建筑环境内气流组织的逆向模拟与设计

为了创造一个健康，舒适而又节能的室内环境，本研究首先通过引入权重因子构建目标函数将多目标设计问题转化为单目标优化问题。然后采用基于计算流体动力学（CFD）的伴随方法进行逆向设计。基于CFD的伴随方法用于计算目标函数对设计变量的梯度，以便使优化算法（最速梯度法）沿最快的方向最小化目标函数。但优化算法中的步长对计算时间有显著影响，通常使用的恒定步长是通过耗时的试错过程获得的。该研究通过使用自适应步长来进一步提升伴随方法的性能。基于CFD的伴随方法最开始是使用“冻结湍流”假设（即，湍流粘度的变化等于零）来推导出伴随方程，因此梯度的计算是不准确的。又因为本研究中目标函数由RANS方程和RNG k-ε湍流模型约束控制，我们开发了RNG k-ε湍流模型的伴随方程，完善了伴随方法，提升了计算精度。改进后的伴随方法可用于确定送风口的尺寸，位置和形状以及送风参数（即速度，温度和角度），但最佳的设计可能包含大量的送风口，且实施起来是不切实际的。因此，该研究开发了面积约束的拓扑优化和聚类分析，将多个送风口合并为有限的数量并确定其大小和位置。通过进一步优化送风口形状和参数，可以获得所需的室内环境。考虑到精度和效率，基于CFD的伴随方法适用于室内环境的逆向设计；但基于CFD的伴随方法单个设计循环仍然需要使用个人计算机计算数十个小时。为了加快逆向设计过程，本研究评估了四种快速流体动力学（FFD）模型，用于求解Navier-Stokes方程和湍流模型。之后又进一步采用FFD求解器求解伴随方程和用于逆向设计室内环境的基于FFD的伴随方法。结果表明，FFD在预测瞬态室内气流方面比CFD快20倍，且保持相似的计算精度；逆向设计过程中基于FFD的伴随方法比基于CFD的伴随方法快4-16倍。 2100433B

为了提高我国建筑室内环境的舒适性和健康性，降低我国建筑的通风能耗，我们需要对建筑室内气流组织进行设计和优化。当前国际上应用的室内环境的优化方法存在计算耗时长或者计算精度不高的问题，这些问题使得工程师很难将室内环境的优化设计应用到实际工程中。本团队将基于在相关领域研究的深厚积累，发展室内环境优化的目标函数建立方法和多目标的匹配原则，建立基于伴随方法的室内气流组织逆向设计理论和技术，通过对室内空间的逆向模拟与设计，从而解决两个关键科学问题：（1）基于伴随方法的建筑室内气流组织逆向设计原理（2）建筑室内气流组织逆向设计求解的存在性、唯一性和多重性的判断准则。本课题将为我国设计健康、舒适并且节能的生活和工作环境提供所需要的理论和技术。

气流组织形式对室内空气环境影响的数值模拟

不同的气流组织方式会形成不同的速度场、温度场、相对湿度、洁净度或有害物浓度场，直接影响通风空调系统的效果与经济性。对置换通风与其它通风方式的全面比较研究较少。研究应用计算流体力学方法，以办公室内的实际情况，进行不同气流组织方案下的通风效果模拟。

物理模型及简化假设

本文研究办公室内四种气流组织的物理模型：混合通风空调系统模型A(上送上回式)；混合通风空调系统模型B(侧送侧回式，回风口在墙上部)；混合通风空调系统模型C(侧送侧回式，回风口在墙下部)；置换通风空调系统模型D(表1)。气流组织形式D见图1(其余三种模型只是风口尺寸与位置有差别)。办公室及其设备模型取自典型的Sebric置换通风测试算例。

为简化模型并减少计算量，必须对实际的室内气流做一些假设：a.连续性的介质；b.定常的流场，实际情况中，气流经各送风口以均匀的速度送入室内，一段时间后，送风空气与室内空气充分混合，室内整个流场处于稳定状态，此时房间的流场可视为定常流(没有外部气流的干扰)；c.空气视为不可压缩；d.墙壁、天花板和地板的假设。房间类型为办公室，各物理模型根据实际情况取不同的边界条件。为简化影响因素，选择位于四面及楼上楼下均有相邻房间的建筑物内区，因此不考虑围护结构的传热。

室内温度场与速度场分析

（1）对于散流器送风的形式 A，气流由方形散流器垂直射入室内，受浮升力及射流不断卷吸周围空气的影响，射流速度逐渐减小，受到地面的阻碍后转向两侧流动。由于墙壁和室内障碍物的阻碍及热源的影响，气流在室内会形成多个回流区。在送风口下方的气流速度比周围的大得多，使室内人员有明显的吹风感，影响其舒适度。

（2）对于形式 B，气流水平射入，受重力作用呈抛物线流动，但又受浮升力作用，速度逐渐减小，一部分气流遇到障碍物后向近壁面(右墙 )流去，另一部分“抛物”气流遇地面改变方向，向左壁面流去，碰到壁面开始爬升，使左下部出现回流现象。一部分气流水平射入后，受到出口的卷吸作用直接流出房间，即短流现象，使送入的新鲜空气部分流失而造成能源损失。通观房间对称面全场，气流速度差别过大，舒适度也不高。

（3）对于形式C，与B相比，由于回风口的位置布置在对面墙壁的下方，送入的新鲜空气不会直接流出房间。送风气流与室内空气混合更好，使室内的温度场和速度场分布更均匀，但两者气流分布的情况差别不大。

（4）对于形式 D，室内气流以类似层流的活塞流状态缓慢向上移动，温度由下至上逐渐升高，呈明显层状分布。由于新风的温度低于室内温度，相对密度较高，进入房间后先向下流动，停留在室内地板上，形成一个“新风湖”。当气流到达一定高度遇到障碍物和热源(如人体、计算机)时，新风受热上升，降低发热物体的表面温度，带走热量。人体及计算机等热源周围特别是顶部区域，随高度增加温度明显上升，形成“热羽”区域，正是以“热羽”形式的上升气流，将周围热空气卷吸其中，逐渐上升并最终通过回风口排出房间，在工作区域内形成典型的“置换”流动。

研究结论

置换通风方式在污染物的排除及热舒适等方面优于其它气流组织形式。混合通风的不同气流组织形式，通风效率与热舒适效果存在差异。选择适宜的气流组织形式具有十分重要的意义。

在某些特定的历史阶段，有些国家往往参照其他国家原准机（而非自己国家自身产品）“设计”的“原准法”进行飞机的研制。这个过程，甚至是一个尺寸都不能改或不敢改的测绘仿制。多数情况下没有图纸、只有实物，由实物反推图纸、反推设计、反推需求。

那是一个充满了执果索因的逆行之旅。

基于“原准法”的测绘仿制是典型的逆向设计活动。特别是在早期武器装备的测绘仿制过程中，存在大量的相对低水平的逆向设计活动（如图1红色箭头所示），即仅由实物反推到图纸、反推到设计，而无需反求到军方原始需求。例如，测绘仅能测得零件的实际尺寸，但公差如何给，绝对是个技术活（公差配合的精度很大程度上决定了零件的可靠性和使用寿命），这一步的逆向，正所谓知其然知其所以然。

尽管这种反推，取得了一些成就。然而，历史的发展也证明，这种不需承担技术风险的“原准法”并非始终有效的设计方法，在设计理论上没有得到合理阐述，在航空发展史上仅有非常有限、而非明显的促进作用，其出现是特定历史条件的产物，并不是航空航天产品等复杂系统设计本身的规律所决定，已被各国所摒弃。

在经济日益国际化、市场化的今天，复杂产品和系统的测绘仿制已不可行。而随着知识产权保护的理念日益得以巩固，中国市场正向设计的主战场，已经拉开。

然而花了真金白银买了国外产品的图纸和专利技术等知识产权的引进消化吸收，不能简单地认为是逆向设计或逆向工程，而需要具体情况具体分析。

消化吸收再创新，和逃避技术风险的“原准法”目的不同，这里一定包含了反推到需求的高水平的逆向设计活动（如图1绿色箭头所示），特别是在消化吸收阶段；而到了再创新阶段，则是再次进入了完整的正向设计过程。

中国航空行业有两个非常典型的引进消化吸收的例子，一是上世纪七十年代引进英国斯贝航空发动机，历时30年到2003年完成国产化；一是上世纪九十年代从俄罗斯引进苏-27SK，历时20年衍生出性能全新的歼-11B，两者的差别十分鲜明。其他行业，高铁是走引进消化吸收再创新之路比较成功的案例。

与此形成鲜明对照的是，各种汽车生产线的引进基本上是失败案例。

本书共8章，首先系统介绍基本量子力学和固体物理知识，再阐述第一性原理和CASTEP模块的操作方法及在材料中的设计、模拟与计算。全书包含薛定谔方程求解、晶体学基础、密度泛函理论、CASTEP操作方法、晶体的电子结构、半导体光学性质、晶体弹性理论、硬度与超硬材料、磁性性质模拟分析等。