CFD技術在暖通空調施工的應用探析

摘要：CFD是目前國際上一個強有力的研究領域，是進行“三傳”（傳熱、傳質、動量傳遞）及燃燒、多相流和化學反應研究的核心與重要技術，廣泛應用于熱能動力、航空航天、機械、土木水利、環境化工、暖通空調及空氣凈化等諸多工程領域。隨著經濟發展、科技進步，CFD技術已成為現代建筑領域一個重要的研究課題。本文對CFD技術在暖通空調中的應用進行了闡述，介紹其使用方法和步驟，為設計人員在暖通設計中應用CFD技術提供參考。

關鍵詞：CFD技術 應用范圍 暖通空調

20世紀80年代以來，科技發展進入高科技時代。科學技術迅猛發展，涌現了電子信息、生物、空間、海洋、新材料、新能源等六大高科技群，成為現代經濟發展最主要的驅動力。進入20世紀90年代，知識經濟時代已初見端倪。利用高新技術改造傳統產業，促進傳統產業的發展是必然的趨勢。

高新技術向傳統產業的滲透是當某項高新技術出現后，其相應技術創新群向傳統產業擴散，并通過與原有生產技術條件相結合而使傳統產業技術水平得到提高產生效益的過程。高新技術向傳統產業的滲透有兩個途徑，一是通過高新軟技術知識滲透，它通過學習與引進將高新技術與傳統產業中的技術及管理結合;二是通過物化技術滲透，即通過購買高新技術裝備與材料，從而使企業技術水平提高。

一、CFD的應用范圍

CFD能夠分析與研究在各種復雜幾何形狀的空間（裝置）內、外發生的下列工程問題：

(1)流體流動；(2)高溫傳熱（導熱、對流、輻射換熱、流固偶合傳熱）；(3)氣－固、液－固、氣－液、液－液等多相流（如均化庫、增濕塔、氣力輸送等）；(4)非牛頓流體流動（流變、如粉體、混凝土、膏狀物等）；(5)多孔介質流；(6)化工反應流；(7)煤粉燃燒、氣態燃料燃燒、油霧燃燒、多種燃料混合及多氧化流燃燒（如燃燒器、分解爐、烘干爐等）；(8)爆炸、爆燃和著火（如煤粉倉的爆炸與防治）；(9)攪拌反應釜；(10)環保（氣體、水污染的擴散與防治、脫硫、NOx等）。

CFD分析研究可以提供工程設計、生產管理、技術改造中所必需的參數，如流體阻力（阻力損失），流體與固體之間的傳熱量（散熱損失等），氣體、固體顆粒的停留時間，產品質量，燃燼程度，反應率，處理能力（產量）等綜合參數以及各種現場可調節量（如風量、風溫、組分等）對這些綜合參數的影響規律性。還可以提供流動區域內精細的流場（速度矢量）、溫度場、各種與反應進程有關的組分參數場，通過對這些場量的分析，發現現有裝置或設計中存在的不足，為創新設計、改造設計提供依據。相當于是一個通用的、多功能的大型冷、熱態試驗場（數值試驗）。

二、CFD技術在暖通空調領域的應用

1、CFD在暖通空調中的主要應用領域

CFD主要可用于解決以下幾類暖通空調工程的問題：

（1）通風空調房間氣流組織設計

借助CFD可以預測仿真通風空調空間的氣流分布詳細情況。氣流數值分析能夠考慮室內各種可能的內擾、邊界條件和初始條件，因而它能全面地反映室內的氣流分布情況，從而便于發現最優的氣流分布方案，進而指導設計使其達到良好的通風空調效果。

（2）建筑外環境分析設計

建筑外環境對建筑內部居住者的生活有重要的影響，建筑小區二次風、小區熱環境等問題日益受到人們的關注。采用CFD可以方便地對建筑外環境進行模擬分析，從而設計出合理的建筑風環境。而且，通過模擬建筑外環境的風流動情況，還可進一步指導建筑內的自然通風設計等[5]。

（3）室內空氣品質研究

利用CFD技術研究室內空氣品質問題，主要是通過模擬得到室內各個位置的風速、溫度、相對濕度、污染物濃度等參數，從而評價通風換氣效率、熱舒適和污染物排除效率等。

（4）建筑設備性能的研究改進

暖通空調工程的許多設備，如風機、蓄冰槽、空調器等，都是通過流體工質而工作的，流動情況對設備性能有著重要的影響。通過CFD模擬計算設備內部的流體流動情況，可以研究設備性能，從而改進其工作，降低建筑能耗，節省運行費用。

2、暖通空調領域中CFD的求解過程

暖通空調領域用CFD進行模擬仿真，其主要環節無外乎包括以下幾個方面:建立數學物理模型、進行氣流數值求解、將數值解結果可視化等。CFD求解流程如圖1所示。

（1）建立數學物理模型

建立數學模型是對所研究的流動問題進行數學描述，為數值求解做準備工作。基本數學模型有：

A、質量守恒方程

B、動量守恒方程

C、能量守恒方程

ρ——流體密度，kg/m3；

t——時間，s；

——速度矢量，m/s；

ui——速度在i方向上的分量，m/s；

p——壓強，pa；

Fi——體積力，N；

T——溫度，K；

cp——定壓比熱；

ST——粘性耗散項。

對于湍流流動，還要補充反映湍流特性的其他方程。

（2）進行氣流數值求解

A、確定邊界條件與初始條件

初始條件和邊界條件是控制方程有確定解的前提。初始條件是所研究對象在過程開始時刻各個求解變量的空間分布情況。對于瞬態問題必須給定初始條件，對于穩態問題不需要初始條件。邊界條件是在求解區域的邊界上所求解的變量或其導數隨地點和時間的變化規律。

B、劃分計算網格

網格分結構網格和非結構網格。簡單說，結構網格在空間上比較規范，如對一個四邊形區域，結構網格多是成行成列分布的，而非結構網格在空間分布上沒有明顯的行線和列線。目前各種CFD軟件都有專門的網格生成工具。

（3）結果可視化

通過計算機數值求解得到的結果是節點上的數值，因而視覺效果上不具備可觀性，難以被一般工程人員或其它相關人員所認識和接受，所以必須借助相關軟件將模擬結果可視化，CFD的后處理可以靜態顯示速度、溫度、濃度場圖片，也可以動態的顯示流體流動的流線和跡線。

我國大概在20世紀80年代開始研究CFD在暖通領域的應用。我國現有成果大部分屬于運用專用軟件進行某個算例的分析。從總體上說，真正把CFD技術與實際工程的暖通設計結合的案例還很少，真正掌握CFD技術的暖通設計人員數量有限，在我國暖通行業中開展CFD方面研究尚有大量工作要做。