CFD技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用方向

廖海防

摘 要：隨著現(xiàn)階段我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在科技發(fā)展上逐漸形成了電子信息群體、生物群體、空間群體、海洋群體、新材料群體、新能源群體等高科技群體，并且其也逐漸成為社會發(fā)展的新動力。并且在現(xiàn)階段的發(fā)展水平下，利用科學(xué)技術(shù)改變傳統(tǒng)模式已經(jīng)成為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然方向。CFD技術(shù)則是在計算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計算技術(shù)結(jié)合的新技術(shù)。CFD技術(shù)是一種虛擬的手段來利用計算機(jī)作為載體，加以一定的數(shù)據(jù)以期來計算出實(shí)際的流體流動情況。而其就是使用數(shù)值求解來對微分方程進(jìn)行解答，來計算出在離散區(qū)域上，流體流動的實(shí)際分布，從而得出其余實(shí)際比較相近的情況。所以在CFD是現(xiàn)階段所有的模仿計算中比較能夠貼近實(shí)際的一種，所以CFD技術(shù)也成為了建筑師對問題進(jìn)行分析和解決的重要工具，空調(diào)工程師也對其使用也越來越多。在文章中，將對CFD在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的使用進(jìn)行展開和簡單的討論，并且通過其使用辦法和步驟，來給工作人員提供一個重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：CFD技術(shù) 應(yīng)用范圍 暖通空調(diào)

中圖分類號：TM925.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（a）-0004-02

CFD的模擬設(shè)備使用簡單、投資小、計算速度快、并且計算空間不受限制，并且可以依據(jù)各種情況進(jìn)行計算。這是其他的算法所不具備的。而且隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，CFD技術(shù)已經(jīng)成為了一種重要的計算方法沒并且在建筑領(lǐng)域中越來越多的被應(yīng)用。

1 CFD介紹

CFD就是計算流力動力學(xué)（Computaional Fluid Dynamics）的縮寫，即通過計算機(jī)的計算和圖像顯示功能，將含有流體流動數(shù)據(jù)和熱傳導(dǎo)等數(shù)據(jù)進(jìn)行一個系統(tǒng)的分析。CDF可以視為一種流體的方程式來對流動的數(shù)值進(jìn)行模擬計算和控制分析。并進(jìn)行熱傳導(dǎo)、熱傳遞、動量傳遞以及燃燒等化學(xué)反應(yīng)研究的重要技術(shù)。

在世界上，不斷有人對CFD技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用和發(fā)展，早在1933年thom就利用數(shù)值法來對偏微分方程進(jìn)行解決，這也是CFD技術(shù)正是的在方程式中得以體現(xiàn)，而1974年P(guān).V.Nielsen也將CFD技術(shù)應(yīng)用到期計算領(lǐng)域中，并且對空氣流動情況進(jìn)行一個全面詳細(xì)的解答。在隨后的不斷發(fā)展中，世界各個國家都為了節(jié)約能源和提高生產(chǎn)力水平，對其投入了大量的資源和時間來對CFD技術(shù)進(jìn)行研究。并且經(jīng)過了10年的不斷研究，取得了一定的成果，并且其在暖通空調(diào)領(lǐng)域的研究和使用也是大量的進(jìn)行?，F(xiàn)階段CFD技術(shù)已經(jīng)成為空調(diào)設(shè)計和建造師解決實(shí)際的工程問題的重要手段，并且提供了大量的技術(shù)參考。

在全世界中，CFD的技術(shù)使用是從美國開始的。在1986年美國就已經(jīng)對CFD模擬室內(nèi)空氣流動的發(fā)展研究成果進(jìn)行了一定的分析和整理，并且成立了相關(guān)的部門來對室內(nèi)空氣流動進(jìn)行研究。1989年美國的ASHARE成立了專門機(jī)構(gòu)以研究CFD方法預(yù)測室內(nèi)空氣流動，并且完整的對CFD在空氣流動的方法進(jìn)行了一個闡述。日本也是一個在CFD使用技術(shù)上比較成功的國家，其最開始將CFD應(yīng)用到室內(nèi)空氣流動問題上是20世紀(jì)70年代。

2 CFD應(yīng)用范圍

在應(yīng)用范圍上，CFD能夠在各種復(fù)雜的幾何空間內(nèi)來對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且能夠?qū)α鲃右后w問題；高溫傳熱問題；氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)轉(zhuǎn)換問題；非牛頓流體流動（如流變、粉塵、混凝土）問題；多孔質(zhì)介質(zhì)問題；化工反應(yīng)流問題；粉煤、氣態(tài)燃料、油霧、混合燃料及氧化流燃燒等問題；爆炸、燃爆、著火等問題；攪拌反應(yīng)釜問題；環(huán)保等問題提供一定的數(shù)據(jù)依據(jù)。而CFD的研究數(shù)據(jù)則可以為其在工程設(shè)計上、生產(chǎn)管理和技術(shù)改造上提供一定的數(shù)據(jù)參考。例如在流體的阻力上。流體與固體之間的熱傳遞，固體、氣體狀態(tài)的停留時間，產(chǎn)品質(zhì)量，反應(yīng)速率，處理能力等綜合指標(biāo)來對現(xiàn)場的各種情況進(jìn)行一個針對性有效的調(diào)節(jié)，并且以此拉對整個系統(tǒng)進(jìn)行一定的定性和定位。并且通過對于這一部分的數(shù)據(jù)分析來對現(xiàn)場的裝置和設(shè)計中的不足進(jìn)行技術(shù)的更正和提升，以能更好的完成施工目標(biāo)。所以CFD在一定的程度上是一種多功能、通用型的大型試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。

3 暖通空調(diào)領(lǐng)域中CFD技術(shù)的使用

3.1 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。利用CFD技術(shù)的能力，可以將整個房間的氣流分布進(jìn)行一個詳細(xì)的預(yù)測，并且能夠起到一個準(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)計方案，以使其在施工完成后能夠有一個良好的通風(fēng)效果。

（2）建筑外環(huán)境設(shè)計。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)計中對于小區(qū)的二次送風(fēng)、小區(qū)的熱環(huán)境等問題也逐漸被人們重視起來。而利用CFD的計算模式可以便捷的將整個建筑的外環(huán)境進(jìn)行一個分析模擬，從而得出最好的建筑效果和空氣效果。并且能夠通過對外環(huán)境的流動情況來對建筑內(nèi)部的通風(fēng)進(jìn)行一個設(shè)計因素。

（3）室內(nèi)空氣品質(zhì)。利用CFD的研究技術(shù)可以達(dá)到對于室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行一定的鑒定。通過對室內(nèi)的整體設(shè)計、相對溫度、相對濕度和污染物濃度等參數(shù)進(jìn)行一個綜合的分析，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)等都是通過流體工藝制作的，由于流動情況對于設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效果有著非常大的影響。利用CFD模擬算法則可以對設(shè)備內(nèi)部的流動進(jìn)行一個準(zhǔn)確的計算，從而來對器械進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，以提升其工作效率。

3.2 CFD在暖通空調(diào)中的求解過程

將CFD在暖通空調(diào)領(lǐng)域中，整個計算過程中都是如下的幾個順序：建立數(shù)學(xué)模型、進(jìn)行氣流數(shù)值計算、結(jié)果可視化等步驟。

（1）建立數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型就是指很對所要研究的問題將其各種條件進(jìn)行一個數(shù)理分析，建立一個合理的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行計算，以為數(shù)值求解做出一定的準(zhǔn)備工作。

（2）氣流數(shù)值求解。在進(jìn)行氣流數(shù)值求解前，首先要將邊界條件和初始條件進(jìn)行一個明確，由于二者是控制方程存在合理解的前提。初始條件是指對于研究對象在開始的情況下各個求解變量的空間分布情況。而對于瞬間狀態(tài)的問題是必須給定初始條件的，而對于穩(wěn)定的環(huán)境問題則不需要給定初始條件。而邊界條件則是指對于求解問題的邊界上所存在的變量和導(dǎo)數(shù)的隨機(jī)性的變化規(guī)律。其次是要進(jìn)行計算網(wǎng)格的劃分。利用網(wǎng)格劃分和非網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)。由于網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)在空間上比較規(guī)范，而且對于一個時變性的區(qū)域可以簡單的對其進(jìn)行分類分析，現(xiàn)階段的大部分CFD計算軟件都有專門的網(wǎng)格生成功能。在最后建立一個離散方程，并且對其求解。選擇一種合適的方法來對求解的區(qū)域進(jìn)行離散化。

（3）結(jié)果可視化。結(jié)果可視化是指在進(jìn)行方程求解之后因?yàn)槠溆嬎愕慕Y(jié)果是單純的數(shù)據(jù)結(jié)果，不存在一定的可視性，并且不直觀，很難被除了工程人員和計算人員所熟悉，所以就要利用相關(guān)的軟件來講計算的結(jié)果進(jìn)行可視化處理，CFD軟件的后期結(jié)果可以顯示出溫度、速度、濃度等相關(guān)的圖片，也可以以一種動態(tài)的流動線條或者圖形來進(jìn)行表現(xiàn)。

綜上所述，在現(xiàn)階段CFD已經(jīng)在暖通空調(diào)領(lǐng)域上進(jìn)行應(yīng)用，但是在全世界范圍內(nèi)，日本和歐洲等國家的相關(guān)技術(shù)走在世界的前列，并且現(xiàn)階段的日本已經(jīng)將CFD技術(shù)全面的應(yīng)用到暖通行業(yè)的實(shí)用當(dāng)中，并且國外CFD不僅基礎(chǔ)成果豐富，而且其軟件業(yè)比較成熟。我國從20世紀(jì)80年代開始將CFD與暖通領(lǐng)域進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)某晒蛯?shí)際應(yīng)用。但是從全面上來說，要將其全面的加入到暖通工程領(lǐng)域中還需要很長的一段時間發(fā)展，所以我們要大力發(fā)展我們的科技水平以使其在暖通領(lǐng)域做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 龔光彩.CFD技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2012，29（6）：25-27.

[2] Flake K.K.，潭洪衛(wèi)，等.空調(diào)設(shè)計中的 CFD應(yīng)用[J].現(xiàn)代空調(diào)，2011（1）.

[3] 董玉平.高大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)CFD模擬[D].天津：天津大學(xué)，2013.endprint