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

李艷寧

廣東美的制冷設(shè)備有限公司

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

李艷寧

廣東美的制冷設(shè)備有限公司

暖通空調(diào)屬于一種特殊意義上的中央空調(diào)，可以說是分戶中央空調(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，本文將對(duì)CFD技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究分析。

CFD技術(shù)；暖通空調(diào)制冷工程；運(yùn)用

CFD技術(shù)是一種成本較低、速度快以及資料完備的暖通技術(shù)通過實(shí)現(xiàn)對(duì)整體設(shè)計(jì)過程中性能的提升改善空調(diào)制冷效果不強(qiáng)問題，從而保障整體空調(diào)系統(tǒng)的最優(yōu)化模式。不斷分析CFD技術(shù)，探討該技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的實(shí)際運(yùn)用無疑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 CFD技術(shù)特點(diǎn)

(1)數(shù)學(xué)模型組成特征：在CFD通用軟件中，數(shù)學(xué)模型的組成都是以納維爾.斯托克斯方程組以及各種湍流模型為主體，加上自由面流模型、多相流模型、非牛頓流模型以及燃燒與化學(xué)反應(yīng)流模型等。離散的方法包括有限元素法和有限體積法，后者是當(dāng)前技術(shù)條件下絕大多數(shù)CFD軟件采用的離散方法。(2)加速收斂技術(shù)：在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中，由于三維流動(dòng)數(shù)值模型模擬的計(jì)算量非常巨大，因此CFD通用軟件需要盡可能采用相應(yīng)的加速收斂技術(shù)來加快收斂速度，縮短計(jì)算周期，同時(shí)利用平行計(jì)算法，環(huán)節(jié)單機(jī)容量不足的問題。常用的加速收斂技術(shù)包括多層網(wǎng)格法、殘差光順法以及當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長法等。(3)專用模塊：在實(shí)際應(yīng)用中，為了能夠滿足不同用戶的使用需求，CFD技術(shù)中設(shè)置了大量的專用模塊，將其與軟件或者系統(tǒng)的專用版本相互結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜流動(dòng)的計(jì)算，對(duì)網(wǎng)格的自動(dòng)生成，同時(shí)簡化邊界條件設(shè)置，減輕工作人員的工作量，同時(shí)也可以為計(jì)算結(jié)果的分析和處理提供相應(yīng)的輔助工作，吸引用戶的目光。

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，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CFD技術(shù)進(jìn)行分析的。也就是說，當(dāng)前CFD技術(shù)開始向各種以流動(dòng)為基礎(chǔ)的工程問題方向發(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)的相互影響過程的CFD分析以及冷庫庫房及制冷設(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。一些經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚的實(shí)體也見到了CFD應(yīng)用軟件的巨大商機(jī)，空氣品質(zhì)及建筑熱環(huán)境的CFD方法評(píng)價(jià)、預(yù)測等，紛紛介入。

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

3.1 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，就是通過數(shù)學(xué)的方式將所要研究的流體問題描述出來，由于暖通領(lǐng)域的流體問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)的控制微方程隊(duì)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題描述出來，方便下一步的數(shù)值求解。

3.2 數(shù)值求解

在進(jìn)行數(shù)值求解的過程當(dāng)中，應(yīng)該分為三大步驟進(jìn)行。第一步：應(yīng)該明確初始條件和邊界條件，因?yàn)橹挥忻鞔_了這兩大條件，才能夠充分保證所解方程有解。邊界條件指的是在求解區(qū)域的邊界上所求解的導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間和地點(diǎn)的變化規(guī)律或變量。初始條件指的是所研究的對(duì)象在流動(dòng)剛開始的時(shí)刻中每一個(gè)求解變量在空間上的具體分布情況。針對(duì)穩(wěn)態(tài)問題，可以不用設(shè)定相確定初始條件，而針對(duì)瞬態(tài)問題，則必須預(yù)先明確初始條件。第二步：對(duì)計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行合理劃分。計(jì)算網(wǎng)格主要包括兩種類型，即非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。從空間分布上來看，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格比非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格更加規(guī)范，比如，在一個(gè)四邊形區(qū)域內(nèi)，在空間分布上，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并沒有明顯的列線和行線，而結(jié)構(gòu)網(wǎng)格通常是成列和成行規(guī)范分布的。從目前的實(shí)際情況來看，各種CFD軟件均配置了生成網(wǎng)格的專門工具。第三步：建立離散方程并進(jìn)行求解。通常情況下，相關(guān)人員在進(jìn)行離散方程時(shí)往往會(huì)采用有限元法、有限差分法以及有限容積法等方法，可以通過這些有效方法對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行離散。

3.3 數(shù)值解的可視化處理

雖然前面已經(jīng)通過運(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CFD數(shù)據(jù)后處理之后所得到的數(shù)據(jù)便可以通過靜態(tài)的圖片將其顯示出來。

綜上所述，目前，在西方發(fā)達(dá)國家，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)還無法與國際水平接軌。因此，為了充分適應(yīng)國際化發(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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