CFD技術在暖通工程中的應用研究

摘 要：目前暖通空調系統在建筑節能環保的領域中扮演著越來越重要的角色，越來越多的暖通系統會應用到CFD技術中去。暖通空調制冷行業是CFD技術應用的重要領域之一，不少專家以及專業技術都已經運用CFD技術取得了較大的成績。文章將通過分析CFD技術在暖通工程行業的應用，了解其工藝技術當前存在的問題，從而得出其發展前景，以供參考。

關鍵詞：CFD技術；暖通工程；應用研究

1 CFD技術在暖通工程中的應用情況

CFD（Computational Fluid Dynamics，即計算流體動力學簡稱CFD），它是伴隨著計算機技術、數值計算技術的發展而發展的。CFD=流體力學+熱學+數值分析+計算機科學。CFD技術是目前國際上一個強有力的研究領域。它相當于“虛擬”地在計算機做實驗，用以模擬仿真實際的流體流動情況。我國暖通空調制冷行業已有不少專家對CFD的應用研究開展了大量的工作，暖通空調制冷行業是CFD技術應用的重要領域之一。很多CFD技術在暖通工程中已取得了驚人的成就。

2 CFD技術的應用范圍

CFD在建筑中的應用范圍可以簡單的概括為室內氣流模擬，室外氣流模擬和室內氣流兼室外氣流模擬[3]。圍繞這個核心，當前很多CFD技術開始向多個方面、多個行業進行發展。它能做到一些通風空調設計方案優化及預測，包括很多建筑火災煙氣流動及防排煙系統也是通過CFD技術進行分析的。也就是說，當前CFD技術開始向各種以流動為基礎的工程問題方向發展，置換通風方式的數值模擬、潔凈室氣流分布的數值模擬等，氣固、液固多相流、非牛頓流、化學反應流、煤粉燃燒等等，這些暖通工程都是結合了CFD技術而實現的。室內空氣品質的相互影響過程的CFD分析以及冷庫庫房及制冷設備的CFD分析、高大空間氣流組織分析已經得到廣泛的應用。一些經濟實力雄厚的實體也見到了CFD應用軟件的巨大商機，空氣品質及建筑熱環境的CFD方法評價、預測等，紛紛介入。當前CFD技術在暖通工程中已經得以廣泛的應用。

3 CFD技術在暖通工程中的使用步驟

3.1 運用CFD軟件進行設計分析，計算出暖通工程的流體細節問題

計算流體力學即CFD的應用改變了傳統的設計過程，CFD技術在暖通空調制冷工程設計與產品開發及其他行業中，進行傳熱、傳質、動量傳遞及燃燒、多相流和化學反應研究的核心和重要技術，各有其獨特的作用。張建忠分析了數值計算方法在暖通空調領域的應用情況，一般我們要先確定CFD方法的控制方程，由于CFD軟件可以相對準確地給出流體流動的細節，對常見的暖通工程通風問題做數值計算分析，選擇離散方法進行離散，依靠經驗和試驗及簡單的理論分析來完成工程設計產品開發工作。不僅可以準確預測流體產品的整體性能，還能分析出該暖通工程的問題，同時，還應通過計算參考值以及選取參數來進行結論的應用，就容易從對流場的分析中發現產品或工程設計中的問題。

3.2 抽取實驗樣本進行控制計算得出措施

CFD的核心是對NS方程的處理，二次開發需要遵循軟件的規則，它可以抽象出數學模型之后，需要尋求合適的計算方式以求解模型。而現代設計過程中，多個實驗數據，這一環節中的大量工作已通過CFD工作完成。在應用中，通常是找一些相類似的例子，即通過CFD工作形成大量的可控數據以供參考，按照例子中的設置方式進行設置，利用試驗來調整計算模型與算法，即可檢驗CFD的技術是否科學、合理地進行，從而降低整個工序成本。

3.3 篩選方案，進行設計循環計算從而落實應用

在暖通工程中，最常用的方法就是經過一定考核的CFD 軟件來拓寬實驗研究的范圍，分析暖通制冷系統，減少成本昂貴的實驗工作量。方案的篩選是以科學性的分析為基礎，以期在計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳。但是，無論分析的方法或實驗的方法都有較大的限制，所以需要去篩選出方案，進行CFD技術的高效處理，才能夠方便計算工作展開。采用統一的前、后處理工具，能夠縮減工作時期，也就體現了CFD方法具有成本低和能模擬較復雜或較理想的過程等優點。

4 CFD技術在暖通工程中存在的問題

CFD技術的方案設計與暖通制冷系統的節能、舒適度存在著很大的關系，所以，在生產管理上，CFD技術在暖通工程系統依然面臨著嚴峻的挑戰。節能系統的設計是首要因素，但是在設計方案上由于技術水平有限，還沒有得到深入的提高。目前由于缺乏科學的、創新的CFD技術設計方案，設計周期普遍較短，方案不夠完善，缺乏科學評價機制嚴重影響到暖通空氣的節能效果。同時，由于沒有運用正確的方法對暖通空調系統進行CFD技術的管理，整體的設計成果、質量都受到一定的影響。在節能減排和可持續發展理念提出之后，暖通空調系統的節能環保問題也突顯重要，CFD技術在此工程上還有待提高。

5 我國暖通工程在CFD技術上的發展前景

隨著計算機圖形學、計算機微機技術的快速進步，CFD的前后處理軟件得到了迅速發展。自70年代末80年代初起，已有一些高校、研究機構開始CFD技術的應用研究，清華大學的李先庭和趙彬等人在CFD方法評價PMV和空氣齡、風口模型、室內顆粒物的擴散規律等方面做出了重要貢獻。從軟件工程的角度來看，求解（核心計算）的部分與國外先進水平差距不大，20年來已取得許多重要的成就。但是，開展CFD方面的研究尚有大量工作要做，利用數值模擬方法和模型求解了氣流的速度分布和溫度分布的技術還有待研究。當前，CFD技術在暖通工程中的應用，主要差距表現在前處理即幾何造型與網格生成技術、后處理即科學計算可視化部分。以室內空氣分布以及建筑物內煙氣流動規律的模擬為主，應繼續加強算法方面的基礎研究，從而形成一些可以解決實際問題的軟件。

參考文獻

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