維-斯托克斯RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程模型(如雙層K-ε紊流模型和零方程模型的CFD程序)和大渦模擬LES(Large Eddy Simulation)程序，用于模擬計算帶有置換通風的辦公建筑室內(nèi)空氣流速和溫度，進行建筑物能量分析和室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計，評價建筑物自然通風效果，研究建筑材料的揮發(fā)性有機化合物VOC釋放和室內(nèi)空氣品質(zhì)問題。
徐玉黨和張莉[23]通過模擬計算某房間各個截面上溫度、速度和湍流強度的分布，來預測出整個房間的熱舒適度。在數(shù)值模擬可視圖中，可以看到房間內(nèi)的溫度場沒有熱分層現(xiàn)象，且溫度梯度變化不大。計算方法表明，在相同的空氣強度和流速條件下，高湍流強度的氣流比低湍流強度的氣流更容易產(chǎn)生冷吹風感，從而引發(fā)人體舒適性問題。
3.2 室內(nèi)空氣質(zhì)量與建筑通風
通風房間內(nèi)，新風量和風口位置決定著室內(nèi)空氣的溫度、相對濕度以及污染物的分布。因此有效的通風和合理的氣流組織對于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，控制室 內(nèi)空氣污染物水平，保證實現(xiàn)健康建筑有著重要的意義。
目前對室內(nèi)空氣環(huán)境的CFD模擬較好地考慮了熱源浮升力對室內(nèi)氣流的驅(qū)動作用，而很少考慮室內(nèi)污染物濃度差對空氣流動的影響。盡管前者的影響比后者更為明顯，但近年來國內(nèi)室內(nèi)污染物濃度近一半超過國家標準，對人體健康產(chǎn)生了重要影響的事實，使人們意識到污染物濃度差對室內(nèi)氣流的影響與驅(qū)動作用已是不容忽視的。特別是，隨著近年來地板送風空調(diào)系統(tǒng)或置換通風系統(tǒng)的廣泛采用，熱與污染物浮升力作用相當，必須同時給予考慮。
Tatsuya等[24]利用ｋ-ε湍流模型，模擬呈站立、仰臥和坐姿三種狀態(tài)的個體人群周圍的氣流及污染物濃度的分布情況。由于人體呼出的空氣量很少，不足以影響室內(nèi)空氣流場，因此，在邊界條件的設(shè)置中把人嘴設(shè)置為排風口（exhaust fan），并且考慮到呼吸區(qū)的氣流受到由人體新陳代謝產(chǎn)生熱量而呈上升狀態(tài)的影響，設(shè)人體熱流分別為站立：20.0 W/m2, 坐姿：20.3 W/m2,仰臥：30.1 W/m2。此物理模型考慮到了人體的呼吸及其自身代謝的熱量，與實際情況更相符。得到存在污染源（地板）的情況下，人體周圍污染物濃度的分布。另外，研究過程中Tatsuya等定義了更具有實際應(yīng)用價值的污染物吸入效應(yīng)指數(shù)（IECI），用來評價污染物的擴散對人體的危害效應(yīng)。
山東科技大學土木建筑學院的劉玉峰，徐永清[25]利用CFD商用程序，對通風空調(diào)系統(tǒng)兩種常用氣流組織方式(上送上回式以及上送下回式氣流組織方式)的室內(nèi)復合型木制裝飾材料所釋放的揮發(fā)性有機物(以甲醛為評價指標)的濃度場進行了計算，并對計算結(jié)果進行了分析，得出以下結(jié)論：不同氣流組織方式下，室內(nèi)污染物的分布特性、空氣交換效率相差較大。比較而言，上送下回氣流組織方式優(yōu)于上送上回氣流組織方式，其工作區(qū)污染物濃度和空氣交換效率較高。
上海大學的徐麗等[26]采用雷諾平均的N-S方程與RNG的κ–ε渦粘性湍流模型，針對三種不同通風方案對內(nèi)設(shè)障礙物、污染源和集中熱源的房間內(nèi)的三維速度場、溫度場以及污染物CO2的濃度分布進行了數(shù)值模擬分析。并給出了x=1m，x=1.8m和x=2.7m三個剖面上沿房間高度方向的CO2濃度分布圖。得出結(jié)論：在相同的條件下,置換通風方式可獲得好的IAQ。因為上進上出通風房間內(nèi)的CO2濃度達到幾萬ppm,已遠超出IAQ評價標準。上側(cè)進上側(cè)出通風方式則介于二者之間，但也超標。
另外，文獻[26]還給出了污染物的質(zhì)量組份的對流-擴散方程,介紹了通風效率的概念。通過對三種通風方式的氣流組織和室內(nèi)空氣品質(zhì)的比較得出,置換通風可使室內(nèi)工作區(qū)得到較高的空氣品質(zhì)、較高的熱舒適性,并具有較高的通風效率。
4 展 望
自從1974年,丹麥的Nilsen首次將CFD技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)工程，模擬室內(nèi)空氣流動情況后，近年來，計算流體動力學在建筑環(huán)境模擬中的應(yīng)用日趨廣泛與成熟，并逐步成為人們認識與評價室內(nèi)空氣環(huán)境的重要手段與工具。因為CFD數(shù)值模擬得到的微觀數(shù)據(jù)分布，如空氣流速、溫度與污染物濃度等，是設(shè)計與控制健康舒適室內(nèi)空氣環(huán)境的依據(jù)[27]。通過數(shù)值模擬技術(shù)對建筑室內(nèi)環(huán)境進行模擬仿真，可以形象、直觀、快捷地對室內(nèi)氣流流動形成的微環(huán)境做出分析和評價，這不僅便于讓各類技術(shù)人員了解和把握室內(nèi)空氣及其污染物的分布規(guī)律，同時也是優(yōu)化建筑規(guī)劃設(shè)計的有力工具[28]。
目前用CFD模擬室內(nèi)空氣狀況還存在以下問題：（1）無論是國內(nèi)還是國外，用CFD技術(shù)模擬的室內(nèi)空氣污染物分布情況大都是針對甲醛和二氧化碳，對于苯、甲苯等室內(nèi)空氣濃度中危害較大的致癌性污染物進行模擬測定的還很少；（2）在模擬結(jié)果與實驗測定相比較的基礎(chǔ)上，為了得到更優(yōu)化的模型，還要注重不同模型所得結(jié)果之間的對比； （3）由于現(xiàn)階段對室內(nèi)空氣污染物的檢測是在房間密閉的情況下進行的，因此，對密閉房間的模擬也有一定的現(xiàn)實意義?，F(xiàn)今，多數(shù)學者都在研究通風房間的氣流及污染物狀況，對于密閉房間研究甚少。
綜上所述， CFD技術(shù)可以對室內(nèi)氣流組織特性和污染物傳播規(guī)律進行模擬，為評估室內(nèi)空氣品質(zhì)和研究人體舒適性提供有力依據(jù)。但是需要選擇合理的數(shù)學模型和離散方法，設(shè)置符合實際的邊界條件，模擬結(jié)果才能與實際相符。它減少了研究者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復、低效的勞動，可以將更多的精力和時間投入到考慮問題的本質(zhì)，優(yōu)化算法的選用，參數(shù)的設(shè)定等方面。因此，作為一種新學科，CFD將會隨著技術(shù)的進步和發(fā)展而日趨成熟，并且將在環(huán)境領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。