CFD技術在暖通空調(diào)制冷工程中的應用

楊 紅

中國核工業(yè)二三建設有限公司 北京 101300

在北方地區(qū)，由于受熱建筑物的圍護結構所占的比重很大，為了推動其節(jié)能發(fā)展，需要對其進行熱工性能的改進。第二個方面是規(guī)劃與設計的角色。建筑的規(guī)劃設計可以為建筑的節(jié)能設計提供依據(jù)，而建筑的規(guī)劃設計必須要考慮到建筑的位置；道路布局、建筑走向、主導風向、太陽輻射等，也就是在建筑的微氣候條件下，盡可能利用主導風、地形地貌和太陽能。在建筑節(jié)能規(guī)劃中，應從輻射、地理、空氣等方面對環(huán)境的影響因素進行分析，使其在實際的規(guī)劃設計中由不利變?yōu)橛欣?，使其有利于?jié)能。由于暖通系統(tǒng)在我國的應用越來越廣泛，因此可以將CFD作為一種工程液體技術加以推廣，以增強其在實際工程中的應用，CFD技術應用于暖通空調(diào)制冷項目具有操作簡單，效率高，成本低等優(yōu)點，對CFD應用于采暖系統(tǒng)具有十分現(xiàn)實的現(xiàn)實意義。

1 我國暖通工程在CFD技術上的發(fā)展前景

在電腦繪圖、電腦微電腦技術飛速發(fā)展的今天，CFD的前、后處理技術也隨之發(fā)展起來，例如 Fieldview，Tecplot、ICEM-CFD等。從70年代后期到80年代初期，我國已經(jīng)建立了幾所大學；李先庭、趙彬等學者對CFD技術進行了深入的探討，并對 CFD技術在 PMV，空氣齡，風口模型，室內(nèi)顆粒物的傳播特性進行了評估。CFD技術又稱為“電腦流體技術”，是基于計算機技術和信息技術的發(fā)展而形成的一種新的數(shù)學模式。CFD技術在暖通系統(tǒng)中的運用，不僅能改善工程的設計，而且能保證其制冷的有效性，該方法可以有效地解決室內(nèi)空氣流通與換熱與質(zhì)量問題，從而有效地改善這方面的工作。本文著重論述CFD技術在采暖與空調(diào)系統(tǒng)中的應用原理與實踐[1]。

2 CFD技術簡析

就CFD技術來說，它的全名是計算機流體力學，中文意思是計算流體力學。CFD技術以電腦技術為核心，其作用是建立數(shù)學建模，在實際中得到了廣泛的運用。這一熱通技術具有顯著的特征，比如要求數(shù)據(jù)完整、工作速率相對較高、操作費用低廉、數(shù)據(jù)齊全；快速和便宜的模型方法。它的技術原理很簡單，只要經(jīng)過計算，就能對其進行微分方程的控制，從而得出一個連續(xù)的局部流場的分布，然后利用CFD技術對其進行仿真，從而為今后的采暖系統(tǒng)建設打下基礎。CFD技術在暖氣系統(tǒng)中的運用，不僅可以準確的監(jiān)測液體的流量，還可以改善整個系統(tǒng)的換熱量；通過傳遞質(zhì)量，可降低有關構件的內(nèi)壓，降低構件的變形等問題。由此可以看出CFD對暖通空調(diào)的最佳效果是十分顯著的。CFD在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應用模塊，包含前端處理、最終數(shù)據(jù)生成、后臺處理等多個部分，并在此基礎上進行協(xié)同工作，確保暖通系統(tǒng)的運行穩(wěn)定、高效。在CFD技術的實施中，必須先進行建模、輸入和網(wǎng)格的創(chuàng)建。其次是分析模塊的工作。最終可以生成最終的數(shù)據(jù)。

CFD技術在暖通空調(diào)工程中的運用，要使其達到最大的效能，從而使暖通空調(diào)的制冷效果得到改善。在建模過程中，因為建模過程中所需的數(shù)據(jù)都是在前端處理過程中產(chǎn)生的，所以，在建模過程中，要將數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)庫中，然后生成網(wǎng)格。而在這一步結束之后，電腦的中央處理器就會分析這些數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)分析出來，然后送到后臺。這樣的程序，可以使這些資料己是最直觀的；以最清楚的方式向員工展示。

在應用領域中，CFD可以在不同的復雜幾何空間中進行數(shù)據(jù)分析，并可以解決流體問題，高溫換熱問題，氣體；固體和液體的轉(zhuǎn)換問題，非牛頓流體的流變問題、粉塵問題、混凝土問題、滲透性的媒質(zhì)問題化學反應流程，粉煤，氣態(tài)燃料，油霧，混合燃料，氧化氣流等問題，如爆炸等，反應器的攪拌問題，為環(huán)境保護等問題提供一些數(shù)據(jù)基礎。而CFD的資料對工程設計、生產(chǎn)管理、工藝改進等方面具有一定的借鑒意義。比如對液體的抗性。固體和液體的傳熱、固體、氣體的滯留時間、產(chǎn)品的質(zhì)量、反應速度、處理量等，可以根據(jù)不同的條件，對整個系統(tǒng)進行分析和定位。同時，通過對此部分資料的分析，對設備及設計中存在的缺陷進行技術上的修正與改進，以達到更好的建設目的。因此CFD在某種意義上是一個通用的多功能的大型實驗數(shù)據(jù)庫[2]。

3 CFD技術在暖通空調(diào)制冷工程中的應用功能及原則

3.1 應用的基本功能

在CFD技術能夠探測到液體的流動特性，因此它可以被用于暖通系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)，不僅可以改善設備的熱傳導特性，還可以減小外部環(huán)境對相關的裝置的干擾，從而降低其變形的概率。因此CFD技術既能使暖氣系統(tǒng)的制冷技術達到最優(yōu)，同時也能改善其功能和使用的意義。當暖通空調(diào)器正常工作時，CFD技術能使暖通系統(tǒng)的各部分保持某種程度的協(xié)調(diào)，保證其工作的穩(wěn)定，為使工作更高效，它可以采用它的數(shù)據(jù)運算、前、后處理等功能。

3.2 應用的基本原則

在現(xiàn)實生活中，CFD的各個部分都扮演著各自的角色，而在現(xiàn)實生活中，最關鍵的部分就是前端，由于所有的數(shù)據(jù)和計算都是在前端完成的，因此需要在前端的模型和輸入上建立一個數(shù)據(jù)柵欄。同時，它的核心計算能力也在不間斷的運轉(zhuǎn)著，它需要對這些信息進行分析，然后將這些信息反饋到CFD的后臺，從而更好地將這些信息轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實中的應用。從上述的研究結果可以看出，CFD技術在暖通系統(tǒng)中的運用，不僅可以改善其制冷性能，還可以加快運行的速率。采用計算機建模，由于所需的資料都是在最前面完成的，所以工作人員在進行建模的時候，會先建立一個模型，然后再將所有的資料輸入到模型中，最后才能得到一個完整的網(wǎng)格。從這個流程可以看到，在實際的應用中，前端的操作對于保證以后的數(shù)據(jù)的正確利用是十分必要的。另外，在進行計算的時候，電腦的運算程序會一直保持著高速運轉(zhuǎn)，對各個部分進行實時的處理，然后將這些處理的結果反饋到后臺，保證數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量。從以上內(nèi)容的分析可以看出，CFD技術在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的運用，必須遵循模塊原則、參數(shù)原則和周期原則，以保證其最大限度地利用熱風系統(tǒng)，使其制冷效果最大化[3]。

4 CFD技術在暖通空調(diào)制冷工程中的運用特點

4.1 應用于CFD技術中的數(shù)學模型組成特征

CFD技術實質(zhì)上是應用了電腦模擬技術，而在這一技術中，選擇合適的數(shù)學模型是至關重要的。計算流體力學中的數(shù)學模式構成特性的差異將會極大地改變CFD技術。當前CFD常用的計算方法主要有納維爾一斯托克斯程組以及多種紊動模式。并與其它多種模型相結合，形成計算流體力學的數(shù)學模型，CFD技術中，有限單元和有限容積是兩種常見的數(shù)值模擬計算方法，其中最常用的就是有限容積法。

4.2 應用于CFD技術中的加速收斂技術

CFD技術是一種用于三維流體的數(shù)值計算方法，其計算工作量非常大，因而在CFD技術中必須采用快速收斂技術。在CFD技術中，常用的快速收斂性技術有：局部時間步長、殘差光順、多層網(wǎng)格等。雖然采用了快速收斂性技術，但在實際操作中，為了減輕運算負擔，采用并行運算方法，以減少運算時間、內(nèi)存不足等問題，提高運算速度。

4.3 應用于CFD技術中的各種專用模塊

專門設計的功能模塊，就是方便使用者使用，而特殊的功能，可以大大降低電腦運算的負擔，是一種十分實用的輔助分析工具。另外，CFD技術受工藝條件的制約，在計算中耗費了較多的時間和精力，其經(jīng)濟效益極差，采用CFD技術建立專門的模型，可以利用專門的模組，實現(xiàn)計算所需的單元，大大提高了CFD技術的利用率，減少了在技術上的投入和時間。

5 CFD技術在暖通空調(diào)制冷工程中的應用方法

目前暖通系統(tǒng)的技術應用越來越廣泛，CFD技術在建筑領域的運用也越來越廣泛，它可以利用CFD技術對仿真結果進行高效的分析，從而大大的提升了仿真結果的運算速度，降低了系統(tǒng)的運行費用。在實際應用中，要根據(jù)工藝過程選取公式，建立計算模式，并進行數(shù)值解，并對其進行可視化評價[4]。

5.1 建立分析模型

暖通空調(diào)系統(tǒng)的工程分析建模分為兩部分：一是數(shù)學建模，二是利用數(shù)學方法對其進行建模，使之能夠完全符合系統(tǒng)的要求；在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，大部分的流場都是紊流，可以通過建立紊流的數(shù)學模型來對紊流進行仿真，從而保證問題的完整，為以后的數(shù)值計算打下了堅實的依據(jù)。

5.2 進行數(shù)值求解

在此基礎上，可以通過下列步驟來解決該問題：首先，確定數(shù)值解的初值和邊界條件，只有在確定了該問題的技術要求后，方程式的數(shù)值分析就能得到較好的結果。邊值問題是指在解的范圍內(nèi)，由不同的時序和地點因子引起的不同的微分引起的。在此基礎上，首先確定了被測物體在流體運動初期所處的位置。如果是穩(wěn)定問題，那么就沒有必要設定初值。如果是暫態(tài)問題，需要設定初值。二是將計算單元進行適當?shù)姆謪^(qū)，其中包含了非結構單元和結構單元，使結構單元能夠最大限度地發(fā)揮單元的正確性。三是建立一個離散的方程式，利用有限元或有限差分方法來建立一個離散化的方程式，以一種高效的方法來解決該問題。

5.3 數(shù)值解的可視化處理

利用CFD技術對空間流場進行了仿真，通過計算得到的大部分數(shù)值都是基于節(jié)點的數(shù)值，這不僅增加了工作的困難，還降低了工作的工作效率，造成了工作人員很難對其進行科學的觀測和有效的研究。從現(xiàn)有的數(shù)值模擬結果來看，CFD的數(shù)值模擬可以將CFD的數(shù)值模擬進行后續(xù)的處理，然后將CFD的數(shù)據(jù)進行后期的處理，形成靜態(tài)圖片、曲線、數(shù)值報表等，從而得到更為精確的數(shù)值模擬[5]。

6 CFD技術在暖通空調(diào)制冷工程中的運用過程

6.1 問題分析和前處理

首先要明確正確的仿真對象；要對物理問題進行合理的簡化；要找出適合的仿真手段。在確定仿真對象的時候，必須明確地說明所要獲得的結論（例如：壓力降、質(zhì)量流量、阻力等等）、要怎樣應用、要達到何種仿真精確性、所需的計算時間等等。最后，我們決定了仿真的計算區(qū)域。思考怎樣將所關注的問題與整個大型的整體體系分離開，并在計算區(qū)域的開始和結束的地方，在決定這個區(qū)域的時候，要分析邊界條件是否存在，邊界條件是否符合這些信息，是否可以在有足夠的資料的情況下，將計算區(qū)域邊界劃分成一個平面問題或者一個軸線對稱問題。其次，依據(jù)結構的復雜性和流體特性，選取適當?shù)木W(wǎng)狀元素。在簡化的幾何中，四邊形和六面體格通常具有更高的品質(zhì)和更小的元素數(shù)目。

6.2 解算器執(zhí)行

首先要建立數(shù)學建模，其中包含了對紊動、火焰、多相流等物理模式的選取。界定材料的性質(zhì)，例如流體，固體，混合材料等。說明操作環(huán)境。定義一個邊界標準。給出一個初始化。設定解壓因子、庫朗數(shù)等運算程序的控制參數(shù)。設定會聚監(jiān)測曲線。在此基礎上，對求解的程序進行了詳細的分析，并對其進行了詳細的分析。要想得到更精確的解，就必須全面地判定收斂性和收斂性。

6.3 后處理

在進行了收斂性分析后，要對所求的結果進行檢驗，并從中抽取出有用的資料。常用的方法包括三種方法：彩色圖像、曲線和物理量數(shù)字報表。再根據(jù)研究的結果，探討了如何對該模式進行修改，從而得到更為滿意的結果。

7 CFD技術在暖通工程中存在的問題

CFD工藝方案的確定及采暖制冷的節(jié)電；因此，從產(chǎn)品的制造和經(jīng)營角度來看，CFD技術仍然是供熱系統(tǒng)中的一個重要課題，在節(jié)能系統(tǒng)的開發(fā)中，以節(jié)能為主，然而，在技術上，由于技術的限制，其設計還未進一步完善。當前CFD技術在技術上存在著科學性不足、技術上的不足，其設計時間一般都比較短暫，且方案不完善，缺少一個科學的評估體系，從而對其進行有效的利用。同時，暖通空調(diào)的CFD技術缺乏有效的控制手段，對整個設計成果和質(zhì)量都產(chǎn)生了一定的影響。隨著能源與環(huán)境保護與發(fā)展的要求，暖通空調(diào)的能源與環(huán)境問題日益突出，CFD技術在這方面尚需改進。

8 CFD技術在暖通空調(diào)制冷工程中的應用范圍

CFD技術在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應用，能夠有效地預報液體的流場特征，并進行質(zhì)量的傳熱；在此基礎上，可以對設備的運動和有關的結構的壓力和形狀的改變進行有效的仿真，以便對建筑和工程中的建筑和使用提供參考。在實踐中，將 CFD技術引入到采暖系統(tǒng)中，可以從建筑內(nèi)部氣流組織設計、建筑外部環(huán)境和工程裝備的特性等幾個角度進行論述。

8.1 室內(nèi)氣流組織設計

在室內(nèi)空氣的組織設計中，應充分考慮空氣的組織方式對空間空調(diào)的影響，采用CFD技術對其進行數(shù)值模擬，并對其進行數(shù)值模擬，從而為通風和空調(diào)系統(tǒng)的設計提供技術依據(jù)。通風空調(diào)室內(nèi)空間一般分為一般空間和特種空間，一般空間可用作生活和辦公，而專用空間則是具有特定用途的空間，例如醫(yī)療空間、交通工具和其它特殊情況。

8.2 建筑外部環(huán)境分析

在分析建筑的外在環(huán)境時，必須先確定其對其產(chǎn)生的重大影響。在建設項目中，由于小區(qū)的熱、二次風等因素，會對室內(nèi)環(huán)境造成一定的影響，因此越來越引起人們的重視。利用CFD技術，可以對建筑物的外風環(huán)境進行有效的仿真和技術分析，從而為建筑外風環(huán)境的合理設計提供技術指南。

8.3 工程設備性能優(yōu)化

一般而言，空調(diào)系統(tǒng)中的空調(diào)系統(tǒng)包括空調(diào)系統(tǒng)、蓄冰槽、風機等設備，但其運行狀況會直接影響到系統(tǒng)的運行狀況。在工程設備的性能上，很多設備的工作原理和工作原理都是以工質(zhì)的流動為能源轉(zhuǎn)化的，因此，從性能上講，對設備的工質(zhì)流動狀況有很大的影響。CFD技術可以有效地對裝置內(nèi)的流體進行有效的模擬，并對其進行優(yōu)化和改善，從而保證設備的運行穩(wěn)定。

8.4 建筑內(nèi)部空氣質(zhì)量

暖通空調(diào)系統(tǒng)在實際應用中，評價建筑內(nèi)部控制質(zhì)量是其中的一項重要工作。在室內(nèi)風速、室內(nèi)污染等方面，可以利用CFD技術精確地探測和解釋有關的技術參數(shù)，并對其進行優(yōu)化，從而為室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化打下良好的基礎，從而提高室內(nèi)通風的頻次和效率，改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)。

9 結束語

隨著建筑業(yè)的迅速發(fā)展，供暖系統(tǒng)也日益進入到人們的日常生活中，據(jù)資料顯示，暖通空調(diào)在建筑中的比例大約為60%，CFD技術已經(jīng)從工業(yè)領域逐步轉(zhuǎn)移到了建筑領域。因此，必須大力發(fā)展和推廣CFD技術，使其在供熱領域的發(fā)展與應用，其成果和科學性已可完全替代傳統(tǒng)的采暖技術。人們的生活觀念、生活方式的多元化；暖通空調(diào)的技術要求與細節(jié)問題有著密切的關系。在供熱項目中應用CFD技術，改進采暖和空調(diào)系統(tǒng)，盡量使其更有效率；節(jié)能舒適的采暖系統(tǒng)，充分發(fā)揮暖通系統(tǒng)的經(jīng)濟性、經(jīng)濟性、經(jīng)濟性、安全性、舒適性和美觀的功能。