CFD技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙天蓉

（成都紡織高等?？茖W(xué)校，四川 成都 611731）

暖通空調(diào)工程的許多設(shè)備，如風(fēng)機、蓄冰槽、空調(diào)器等，都是通過流體工質(zhì)的流動而工作的，流動情況對設(shè)備性能有著重要影響。通過CFD模擬計算設(shè)備內(nèi)部的流體流動情況，可以研究改進設(shè)備性能，降低建筑能耗，節(jié)省運行費用。

CFD軟件的一般結(jié)構(gòu)包括前處理、求解器及后處理三大模塊。三大模塊各有其的作用，前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；求解器是確定CFD的控制方程，選擇離散方法進行離散；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結(jié)果。

1 網(wǎng)格生成

在計算流體動力學(xué)中，網(wǎng)格生成對CFD至關(guān)重要，直接關(guān)系到CFD計算的成敗。

（1）網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。CFD網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化。結(jié)構(gòu)化是只有六面體的網(wǎng)格單元。長方體所有邊是兩兩正交的六面體網(wǎng)格。如果邊與邊不正交，網(wǎng)格單元就有扭曲.用skewness來評估網(wǎng)格質(zhì)量，sknewness=V/(a*b*c).V是網(wǎng)格的體積，a，b，c是六面體長，寬和斜邊。sknewness越接近1，網(wǎng)格質(zhì)量就越好。扭曲厲害的網(wǎng)格，sknewness很小。非機構(gòu)化：可以是多種形狀，四面體，六面體，棱形。Sknewness在這里同樣適用。網(wǎng)格質(zhì)量好壞經(jīng)常影響收斂，那么，如何判斷網(wǎng)格質(zhì)量好壞呢？單元邊夾角適中、尺寸分布與應(yīng)力集中性或梯度一致。三維盡量選用六面體單元，二維盡量選用四邊形單元，當(dāng)然這可以是掃掠形成的，也可以不是。這是對單元形狀的基本要求。當(dāng)然在求解的過程中，對同一形狀單元，還要根據(jù)實際受力及變形情況，慎重選擇單元的階次、積分方式、假設(shè)應(yīng)變、常體積、非協(xié)調(diào)等與單元相關(guān)的諸多開關(guān)，才能得到比較合理的計算結(jié)果。專家在空調(diào)房間內(nèi)研究了人體的換熱性能，將一個人體放在假想矩形房間，在房間內(nèi)采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對于不同網(wǎng)格形狀結(jié)構(gòu)影響的評價有待進一步的探索。

（2）網(wǎng)格密度。網(wǎng)格密度很重要，如果網(wǎng)格過于粗糙，那么結(jié)果可能有嚴(yán)重的錯誤，如果網(wǎng)格過于細致，將花費過多的計算時間，而且模型過大可能導(dǎo)致在計算機上不能運行，為避免這類問題的發(fā)生，在生成模型前應(yīng)考慮網(wǎng)格密度，因此必須進行網(wǎng)格獨立性檢驗。著名學(xué)者Chila和Kaminski提出了自動化解決網(wǎng)格獨立性的方法。

2 湍流模型

最近模擬流場遇到湍流模型能力不足的問題。目前計算流體力學(xué)常用的數(shù)值模擬方法主要有以下三種：DNS、LES、RANS分類的標(biāo)準(zhǔn)是直接求解的渦的尺度。目的是總結(jié)出一個最新的湍流模型發(fā)展現(xiàn)狀。為挑出合適的湍流模型，或者對現(xiàn)有模型進行簡單修正（以應(yīng)用于所研究問題）做準(zhǔn)備，內(nèi)容隨著看文獻的深入不斷修正。隨著求解的渦的尺度越來越?。；牟糠衷絹碓缴伲?，引入的假設(shè)減少，但是對網(wǎng)格數(shù)量的要求更高，求解時長不斷增加（增長速度比網(wǎng)格數(shù)量增長速度快很多），因此，一般只用在簡單幾何的簡單流動之中。基于RANS的湍流模型中，使用時間最長，積累經(jīng)驗最豐富的是混合長度模型和K-E模型。下面就是一些軟件操作的技巧。在Fleuent隱藏了很多湍流模型，在GUI面板中我們只能看到三種k-ε模型。但是實際上低雷諾數(shù)湍流模型我們同樣可以使用。在Fluent6.2中具體操作一共有三步：第一步，先在viscous model面板中選擇k-ε模型；第二步，鍵入下面的命令：

在模型選擇面板中我們就可以看見低雷模型low-re-ke model了。默認使用第0種低雷諾數(shù)模型。

第三步，F(xiàn)luent中提供 6種低雷諾數(shù)模型，使用low-re-ke-index命令設(shè)定一種low-re-ke-index。Xu等人在室內(nèi)空氣流動研究基礎(chǔ)上取得了令人滿意的準(zhǔn)確度和計算速度。

3 風(fēng)口模型

風(fēng)口入流邊界條件的描述是當(dāng)前通風(fēng)空調(diào)房間氣流組織數(shù)值模擬的難題之一。因此建立合理風(fēng)口模型是描述房間入流邊界條件的關(guān)鍵。實際上送風(fēng)口幾何形狀相當(dāng)復(fù)雜,如散流器、百葉風(fēng)口和孔板風(fēng)口等。為了準(zhǔn)確模擬湍流入流邊動數(shù)值模擬的送風(fēng)口邊界條件，一些學(xué)者提出各種不同的風(fēng)口模型來解決此問題。目前CFD在暖通空調(diào)工程的應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面的新動態(tài)有室內(nèi)空氣流動的簡化模擬：美國MIT，從描述空調(diào)風(fēng)口入流邊界條件的方法進行研究，以對室內(nèi)空氣流動進行簡化模擬；中國清華大學(xué)，研究空調(diào)風(fēng)口入流邊界條件的新方法、建立室內(nèi)空氣流動數(shù)值模擬的簡捷體系；室內(nèi)外空氣流動的大渦模擬：美國MIT、日本東京大學(xué)，研究大渦模擬這一高級湍流數(shù)值模擬技術(shù)在室內(nèi)外空氣流動模擬中的應(yīng)用，目前已經(jīng)開始嘗試用于建筑小區(qū)和自然通風(fēng)模擬等；室內(nèi)空氣流動模擬和建筑能耗的耦合模擬：美國MIT，通過將簡化的CFD模擬方法和建筑能耗計算耦合對建筑環(huán)境進行設(shè)計；風(fēng)口模型有雙層百頁風(fēng)口，球形可調(diào)風(fēng)口等。上個世紀(jì)70年代，風(fēng)口模型就被一些學(xué)者提出來解決室內(nèi)空氣流 。

4 輻射換熱

輻射換熱對室內(nèi)空氣分布有極其重要的作用。 輻射換熱對室內(nèi)空氣流動情況有著重要的影響。物體表面間的輻射換熱量Q12可以用斯忒藩——玻耳茲曼定律表示：

F12為表面1、2間的輻射換熱系數(shù)：

5 人體模型

計算機人體模型是指將人體結(jié)構(gòu)數(shù)字化，通過計算機技術(shù)和圖像處理技術(shù)，用電腦的語言符號來表述人體的三維結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了人體結(jié)構(gòu)信息的數(shù)字化。

通常用到物理人體體?；蛘邤?shù)字化仿真人體模型。基于物理人體體模的實驗缺乏安全性、經(jīng)濟型和效率。相比之下數(shù)字化仿真人體模型，借助完善的計算方法和參數(shù)能夠方便、精確的模擬三維空間下的人體受到輻照場景。

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過去人體僅看成是簡單的對流熱源。研究者采用RANS模型和DES模型研究了空調(diào)房間內(nèi)人體周圍的風(fēng)速和溫度分布，但其絕對值仍存在著一定的誤差。以上研究中，人員活動對整個房間氣流組織的影響未被考慮進去，隨著人體模型技術(shù)的成熟，人體模型與CFD模擬的耦合會成為發(fā)展趨勢。

6 結(jié)語

本文從5個方面分析了CFD建模中的常見問題,提出了相應(yīng)的解決方法。盡管還存在諸多困難,相信 CFD建模的發(fā)展對暖通空調(diào)工程復(fù)雜的氣流組織進行快速、精準(zhǔn)的計算,不會是夢想。

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