計(jì)算流體力學(xué)在制冷空調(diào)中的應(yīng)用研究

摘 要：計(jì)算流體力學(xué)屬于現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)，研究專員利用計(jì)算機(jī)來模擬仿真實(shí)際的流體流動(dòng)，通過虛擬的實(shí)驗(yàn)情況來得出相應(yīng)理論，并將理論運(yùn)用于實(shí)際的工程領(lǐng)域中。暖通空調(diào)CFD技術(shù)就是基于計(jì)算流體力學(xué)而發(fā)展的一種技術(shù)，該技術(shù)在暖通空調(diào)的實(shí)際工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上激發(fā)了研究專員對(duì)制冷空調(diào)工程領(lǐng)域的探索，提出了基于計(jì)算流體力學(xué)在制冷空調(diào)中的應(yīng)用研究。在此，本文將從暖通空調(diào)CFD技術(shù)出發(fā)，探究CFD技術(shù)在制冷空調(diào)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)流體力學(xué)；CFD；制冷空調(diào)；應(yīng)用研究

1 前言

計(jì)算流體力學(xué)，又名計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，英文簡(jiǎn)稱CFD，這是一種對(duì)流體學(xué)問題進(jìn)行數(shù)值模擬與分析的新分支，主要得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)的輔助。簡(jiǎn)而言之，CFD屬于現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)，研究專員利用計(jì)算機(jī)來模擬仿真實(shí)際的流體流動(dòng)，通過虛擬的實(shí)驗(yàn)情況來得出相應(yīng)理論，并將理論運(yùn)用于實(shí)際的工程領(lǐng)域中。成本低、速度快、資料完備等這些都是CFD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，加之伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)的越來越成熟，在解決工程中的實(shí)際問題時(shí)CFD技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用。1974年，CFD首次被運(yùn)用于HVAC（暖通空調(diào)）工程領(lǐng)域，丹麥的Nielsen利用CFD對(duì)通風(fēng)房間內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行模擬，主要模擬預(yù)測(cè)室內(nèi)外或設(shè)備內(nèi)的空氣或其他工質(zhì)流體的流動(dòng)情況。

2 計(jì)算機(jī)流體力學(xué)在制冷空調(diào)中的應(yīng)用

2.1 暖通空調(diào)CFD技術(shù)

暖通空調(diào)CFD技術(shù)，即結(jié)合CFD方法、流體力學(xué)、湍流力學(xué)、計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)等在計(jì)算機(jī)中求解出流體流動(dòng)的各種守恒控制偏微分方程組的技術(shù)。在模擬暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，分析結(jié)論是流動(dòng)問題多為低速流動(dòng)，保持10m/s以下的流速，而根據(jù)變化不大的流體溫度與密度情況可判斷其為不可壓縮流動(dòng)，這一結(jié)論等同與應(yīng)用范圍內(nèi)的CFD與數(shù)值傳熱學(xué)。但由于湍流流動(dòng)是暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)的主要流體流動(dòng)，而CFD技術(shù)對(duì)湍流現(xiàn)象尚未取得全面解決理論，因而只能依靠湍流半經(jīng)驗(yàn)理論來解決暖通空調(diào)的湍流現(xiàn)象，不過在解決實(shí)際問題中依然存在諸多困擾。暖通空調(diào)CFD技術(shù)主要有建立模型、數(shù)值求解、可視化處理三大主要步驟。

2.1.1 建立模型

在研究流動(dòng)問題時(shí)，需要通過建立數(shù)學(xué)物理模型才能完成數(shù)學(xué)描述。由于連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程都能滿足HVAC領(lǐng)域的流動(dòng)問題，一般可采用不可壓流體的粘性流體流動(dòng)的控制微分方程，但又因湍流流動(dòng)是HVAC領(lǐng)域中的主要流體流動(dòng)，為完整描述HVAC領(lǐng)域的流動(dòng)問題，還需要運(yùn)用適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ湍M湍流流動(dòng)及求解數(shù)值。當(dāng)前，房間空氣流動(dòng)廣泛采用兩方程模型中的k-ε模型，也可以采用新的零方程模型來解決HVAC領(lǐng)域的一般工程。粘性流體流動(dòng)通用的控制微分方程為： ，其中變量 可代表不同的物理量，進(jìn)而表示不同含義的方程，如 表示速度時(shí)，就代表流體流動(dòng)的動(dòng)量守恒方程； 表示焓時(shí)，代表能量守恒方程； 表示湍流參數(shù)時(shí)，則代表湍流動(dòng)能及湍流動(dòng)能耗散率方程。通過上述方程，研究專員就可以計(jì)算出工程流場(chǎng)所需的溫度、濃度、速度等物理量的分布。

2.1.2 數(shù)值求解

在對(duì)HVAC領(lǐng)域的流動(dòng)問題進(jìn)行數(shù)值求解時(shí)，可以通過上述各微分方程進(jìn)行數(shù)值求解。但由于那些微分方程相互耦合且非線性特征非常明顯，因而只能通過離散實(shí)際問題的求解區(qū)域采用數(shù)值方法來求解。一般，有限容積、有限差分、有限元這三種是數(shù)值方法中主要運(yùn)用的離散形式，普遍應(yīng)用在HVAC工程領(lǐng)域的CFD技術(shù)中。又因低速、不可壓流動(dòng)是HVAC領(lǐng)域的特征，且其存在傳熱問題，因而在離散情形中更多是采用有限容積的數(shù)值方法求解。

2.1.3 可視化處理

通過數(shù)值求解步驟能夠得出離散后的各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值，不過這種方式的求解結(jié)果直觀性不強(qiáng)，不便于一般工程人員及其他相關(guān)人員理解，因而需要對(duì)求解結(jié)果的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行可視化處理。運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)直觀形象的表示出HVAC工程領(lǐng)域中的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)，使之成為暖通空調(diào)CFD技術(shù)應(yīng)用中的必要組成部分。

通過制冷空調(diào)的CFD預(yù)測(cè)仿真空調(diào)房間內(nèi)的空氣分布詳細(xì)情況，從中得到的分析結(jié)果是要想達(dá)到良好的制冷空調(diào)效果，需要重點(diǎn)解決通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中通風(fēng)空調(diào)空間的氣流組織設(shè)計(jì)，合理的氣流組織設(shè)計(jì)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)制冷空調(diào)的滿意效果，而且還能達(dá)到能源節(jié)省的目的。在制冷空調(diào)的設(shè)計(jì)中，通風(fēng)空調(diào)空間是設(shè)計(jì)問題的關(guān)鍵部分，根據(jù)不同的空間特征可將制冷空調(diào)的通風(fēng)空間劃分為兩類，一類是如住宅、辦公室、高大空間等的普通建筑空間；一類是如潔凈室、客車、列車等特殊空間。如此，可根據(jù)不同的空間需求在制冷空調(diào)設(shè)計(jì)中應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)中的CFD技術(shù)，并借鑒暖通空調(diào)CFD技術(shù)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來幫助解決制冷空調(diào)設(shè)計(jì)中實(shí)際問題的解決。

2.2 食品的冷凍、冷藏與運(yùn)輸

現(xiàn)如今，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，食品物流行業(yè)獲得了巨大的發(fā)展空間。但是，制約于保鮮、冷凍、冷藏技術(shù)的落后，造成我國每年因食品運(yùn)輸而浪費(fèi)了大量的物資與財(cái)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年在轉(zhuǎn)運(yùn)與存放過程中因缺乏冷凍、冷藏技術(shù)的支持，進(jìn)而造成每年腐爛損壞的果品高達(dá)25%、蔬菜高達(dá)30%、家禽肉類高達(dá)20%、奶制品高達(dá)23%，而這些腐爛損壞的食品每年高達(dá)上億噸的總量，造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。如此可見，亟待解決我國食品運(yùn)輸中的冷凍、冷藏技術(shù)十分必要，而在冷凍、冷藏過程中食品的品質(zhì)變化（如維生素的保持與損失、食品蛋白質(zhì)的變性、食品質(zhì)地與鮮度、脂肪氧化等）也引起了人們的廣泛重視，食品安全也是研究冷凍、冷藏技術(shù)需要考慮的關(guān)鍵因素。為了解決食品運(yùn)輸過程中的腐爛損壞問題，研究者提出了將CFD技術(shù)應(yīng)用于冷凍、冷藏技術(shù)的開發(fā)中，充分利用CFD技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)來有效解決食品冷凍、冷藏方面存在的問題，從而確保食品的安全性。

2.2.1 生活與商用的冷藏裝置

冰箱、冷藏陳列柜、冷庫等是較為常見的冷藏裝置，主要適用于生活與商用。其中，冰箱的制冷原理是通過電能消耗來保持適當(dāng)容積絕熱箱體內(nèi)的低溫，以達(dá)到制冷目的來實(shí)現(xiàn)食品的保鮮、冷藏貯存。在冰箱冷藏裝置的技術(shù)設(shè)計(jì)中，最主要的困擾問題是流場(chǎng)優(yōu)化，絕熱箱體內(nèi)的空氣流場(chǎng)與溫度決定了食品的保鮮質(zhì)量，箱內(nèi)溫度場(chǎng)受制于冰箱耗電量的影響。流場(chǎng)的具體信息獲取也是一個(gè)棘手問題，不可以通過代數(shù)方程計(jì)算來獲得，若采用實(shí)驗(yàn)的話傳感器的裝置會(huì)破壞箱內(nèi)的流場(chǎng)，并加大了工作量，而應(yīng)用CFD方法與技術(shù)能夠有效解決這些困擾問題。

人們生活水平的提高促進(jìn)了商業(yè)的發(fā)展，而人們生活節(jié)奏的加快也在一定程度上刺激了商品市場(chǎng)的崛起，其能夠?yàn)槿藗兲峁└鞣N生鮮食品、熟食與半熟食品，通過冷藏陳列柜來實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜、肉類、水果、奶制品、日配品等的保鮮與冷藏。因而，人們對(duì)冷藏陳列柜的保鮮存儲(chǔ)設(shè)備提出了高要求，研究工作者基于CFD技術(shù)對(duì)冷藏陳列柜進(jìn)行了改良，溫度與濕度控制、氣流組織、節(jié)能等技術(shù)問題可廣泛使用CFD技術(shù)來解決。

食品的冷凍加工與冷藏需要冷庫來解決，而冷庫的建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，要求冷庫具備堅(jiān)固性、隔熱性、抗凍性、密封性。其中，庫內(nèi)貨物的貯藏質(zhì)量、貯藏期直接受制于冷庫內(nèi)的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、速度場(chǎng)三個(gè)方面的分布合理性，為了提高冷庫內(nèi)食品的衛(wèi)生與安全，將CFD技術(shù)應(yīng)用于冷庫領(lǐng)域十分必要。

2.2.2 運(yùn)輸用冷藏裝置

在運(yùn)輸食品的過程中，交通工具上的冷藏裝置必不可少，這是確保食品在運(yùn)輸期間保鮮、保質(zhì)的關(guān)鍵所在。為此，結(jié)合交通工具的特點(diǎn)，人們研制出了運(yùn)輸用冷藏裝置，其相當(dāng)于一個(gè)移動(dòng)的冷庫，冷藏集裝箱、冷藏汽車、冷藏船、鐵路冷藏車是當(dāng)前主要的運(yùn)輸用冷藏裝置，以確保運(yùn)輸過程中食品能夠貯存在低溫環(huán)境中，避免因運(yùn)輸而造成的食品腐敗損壞。在運(yùn)輸用冷藏裝置中應(yīng)用CFD技術(shù)能夠有效提高其對(duì)食品的保鮮冷藏質(zhì)量，冷藏集裝箱是冷藏食品運(yùn)輸中的主要工具，利用CFD方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)箱內(nèi)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算。而在鐵路冷藏車中應(yīng)用CFD，可以利于完成對(duì)充放冷過程（冷板冷藏車）、冷凍貨物溫度分布（運(yùn)輸過程）、溫度場(chǎng)（堆碼方式）的數(shù)值模擬，以及數(shù)值計(jì)算與分析。總之，在CFD方法與技術(shù)的支持下，運(yùn)輸用冷藏裝置的功能會(huì)越來越完善，進(jìn)而食品的運(yùn)輸過程中的保鮮冷藏等衛(wèi)生安全性。

3 結(jié)語

通過上述分析可知，將計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用在制冷空調(diào)還是一個(gè)全新的理論設(shè)計(jì)領(lǐng)域，得益于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)的高速發(fā)展，以及HVAC（暖通空調(diào)）領(lǐng)域中CFD技術(shù)的廣泛應(yīng)用成效，使得制冷空調(diào)CFD技術(shù)及其應(yīng)用具有很大的發(fā)展前景。相信在相關(guān)研究專員的努力下，CFD技術(shù)將在制冷空調(diào)工程領(lǐng)域中獲得更普遍、廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

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基金項(xiàng)目：本文是四川理工學(xué)院科研基金項(xiàng)目2012KY15的部分研究成果。