CFD技術在暖通空調領域的應用方向

廖海防

摘 要：隨著現階段我國科學技術的快速發展，在科技發展上逐漸形成了電子信息群體、生物群體、空間群體、海洋群體、新材料群體、新能源群體等高科技群體，并且其也逐漸成為社會發展的新動力。并且在現階段的發展水平下，利用科學技術改變傳統模式已經成為了經濟發展的必然方向。CFD技術則是在計算機技術、數值計算技術結合的新技術。CFD技術是一種虛擬的手段來利用計算機作為載體，加以一定的數據以期來計算出實際的流體流動情況。而其就是使用數值求解來對微分方程進行解答，來計算出在離散區域上，流體流動的實際分布，從而得出其余實際比較相近的情況。所以在CFD是現階段所有的模仿計算中比較能夠貼近實際的一種，所以CFD技術也成為了建筑師對問題進行分析和解決的重要工具，空調工程師也對其使用也越來越多。在文章中，將對CFD在暖通空調領域中的使用進行展開和簡單的討論，并且通過其使用辦法和步驟，來給工作人員提供一個重要的數據依據。

關鍵詞：CFD技術 應用范圍 暖通空調

中圖分類號：TM925.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（a）-0004-02

CFD的模擬設備使用簡單、投資小、計算速度快、并且計算空間不受限制，并且可以依據各種情況進行計算。這是其他的算法所不具備的。而且隨著我國經濟的不斷發展，CFD技術已經成為了一種重要的計算方法沒并且在建筑領域中越來越多的被應用。

1 CFD介紹

CFD就是計算流力動力學（Computaional Fluid Dynamics）的縮寫，即通過計算機的計算和圖像顯示功能，將含有流體流動數據和熱傳導等數據進行一個系統的分析。CDF可以視為一種流體的方程式來對流動的數值進行模擬計算和控制分析。并進行熱傳導、熱傳遞、動量傳遞以及燃燒等化學反應研究的重要技術。

在世界上，不斷有人對CFD技術進行應用和發展，早在1933年thom就利用數值法來對偏微分方程進行解決，這也是CFD技術正是的在方程式中得以體現，而1974年P.V.Nielsen也將CFD技術應用到期計算領域中，并且對空氣流動情況進行一個全面詳細的解答。在隨后的不斷發展中，世界各個國家都為了節約能源和提高生產力水平，對其投入了大量的資源和時間來對CFD技術進行研究。并且經過了10年的不斷研究，取得了一定的成果，并且其在暖通空調領域的研究和使用也是大量的進行?，F階段CFD技術已經成為空調設計和建造師解決實際的工程問題的重要手段，并且提供了大量的技術參考。

在全世界中，CFD的技術使用是從美國開始的。在1986年美國就已經對CFD模擬室內空氣流動的發展研究成果進行了一定的分析和整理，并且成立了相關的部門來對室內空氣流動進行研究。1989年美國的ASHARE成立了專門機構以研究CFD方法預測室內空氣流動，并且完整的對CFD在空氣流動的方法進行了一個闡述。日本也是一個在CFD使用技術上比較成功的國家，其最開始將CFD應用到室內空氣流動問題上是20世紀70年代。

2 CFD應用范圍

在應用范圍上，CFD能夠在各種復雜的幾何空間內來對數據進行分析，并且能夠對流動液體問題；高溫傳熱問題；氣態、固態、液態轉換問題；非牛頓流體流動（如流變、粉塵、混凝土）問題；多孔質介質問題；化工反應流問題；粉煤、氣態燃料、油霧、混合燃料及氧化流燃燒等問題；爆炸、燃爆、著火等問題；攪拌反應釜問題；環保等問題提供一定的數據依據。而CFD的研究數據則可以為其在工程設計上、生產管理和技術改造上提供一定的數據參考。例如在流體的阻力上。流體與固體之間的熱傳遞，固體、氣體狀態的停留時間，產品質量，反應速率，處理能力等綜合指標來對現場的各種情況進行一個針對性有效的調節，并且以此拉對整個系統進行一定的定性和定位。并且通過對于這一部分的數據分析來對現場的裝置和設計中的不足進行技術的更正和提升，以能更好的完成施工目標。所以CFD在一定的程度上是一種多功能、通用型的大型試驗數據庫。

3 暖通空調領域中CFD技術的使用

3.1 CFD在暖通空調的主要應用領域

（1）通風空調房間的設計。利用CFD技術的能力，可以將整個房間的氣流分布進行一個詳細的預測，并且能夠起到一個準確的數據參考。這種氣流數據分析能夠將室內的各種情況參考進去，并且能夠結合內擾條件、邊界條件以及初始條件，進而全面系統的對室內氣流的分布情況進行泛紅，從而得出最優的整體設計方案，以使其在施工完成后能夠有一個良好的通風效果。

（2）建筑外環境設計。在我們的居住環境中，建筑外部與建筑內部的環境同樣重要。這就使在建筑設計中對于小區的二次送風、小區的熱環境等問題也逐漸被人們重視起來。而利用CFD的計算模式可以便捷的將整個建筑的外環境進行一個分析模擬，從而得出最好的建筑效果和空氣效果。并且能夠通過對外環境的流動情況來對建筑內部的通風進行一個設計因素。

（3）室內空氣品質。利用CFD的研究技術可以達到對于室內空氣品質進行一定的鑒定。通過對室內的整體設計、相對溫度、相對濕度和污染物濃度等參數進行一個綜合的分析，從而得出通風的效率舒適度和排污效果的整體數值。

（4）改進建筑設備性能。在現階段暖通工程的施工中，大部分的施工器械如風機、蓄水槽、空調等都是通過流體工藝制作的，由于流動情況對于設備的運轉效果有著非常大的影響。利用CFD模擬算法則可以對設備內部的流動進行一個準確的計算，從而來對器械進行一定的調節，以提升其工作效率。

3.2 CFD在暖通空調中的求解過程

將CFD在暖通空調領域中，整個計算過程中都是如下的幾個順序：建立數學模型、進行氣流數值計算、結果可視化等步驟。

（1）建立數學模型。建立數學模型就是指很對所要研究的問題將其各種條件進行一個數理分析，建立一個合理的數學模型來進行計算，以為數值求解做出一定的準備工作。

（2）氣流數值求解。在進行氣流數值求解前，首先要將邊界條件和初始條件進行一個明確，由于二者是控制方程存在合理解的前提。初始條件是指對于研究對象在開始的情況下各個求解變量的空間分布情況。而對于瞬間狀態的問題是必須給定初始條件的，而對于穩定的環境問題則不需要給定初始條件。而邊界條件則是指對于求解問題的邊界上所存在的變量和導數的隨機性的變化規律。其次是要進行計算網格的劃分。利用網格劃分和非網格的結構。由于網格式結構在空間上比較規范，而且對于一個時變性的區域可以簡單的對其進行分類分析，現階段的大部分CFD計算軟件都有專門的網格生成功能。在最后建立一個離散方程，并且對其求解。選擇一種合適的方法來對求解的區域進行離散化。

（3）結果可視化。結果可視化是指在進行方程求解之后因為其計算的結果是單純的數據結果，不存在一定的可視性，并且不直觀，很難被除了工程人員和計算人員所熟悉，所以就要利用相關的軟件來講計算的結果進行可視化處理，CFD軟件的后期結果可以顯示出溫度、速度、濃度等相關的圖片，也可以以一種動態的流動線條或者圖形來進行表現。

綜上所述，在現階段CFD已經在暖通空調領域上進行應用，但是在全世界范圍內，日本和歐洲等國家的相關技術走在世界的前列，并且現階段的日本已經將CFD技術全面的應用到暖通行業的實用當中，并且國外CFD不僅基礎成果豐富，而且其軟件業比較成熟。我國從20世紀80年代開始將CFD與暖通領域進行結合應用，現在已經有了相當的成果和實際應用。但是從全面上來說，要將其全面的加入到暖通工程領域中還需要很長的一段時間發展，所以我們要大力發展我們的科技水平以使其在暖通領域做出更大的貢獻。

參考文獻

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