CFD 流場模擬方法

在國科會研究「住宅室內通風效率 實 測 評 估 法 研 究 」 (NSC 88-2211-E-006-047)中，研究團隊曾經利 用計算流體力學（CFD, Computational Fluid Dynamics）之數值模擬，探討不同 高氣窗位置，對台灣地區典型廚房空間 自然通風之影響。根據所研究之四種高 氣窗開窗模式，開口的位置越接近濃度 高的區域，其效果就越顯著，也就是它 可以在單位時間內排除較多量的污染 物，來達到通風換氣效果。因此依照其 數值結果可歸納出最佳高氣窗設置位 置，文中建議未來可應用此種高氣窗模 式，作為成經濟、簡便又有效廚房開口

方式，達到良好通風換氣之目的。而在「內含RBS 之雙層斜屋頂構造熱 流模式之解析」(NSC 95-2221-E-426-014) 中，曾經分析雙層斜屋頂構造 的校園建築，其雙層構造內的空間流場結構與溫度場分佈，以及設計為 雙層斜屋頂構造後對於教室空間之熱環境影響。由於在自然通風狀態 時，FDS 對於居室火場煙流模擬有其限制，因此，本研究額外利用其他 CFD 軟體（Phoenics, ）予以輔助觀測細部熱流狀況，以利現象解釋與發 展推估。

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圖3-4 高氣窗位置之流場結構

圖3-5 雙層屋頂單元溫度細部

（一）基本假設

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）應用於解析建 築室內空間流場、溫度場與污染物濃度場時，主要的數值方法即解析 Navior-Stokes 方程組的質量守恆（mass balance）、動量守恆（moment balance）與能量守恆（energy balance）方程式。在此之前，本研究必須 進行表 3-1 基本假設，以簡化問題。

表 3-1 CFD 數值解析之基本假設

變數 基本假設

流場

1.三維直角座標流場

2.紊流流場（Turbulent flow）

3.流場流體性質（property）除密度外其餘保持不變 4.流體之密度符合布氏（Boussinesq）假設

5.室內外垂直牆壁面假定為絕熱邊界（Adiabatic）

6.靠近牆邊界之流場以「泛用牆函數（generalized wall function）」處理 7.忽略牆表面粗糙度

溫度場

1.室內外垂直牆壁面假定為絕熱邊界（Adiabatic）

2.忽略室內物體間熱傳現象

3.機具發熱屬於等熱通量（constant heat flux）

4.熱浮力採用 Boussinesq approximation

（二）物理模型

首先將數值模擬的物理模型尺寸設定為研究所使用的原型尺寸，以 便利用計算流體力學數值方法，觀測流場結構與通風量與通風品質是否 吻合原先設計所欲達成之目標。

（三）解析模式

本研究是以 CFD 模擬軟體 PHOENICS 為解析工具（Spalding, 1994），其本體架構為 Patankar （1980）所提出的 SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equation） algorithm，數值方法係在錯排網格

（staggered grid）系統上將統御方程式以控制體積積分法（control volume integration approach）差分展開，其中對流項、空間微分項採用「混合法 則」（hybrid scheme），紊流模式採用 Two-Equation Model 中的 K-Epsilon Model（Launder and Spalding, 1974）。格點系統擬採用適當尺度之非均勻 格點，相對收斂準則（relative convergence）初期設定為 10^-2。