CFD技術(shù)在空調(diào)制冷工程中的應(yīng)用

羅 偉

三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院

CFD技術(shù)在空調(diào)制冷工程中的應(yīng)用

羅 偉

三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院

中央空調(diào)與傳統(tǒng)空調(diào)相比，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)制冷或者制熱，還可以對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行處理和凈化，對(duì)微小的灰塵顆粒進(jìn)行清除，對(duì)細(xì)菌進(jìn)行消毒，從而改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，為人們提供一個(gè)相對(duì)舒適的環(huán)境。在暖通空調(diào)制冷工程中，應(yīng)用CFD技術(shù)，能夠從根本上解決制冷不足的問(wèn)題，而且具有成本低、速度快等優(yōu)點(diǎn)，受到了相關(guān)技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。本文結(jié)合CFD技術(shù)的相關(guān)概念，對(duì)其在暖通空調(diào)制冷工程中的應(yīng)用進(jìn)行了討論和研究。

暖通空調(diào)；制冷工程；CFD技術(shù)

(Com putational Fluid Dynam ics，簡(jiǎn)稱 CFD)，是一種重要的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，其產(chǎn)生可以追溯到20世紀(jì)30年代初，它是流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)三者相互結(jié)合的產(chǎn)物。1974年，丹麥的尼爾森(P.V.Nielsen)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(dòng)情況，標(biāo)志著CFD技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于分析工程中的流動(dòng)問(wèn)題。CFD是目前國(guó)際上一個(gè)強(qiáng)有力的研究領(lǐng)域，是進(jìn)行“三傳”(傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞)及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心與重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于熱能動(dòng)力、航空航天、機(jī)械、土木水利、環(huán)境化工、暖通空調(diào)及空氣凈化等諸多工程領(lǐng)域。

1 CFD 技術(shù)概述

CFD指計(jì)算機(jī)流體力學(xué)，是對(duì) Computational Fluid Dynamics 的簡(jiǎn)稱，是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算技術(shù)等的影響下產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，屬于現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)的一種。簡(jiǎn)單來(lái)講，CFD相當(dāng)于在虛擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)際的流體流動(dòng)情況進(jìn)行模擬仿真，結(jié)合數(shù)值求解控制流體流動(dòng)的微分方程，得到流體流動(dòng)的流場(chǎng)在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，進(jìn)而近似模擬流體的流動(dòng)情況。在1974年，丹麥工程師Nielsen首次將CFD技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)工程領(lǐng)域，對(duì)通風(fēng)環(huán)境下室內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行了模擬，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和演變，現(xiàn)如今，CFD技術(shù)已經(jīng)成為空調(diào)工程師與建筑師對(duì)工程問(wèn)題進(jìn)行分析和解決的有力工具，在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。以預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣分布為例，CFD技術(shù)具有成本低、速度快、資料完備，能夠?qū)Ω鞣N不同工況進(jìn)行有效模擬等優(yōu)點(diǎn)。與射流公式、模擬實(shí)驗(yàn)以及Zonalmodel三種方法相比，CFD具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CFD的計(jì)算周期和成本不斷縮減，完全可以為工程應(yīng)用所接受。

2 CFD 技術(shù)的應(yīng)用范圍

CFD在建筑中的應(yīng)用范圍可以簡(jiǎn)單的概括為室內(nèi)氣流模擬，室外氣流模擬和室內(nèi)氣流兼室外氣流模擬。圍繞這個(gè)核心，當(dāng)前很多CFD技術(shù)開(kāi)始向多個(gè)方面、多個(gè)行業(yè)進(jìn)行發(fā)展。它能做到一些通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化及預(yù)測(cè)，包括很多建筑火災(zāi)煙氣流動(dòng)及防排煙系統(tǒng)也是通過(guò)CFD技術(shù)進(jìn)行分析的。也就是說(shuō)，當(dāng)前CFD技術(shù)開(kāi)始向各種以流動(dòng)為基礎(chǔ)的工程問(wèn)題方向發(fā)展，置換通風(fēng)方式的數(shù)值模擬、潔凈室氣流分布的數(shù)值模擬等，氣固、液固多相流、非牛頓流、化學(xué)反應(yīng)流、煤粉燃燒等等，這些暖通工程都是結(jié)合了CFD技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的。室內(nèi)空氣品質(zhì)的相互影響過(guò)程的CFD分析以及冷庫(kù)庫(kù)房及制冷設(shè)備的CFD分析、高大空間氣流組織分析已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

CFD分析研究可以提供工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、技術(shù)改造中所必需的參數(shù)，如流體阻力(阻力損失)，流體與固體之間的傳熱量(散熱損失等)，氣體、固體顆粒的停留時(shí)間，產(chǎn)品質(zhì)量，燃燼程度，反應(yīng)率，處理能力(產(chǎn)量)等綜合參數(shù)以及各種現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)節(jié)量(如風(fēng)量、風(fēng)溫、組分等)對(duì)這些綜合參數(shù)的影響規(guī)律性。還可以提供流動(dòng)區(qū)域內(nèi)精細(xì)的流場(chǎng)(速度矢量)、溫度場(chǎng)、各種與反應(yīng)進(jìn)程有關(guān)的組分參數(shù)場(chǎng)，通過(guò)對(duì)這些場(chǎng)量的分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有裝置或設(shè)計(jì)中存在的不足，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)、改造設(shè)計(jì)提供依據(jù)。相當(dāng)于是一個(gè)通用的、多功能的大型冷、熱態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)(數(shù)值試驗(yàn))。

3 CFD 技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的應(yīng)用原則

由于計(jì)算機(jī)模型需要的數(shù)據(jù)會(huì)在前端處理過(guò)程中形成，因此，工作人員通常會(huì)在這個(gè)過(guò)程中建立模型并將數(shù)據(jù)錄入到模型當(dāng)中，從而生成網(wǎng)格。可見(jiàn)，將CFD技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)制冷工程中時(shí)，前端處理是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)的核心運(yùn)算器一直處于高速運(yùn)行的工作狀態(tài)，它每時(shí)每刻都在分析模塊，然后再將分析出來(lái)的結(jié)果提供給后臺(tái)，以便它們?cè)谑褂眠^(guò)程當(dāng)中能夠更加清晰直觀。由此可見(jiàn)，將CFD技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)制冷工程中時(shí)，必須充分注重周期、參量以及模塊這三個(gè)原則，只有嚴(yán)格遵循這三大基本原則，才能讓暖通設(shè)備發(fā)揮出更大的功效，充分保證暖通空調(diào)的良好制冷效果。

CFD 技術(shù)的方案設(shè)計(jì)與暖通制冷系統(tǒng)的節(jié)能、舒適度存在著很大的關(guān)系，所以，在生產(chǎn)管理上，CFD 技術(shù)在暖通工程系統(tǒng)依然面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是首要因素，但是在設(shè)計(jì)方案上由于技術(shù)水平有限，還沒(méi)有得到深入的提高。目前由于缺乏科學(xué)的、創(chuàng)新的 CFD 技術(shù)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)周期普遍較短，方案不夠完善，缺乏科學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制嚴(yán)重影響到暖通空氣的節(jié)能效果。同時(shí)，由于沒(méi)有運(yùn)用正確的方法對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行 CFD 技術(shù)的管理，整體的設(shè)計(jì)成果、質(zhì)量都受到一定的影響。

4 暖通空調(diào)領(lǐng)域中 CFD 技術(shù)的使用

4.1 CFD在暖通空調(diào)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

(1)通風(fēng)空調(diào)房間的設(shè)計(jì)。利用CFD技術(shù)的能力，可以將整個(gè)房間的氣流分布進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的預(yù)測(cè)，并且能夠起到一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。這種氣流數(shù)據(jù)分析能夠?qū)⑹覂?nèi)的各種情況參考進(jìn)去，并且能夠結(jié)合內(nèi)擾條件、邊界條件以及初始條件，進(jìn)而全面系統(tǒng)的對(duì)室內(nèi)氣流的分布情況進(jìn)行泛紅，從而得出最優(yōu)的整體設(shè)計(jì)方案，以使其在施工完成后能夠有一個(gè)良好的通風(fēng)效果。

(2)建筑外環(huán)境設(shè)計(jì)。在我們的居住環(huán)境中，建筑外部與建筑內(nèi)部的環(huán)境同樣重要。這就使在建筑設(shè)計(jì)中對(duì)于小區(qū)的二次送風(fēng)、小區(qū)的熱環(huán)境等問(wèn)題也逐漸被人們重視起來(lái)。而利用CFD的計(jì)算模式可以便捷的將整個(gè)建筑的外環(huán)境進(jìn)行一個(gè)分析模擬，從而得出最好的建筑效果和空氣效果。

(3)室內(nèi)空氣品質(zhì)。利用CFD的研究技術(shù)可以達(dá)到對(duì)于室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行一定的鑒定。通過(guò)對(duì)室內(nèi)的整體設(shè)計(jì)、相對(duì)溫度、相對(duì)濕度和污染物濃度等參數(shù)進(jìn)行一個(gè)綜合的分析，從而得出通風(fēng)的效率舒適度和排污效果的整體數(shù)值。

(4)改進(jìn)建筑設(shè)備性能。在現(xiàn)階段暖通工程的施工中，大部分的施工器械如風(fēng)機(jī)、蓄水槽、空調(diào)等都是通過(guò)流體工藝制作的，由于流動(dòng)情況對(duì)于設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效果有著非常大的影響。

4.2 CFD 技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的實(shí)際運(yùn)用

CFD 技術(shù)之所以被越來(lái)越廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)制冷工程當(dāng)中，主要原因是因?yàn)樵摷夹g(shù)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算的原理，將該技術(shù)合理有效的應(yīng)用于暖通空調(diào)制冷工程當(dāng)中，有助于相關(guān)設(shè)計(jì)人員快速而高效的完成模擬數(shù)值的計(jì)算工作，大大節(jié)省人力和節(jié)約時(shí)間。以能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及質(zhì)量守恒方程為例，在實(shí)際的計(jì)算過(guò)程當(dāng)中，必須嚴(yán)格按照一定的步驟進(jìn)行，首先需要建立模型，然后再進(jìn)行數(shù)值求解，再對(duì)數(shù)值解進(jìn)行可視化處理，最后再對(duì)暖通空調(diào)制冷的具體應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果數(shù)值解的可視化處理通過(guò)評(píng)估，便可以正式實(shí)施或進(jìn)行投產(chǎn)。

1)建立模型

模型的建立主要包括建立數(shù)學(xué)模型和物理模型，換而言之，就是通過(guò)數(shù)學(xué)的方式將所要研究的流體問(wèn)題描述出來(lái)，由于暖通領(lǐng)域的流體問(wèn)題能夠充分滿足連續(xù)性方程的要求，因此，可以運(yùn)用能量方程和動(dòng)量方程，通常情況下，人們更加傾向于利用不可壓流體的粘性流體流動(dòng)的控制微方程。同時(shí)，在暖通空調(diào)制冷工程中，由于其流體流動(dòng)大多數(shù)情況下均屬于湍流流動(dòng)，因此，應(yīng)該適當(dāng)運(yùn)用湍流模型對(duì)流體的湍流流動(dòng)情況進(jìn)行模擬，只有這樣，才能夠完整的將所研究的問(wèn)題描述出來(lái)，方便下一步的數(shù)值求解。

2)計(jì)算流體

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)即 C FD 技術(shù)已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，對(duì)于室內(nèi)空氣流場(chǎng)還有這個(gè)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的一個(gè)精度已經(jīng)有了很大的提升，使用 C FD 方法計(jì)算了室內(nèi)的冷負(fù)荷。本課題中就是利用 C FD數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)解決得出冷負(fù)荷，然后取得空調(diào)的一個(gè)制冷能力。

1.對(duì)流熱

對(duì)流是因?yàn)檫@個(gè)運(yùn)動(dòng)引起的流體的宏觀流體每個(gè)部位發(fā)生一個(gè)相對(duì)的位移，其實(shí)也就是一個(gè)冷熱流體的傳熱過(guò)程。熱對(duì)流是由于流體宏觀部分之間的相對(duì)位移，因此熱對(duì)流一般就是會(huì)在流體介質(zhì)中產(chǎn)生，還因?yàn)榱黧w中的這個(gè)分子存在的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的，所以說(shuō)這個(gè)熱對(duì)流的過(guò)程不可避免地伴隨著一個(gè)熱傳導(dǎo)的情況。在實(shí)際工程里，當(dāng)室外空氣流經(jīng)身體表面，身體表面之間的空氣和傳熱，流體和這個(gè)非流體之間的傳熱身體表面現(xiàn)象就叫做這個(gè)對(duì)流傳熱，與這個(gè)一般的熱對(duì)流區(qū)別開(kāi)來(lái)。

2.熱傳導(dǎo)

在每個(gè)物體之間如果沒(méi)有發(fā)生一個(gè)相對(duì)位移時(shí)，而是依靠分子、原子及自由電子等這些的微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)的傳熱稱為導(dǎo)熱，。維護(hù)結(jié)構(gòu)等身體層之間的換熱。沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的宏觀傳熱，傳熱換熱屬于有接觸的一個(gè)換熱過(guò)程。

3.熱輻射

對(duì)象通過(guò)電磁波傳遞能量就是所謂的輻射，對(duì)象會(huì)由于不同的原因產(chǎn)生一個(gè)輻射，這造成的熱輻射現(xiàn)象稱為熱輻射。熱輻射其實(shí)就是指對(duì)象的這個(gè)熱狀態(tài)的無(wú)線電波向世界和能量傳遞過(guò)程的空間，和電磁波在這個(gè)真空里面進(jìn)行一個(gè)傳播，因此這個(gè)熱輻射的比較突出特征是這個(gè)非接觸的一個(gè)傳熱。對(duì)于兩個(gè)對(duì)象的這個(gè)不同的溫度，根據(jù)本身發(fā)射輻射能以及這個(gè)吸收到他們的輻射能達(dá)到一個(gè)能量的這個(gè)傳遞，這個(gè)傳遞的方式就是我們說(shuō)的輻射傳熱。

3)進(jìn)行氣流數(shù)值求解

①確定邊界條件與初始條件。初始條件和邊界條件是控制方程有確定解的前提。初始條件是所研究對(duì)象在過(guò)程開(kāi)始時(shí)刻各個(gè)求解變量的空間分布情況。對(duì)于瞬態(tài)問(wèn)題必須給定初始條件，對(duì)于穩(wěn)態(tài)問(wèn)題不需要初始條件。邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或其導(dǎo)數(shù)隨地點(diǎn)和時(shí)間的變化規(guī)律。②劃分計(jì)算網(wǎng)格。網(wǎng)格分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。簡(jiǎn)單說(shuō)，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間上比較規(guī)范，如對(duì)一個(gè)四邊形區(qū)域，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格多是成行成列分布的，而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間分布上沒(méi)有明顯的行線和列線。目前各種 CFD 軟件都有專門的網(wǎng)格生成工具。③建立離散方程并求解。

4)數(shù)值解的可視化處理

雖然前面已經(jīng)通過(guò)運(yùn)用 CFD模擬技術(shù)計(jì)算出了空間流體的數(shù)值，但是，最終我們所得到的數(shù)值結(jié)果是以節(jié)點(diǎn)數(shù)值的形式存在的，因而大大增加了相關(guān)人員的工作難度，使得工作人員難以觀察結(jié)果數(shù)據(jù)，無(wú)法對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地分析。從目前的實(shí)際情況來(lái)看，各種 CFD 軟件均出現(xiàn)了對(duì) CFD 計(jì)算結(jié)果的后處理工序，通過(guò) CFD 數(shù)據(jù)后處理之后所得到的數(shù)據(jù)便可以通過(guò)靜態(tài)的圖片將其顯示出來(lái)。

5 CFD 技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

其一，CFD技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合。通過(guò)與網(wǎng)絡(luò)的相互結(jié)合，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)寫作，使得設(shè)計(jì)工作可以實(shí)現(xiàn)異地協(xié)同；另一方面，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息的交流和共享，實(shí)現(xiàn)CFD與CAD、CAM等的無(wú)縫對(duì)接。

其二，CFD技術(shù)與專家系統(tǒng)的結(jié)合。將CFD技術(shù)與專家系統(tǒng)融合在一起，不僅可以在專家系統(tǒng)的提示和指導(dǎo)下，進(jìn)行系統(tǒng)的前后處理，簡(jiǎn)化CFD軟件的操作難度，還可以利用專家系統(tǒng)中海量的信息，對(duì)前后處理的正確性進(jìn)行自動(dòng)檢驗(yàn)，提升計(jì)算的準(zhǔn)確性，更可以以專家系統(tǒng)為載體，實(shí)現(xiàn)計(jì)算案例以及知識(shí)的積累和儲(chǔ)備，為CFD計(jì)算提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

其三，CFD技術(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)合。在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下，我國(guó)目前應(yīng)經(jīng)出現(xiàn)了多個(gè)版本的CFD商用軟件，利用這些軟件，可以對(duì)暖通空調(diào)工程進(jìn)行模擬計(jì)算，但是由于缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算的準(zhǔn)確性難以保證。因此，建立模擬工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，將CFD技術(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相互結(jié)合，是CFD軟件的一個(gè)重要發(fā)展方向。

綜上所述，目前，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，CFD 技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)非常成熟的階段，而且該技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)實(shí)用化階段。但我國(guó)由于技術(shù)還計(jì)較落后，因而使得 CDF技術(shù)等在暖通領(lǐng)域中的一些技術(shù)還無(wú)法與國(guó)際水平接軌。因此，為了充分適應(yīng)國(guó)際化發(fā)展，相關(guān)人員必須不斷努力探索研究，不斷完善和改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，使 CFD 技術(shù)更加廣泛地應(yīng)用于暖通空調(diào)制冷工程當(dāng)中，為建筑行業(yè)的健康發(fā)展提供技術(shù)保障。

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