Fluent數(shù)值模擬在制冷與空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

趙慧玲

(山西財(cái)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原030031)

Fluent數(shù)值模擬在制冷與空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

趙慧玲

(山西財(cái)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原030031)

介紹了Fluent數(shù)值模擬在從制冷和空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值。主要以Fluent數(shù)值模擬技術(shù)在制冷及空調(diào)領(lǐng)域中運(yùn)用現(xiàn)狀為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)Fluent模擬技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，并通過(guò)對(duì)Fluent系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)對(duì)其在制冷和空調(diào)領(lǐng)域中的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了分析。

Fluent數(shù)值模擬;制冷;空調(diào)領(lǐng)域中

仿真系統(tǒng)主要是通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，輔助人們對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行較全面的了解，根據(jù)模擬情況，對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的分析和改進(jìn)，同時(shí)對(duì)新的系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品或新技術(shù)往往能帶來(lái)巨大的社會(huì)效益。因此，其在各個(gè)領(lǐng)域的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的運(yùn)用。Fluent數(shù)字模擬系統(tǒng)可以對(duì)空氣流動(dòng)、污染和傳熱等物理現(xiàn)象進(jìn)行精確地模擬［1］。同時(shí)，在模擬過(guò)程中，還可以根據(jù)ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模擬對(duì)象中PMV、PPD等可以衡量空氣質(zhì)量的參數(shù)提供一個(gè)較好的標(biāo)準(zhǔn)，從而有效降低相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，最大程度上降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)目前復(fù)雜的物理現(xiàn)象，F(xiàn)luent數(shù)值模擬軟件在實(shí)際處理過(guò)程中，通過(guò)不同的數(shù)值處理方法和離散格式，使其在特定的領(lǐng)域內(nèi)將穩(wěn)定性、計(jì)算速度以及精確度等方面達(dá)到最佳效果，使整個(gè)領(lǐng)域相對(duì)復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題得到高效解決［2］。

一、Fluent的數(shù)值模擬分析

(一)Fluent程序結(jié)構(gòu)組成

Fluent數(shù)值模擬軟件包主要組成部分包括: (1)Fluent，作為流動(dòng)模擬計(jì)算的求解器;(2) GAMBIT，建立模擬對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)，生成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);(3)prePDF，對(duì)PDF的燃燒過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的模擬;(4)TGrid，主要運(yùn)用在現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格中; (5)Translator，對(duì)其他生成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行程序轉(zhuǎn)換，對(duì)Fluent模擬對(duì)象進(jìn)行計(jì)算。

Fluent數(shù)值模擬接口的程序主要包括IDEAS，ANSYS，PATRAN，NASTRAN等。Fluent軟件在流體流動(dòng)和傳熱中的模擬計(jì)算流程，如圖1。

圖1 基本程序結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1可知，F(xiàn)luent模擬操作時(shí)，利用GAMBIT設(shè)置幾何形狀生成二維或三維網(wǎng)絡(luò)，建立相應(yīng)的物理模型、邊界模型、確定流體物性，輸出Fluent的求解格式，并利用Fluent求解器對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，以及計(jì)算結(jié)果后的處理［3］。

(二)利用Fluent程序求解的問(wèn)題種類

Fluent軟件具有多維計(jì)算功能，計(jì)算過(guò)程中可以采用三邊形、四邊形、六面體等多個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，快速處理三維和二維流動(dòng)問(wèn)題。且計(jì)算時(shí)，可以對(duì)各個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。Fluent軟件具有廣泛的應(yīng)用范圍，包括:不可壓縮和可壓縮性流動(dòng)問(wèn)題;非牛頓流體及牛頓流體;層流，無(wú)黏流以及湍流問(wèn)題;輻射換射;兩相流問(wèn)題;非慣性坐標(biāo)系和慣性坐系;熱交換器性能、一維風(fēng)扇;對(duì)流換熱耦合與導(dǎo)熱問(wèn)題［4］。

(三)利用Fluent程序求解問(wèn)題的具體步驟

Fluent數(shù)值模擬軟件對(duì)制定對(duì)象進(jìn)行相關(guān)求解的具體步驟包括:

(1)確定需要建立的幾何形狀，并生成相應(yīng)的計(jì)算網(wǎng)格;(2)對(duì)建立的集合網(wǎng)格進(jìn)行輸入并檢查;(3)針對(duì)網(wǎng)格的特點(diǎn)和性質(zhì)選擇二維或三維求解器;(4)對(duì)求解的具體方程進(jìn)行針對(duì)性選擇(不可壓縮和可壓縮性流動(dòng);非牛頓流體及牛頓流體;層流，無(wú)黏流以及湍流;輻射換射;兩相流;非慣性坐標(biāo)系和慣性坐系;熱交換器性能、一維風(fēng)扇;對(duì)流換熱耦合與導(dǎo)熱);(5)對(duì)流體的材料物性加以確認(rèn);(6)確定邊界的條件和邊界的類型;(7)通過(guò)條件計(jì)算對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算; (8)初始化流場(chǎng);(9)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算求解; (10)將結(jié)果保存，并進(jìn)行后處理。

二、Fluent在相關(guān)工程的應(yīng)用

(一)Fluent模擬技術(shù)在空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)中，對(duì)空調(diào)工程的設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品的研發(fā)往往需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，才可以保證其設(shè)計(jì)的可行性以及空調(diào)的使用性能。這類產(chǎn)品的研發(fā)通常需要花費(fèi)較長(zhǎng)的研發(fā)時(shí)間，且設(shè)計(jì)成本高，對(duì)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)水平的經(jīng)驗(yàn)具有較高的要求［5］。而Fluent模擬軟件相對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的可行性，F(xiàn)luent的應(yīng)用可以準(zhǔn)確地分析出壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等流體的流動(dòng)細(xì)節(jié)，通過(guò)對(duì)這些細(xì)節(jié)的分析，可以準(zhǔn)確地分析出產(chǎn)品的整體性能，還有助于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方案?？照{(diào)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)溫濕度、污染物濃度、氣流等室內(nèi)氣候環(huán)境的分布進(jìn)行合理控制，較好地把握其分布特點(diǎn)［6］。此外，F(xiàn)luent是除了模型試驗(yàn)室外對(duì)三維室內(nèi)氣流分布特性進(jìn)行合理判斷的有效手段。

目前，F(xiàn)luent模擬技術(shù)在空調(diào)供暖領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。其中室內(nèi)熱環(huán)境的相關(guān)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在部分發(fā)達(dá)國(guó)家領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用階段。工程設(shè)計(jì)或科學(xué)研究利用商用軟件進(jìn)行計(jì)算可以節(jié)省大量的研究成本，縮短計(jì)算時(shí)間，使科研工作者和設(shè)計(jì)人員有大量的時(shí)間對(duì)物理的本質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行思考，從而對(duì)算法選用進(jìn)行優(yōu)化，極大程度上提高了工作效率。

(二)Fluent技術(shù)在換熱設(shè)備中的模擬

管殼式換熱器是Fluent技術(shù)應(yīng)用較多的一個(gè)領(lǐng)域，改換熱器涉及加工的工藝相對(duì)較成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，具有較高的安全性和可靠性，在化工、石油、冶金、食品、制藥、輕工業(yè)、農(nóng)藥等多個(gè)領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用［7］。設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)Fluent數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)殼程橫、縱向流在換熱器內(nèi)部進(jìn)行相關(guān)研究和分析，從而進(jìn)一步完善換熱器的各種性能。目前，這種研發(fā)模式已經(jīng)成為換熱設(shè)備研究的重點(diǎn)。

換熱器改進(jìn)后主要采用變間距翅片結(jié)構(gòu)。其中，管束管間距排列會(huì)一定程度上影響翅片管換熱器的性能。實(shí)際操作時(shí)，通過(guò)對(duì)管間距離進(jìn)行調(diào)整，使管間流通的截面積相等，F(xiàn)luent數(shù)值模擬軟件通過(guò)模擬管間距與換熱器整體，可以有效避免流速排列周期性的減速或加速，降低了能量損失的可能性，達(dá)到較好的節(jié)能效果。因此，管間距可以較大程度上影響翅片管換熱器的性能，可以得出，對(duì)Fluent技術(shù)在換熱設(shè)備中的模擬研究具有重要意義。

在當(dāng)今節(jié)能減排意識(shí)越來(lái)越普遍的社會(huì)環(huán)境下，相關(guān)人員會(huì)越來(lái)越重視對(duì)管束優(yōu)化排列的研究。通過(guò)Fluent技術(shù)在換熱設(shè)備中進(jìn)行模擬，可以進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)管束排列的研究，實(shí)際研究設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以將其和等流速概念、協(xié)同原理等最近的流動(dòng)理論相結(jié)合，尋找各種基管型式、翅片等最佳管間距離排列，從而使翅片管換熱器的設(shè)計(jì)得到較好的優(yōu)化，使換熱器的整體性得到提高。

(三)Fluent技術(shù)在電動(dòng)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥主要應(yīng)用于采暖、制冷、空調(diào)等自動(dòng)控制系統(tǒng)中蒸汽流量以及、冷熱的調(diào)節(jié)中。它在這些系統(tǒng)中是消耗能源的主要元件，也是不可或缺的一個(gè)控制元件。因此，對(duì)調(diào)節(jié)閥水力特性的研究有助于指導(dǎo)閥門的設(shè)計(jì)，降低能量的損失。由于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)性研究成本高，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，具有一定的局限性。近年來(lái)，隨著模擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，F(xiàn)luent數(shù)值模擬技術(shù)在調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)的應(yīng)用中表現(xiàn)出了較高的優(yōu)越性，不僅可以對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流場(chǎng)情況進(jìn)行清晰地顯示，還具有較好的重復(fù)性，有助于整體控制。

三、結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，F(xiàn)luent數(shù)值模擬技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域行業(yè)中得到了廣泛的運(yùn)用，在工藝設(shè)計(jì)研究方面也得到了較大的進(jìn)展。當(dāng)然，由于我國(guó)引進(jìn)Fluent數(shù)值模擬技術(shù)的時(shí)間較短，在技術(shù)的探索和研發(fā)過(guò)程中仍然存在較多的問(wèn)題。如何有效提高制冷的效率以及空調(diào)的節(jié)能排放將成為Fluent數(shù)值模擬技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)問(wèn)題。由于Fluent數(shù)值模擬技術(shù)在相關(guān)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用中均表現(xiàn)出較多的優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，F(xiàn)luent數(shù)值模擬技術(shù)在制冷和空調(diào)領(lǐng)域中將持續(xù)獲得蓬勃發(fā)展。因此，對(duì)Fluent數(shù)值模擬仿真技術(shù)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和研發(fā)對(duì)制冷和空調(diào)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

［1］宿萌，孟令一，呂春紅.FLUENT軟件對(duì)管殼式換熱器殼程流體數(shù)值模擬方法可行性的驗(yàn)證［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2010，(6).

［2］竇軒，吳平，何立群.微流體燃料電池性能的預(yù)測(cè)(英文)［J］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，(10).

［3］宋新遠(yuǎn)，邢愛(ài)國(guó)，陳龍珠.基于FLUENT的二維滑坡涌浪數(shù)值模擬［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，(3).

［4］王路珍，陳榮華，付寶杰.軸壓下圓柱形薄壁構(gòu)件的穩(wěn)定性研究［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，(6).

［5］劉世光，梁雙印.脫硫漿液泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬及磨損特性分析［J］.現(xiàn)代電力，2010，(4).

［6］于寒冰，姚洪英.基于FLUENT的冪律流體環(huán)空流數(shù)值模擬［J］.科技促進(jìn)發(fā)展，2010，(8).

［7］吳國(guó)珊.冷藏展示柜冷卻風(fēng)道的設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬［J］.低溫與超導(dǎo)，2011，(8).

［責(zé)任編輯 程光輝］

Application of Fluent Numerical Simulation Analysis in the Field of Refrigeration and Air-conditioning

ZHAO Hui-ling
(Shanxi Vocational and Technical College of Finance and Trade，Taiyuan 030031，Shanxi)

The numerical simulation values of Fluent in the field of application in refrigeration and airconditioningin is introduced.On the base of the application of Fluent numerical simulation technology in the field of refrigeration and air-conditioning，the Fluent simulation technology is briefly discussed.Through the experiment，the application of the Fluent system model in the refrigeration and air-conditioning are analyzed.

Fluent numerical simulation;refrigeration;air-conditioning

10.3969/j.issn.1672-0342.2014.02.006

TP31

A

1672-0342(2014)02-0020-03

2014-05-12

趙慧玲(1982-)，女，山西運(yùn)城人，山西財(cái)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，研究方向?yàn)榭照{(diào)供熱。