CFD技術在空調制冷工程中的應用

羅 偉

三門峽職業技術學院

CFD技術在空調制冷工程中的應用

羅 偉

三門峽職業技術學院

中央空調與傳統空調相比，不僅能夠實現制冷或者制熱，還可以對室內空氣進行處理和凈化，對微小的灰塵顆粒進行清除，對細菌進行消毒，從而改善室內空氣質量，為人們提供一個相對舒適的環境。在暖通空調制冷工程中，應用CFD技術，能夠從根本上解決制冷不足的問題，而且具有成本低、速度快等優點，受到了相關技術人員的廣泛關注。本文結合CFD技術的相關概念，對其在暖通空調制冷工程中的應用進行了討論和研究。

暖通空調；制冷工程；CFD技術

(Com putational Fluid Dynam ics，簡稱 CFD)，是一種重要的計算機模擬技術，其產生可以追溯到20世紀30年代初，它是流體力學、數值計算方法以及計算機圖形學三者相互結合的產物。1974年，丹麥的尼爾森(P.V.Nielsen)首次將CFD技術應用于空調工程，模擬室內空氣流動情況，標志著CFD技術開始應用于分析工程中的流動問題。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。

1 CFD 技術概述

CFD指計算機流體力學，是對 Computational Fluid Dynamics 的簡稱，是在計算機技術、數值計算技術等的影響下產生和發展起來的，屬于現代模擬仿真技術的一種。簡單來講，CFD相當于在虛擬計算機上進行實驗，對實際的流體流動情況進行模擬仿真，結合數值求解控制流體流動的微分方程，得到流體流動的流場在連續區域上的離散分布，進而近似模擬流體的流動情況。在1974年，丹麥工程師Nielsen首次將CFD技術應用于暖通空調工程領域，對通風環境下室內的空氣流動進行了模擬，經過不斷的發展和演變，現如今，CFD技術已經成為空調工程師與建筑師對工程問題進行分析和解決的有力工具，在暖通空調設計中發揮著愈發重要的作用。以預測室內空氣分布為例，CFD技術具有成本低、速度快、資料完備，能夠對各種不同工況進行有效模擬等優點。與射流公式、模擬實驗以及Zonalmodel三種方法相比，CFD具有不可比擬的優點，同時伴隨著計算機技術的快速發展，CFD的計算周期和成本不斷縮減，完全可以為工程應用所接受。

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。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。

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)。

3 CFD 技術在暖通空調制冷工程中的應用原則

由于計算機模型需要的數據會在前端處理過程中形成，因此，工作人員通常會在這個過程中建立模型并將數據錄入到模型當中，從而生成網格。可見，將CFD技術應用于暖通空調制冷工程中時，前端處理是非常重要的一個環節。同時，計算機的核心運算器一直處于高速運行的工作狀態，它每時每刻都在分析模塊，然后再將分析出來的結果提供給后臺，以便它們在使用過程當中能夠更加清晰直觀。由此可見，將CFD技術應用于暖通空調制冷工程中時，必須充分注重周期、參量以及模塊這三個原則，只有嚴格遵循這三大基本原則，才能讓暖通設備發揮出更大的功效，充分保證暖通空調的良好制冷效果。

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。

4 暖通空調領域中 CFD 技術的使用

4.1 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。

(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。

4.2 CFD 技術在暖通空調制冷工程中的實際運用

CFD 技術之所以被越來越廣泛應用于暖通空調制冷工程當中，主要原因是因為該技術對數值模擬計算的原理，將該技術合理有效的應用于暖通空調制冷工程當中，有助于相關設計人員快速而高效的完成模擬數值的計算工作，大大節省人力和節約時間。以能量守恒方程、動量守恒方程以及質量守恒方程為例，在實際的計算過程當中，必須嚴格按照一定的步驟進行，首先需要建立模型，然后再進行數值求解，再對數值解進行可視化處理，最后再對暖通空調制冷的具體應用進行設計，如果數值解的可視化處理通過評估，便可以正式實施或進行投產。

1)建立模型

模型的建立主要包括建立數學模型和物理模型，換而言之，就是通過數學的方式將所要研究的流體問題描述出來，由于暖通領域的流體問題能夠充分滿足連續性方程的要求，因此，可以運用能量方程和動量方程，通常情況下，人們更加傾向于利用不可壓流體的粘性流體流動的控制微方程。同時，在暖通空調制冷工程中，由于其流體流動大多數情況下均屬于湍流流動，因此，應該適當運用湍流模型對流體的湍流流動情況進行模擬，只有這樣，才能夠完整的將所研究的問題描述出來，方便下一步的數值求解。

2)計算流體

計算流體動力學即 C FD 技術已經得到越來越廣泛的應用，對于室內空氣流場還有這個溫度場數值模擬的一個精度已經有了很大的提升，使用 C FD 方法計算了室內的冷負荷。本課題中就是利用 C FD數值模擬技術來解決得出冷負荷，然后取得空調的一個制冷能力。

1.對流熱

對流是因為這個運動引起的流體的宏觀流體每個部位發生一個相對的位移，其實也就是一個冷熱流體的傳熱過程。熱對流是由于流體宏觀部分之間的相對位移，因此熱對流一般就是會在流體介質中產生，還因為流體中的這個分子存在的不規則熱運動導致的，所以說這個熱對流的過程不可避免地伴隨著一個熱傳導的情況。在實際工程里，當室外空氣流經身體表面，身體表面之間的空氣和傳熱，流體和這個非流體之間的傳熱身體表面現象就叫做這個對流傳熱，與這個一般的熱對流區別開來。

2.熱傳導

在每個物體之間如果沒有發生一個相對位移時，而是依靠分子、原子及自由電子等這些的微觀粒子的熱運動的傳熱稱為導熱，。維護結構等身體層之間的換熱。沒有相對運動的宏觀傳熱，傳熱換熱屬于有接觸的一個換熱過程。

3.熱輻射

對象通過電磁波傳遞能量就是所謂的輻射，對象會由于不同的原因產生一個輻射，這造成的熱輻射現象稱為熱輻射。熱輻射其實就是指對象的這個熱狀態的無線電波向世界和能量傳遞過程的空間，和電磁波在這個真空里面進行一個傳播，因此這個熱輻射的比較突出特征是這個非接觸的一個傳熱。對于兩個對象的這個不同的溫度，根據本身發射輻射能以及這個吸收到他們的輻射能達到一個能量的這個傳遞，這個傳遞的方式就是我們說的輻射傳熱。

3)進行氣流數值求解

①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。②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建立離散方程并求解。

4)數值解的可視化處理

雖然前面已經通過運用 CFD模擬技術計算出了空間流體的數值，但是，最終我們所得到的數值結果是以節點數值的形式存在的，因而大大增加了相關人員的工作難度，使得工作人員難以觀察結果數據，無法對結果數據進行有效地分析。從目前的實際情況來看，各種 CFD 軟件均出現了對 CFD 計算結果的后處理工序，通過 CFD 數據后處理之后所得到的數據便可以通過靜態的圖片將其顯示出來。

5 CFD 技術的發展趨勢

其一，CFD技術與網絡技術的結合。通過與網絡的相互結合，一方面能夠實現暖通空調系統設計的網絡寫作，使得設計工作可以實現異地協同；另一方面，可以實現設計信息的交流和共享，實現CFD與CAD、CAM等的無縫對接。

其二，CFD技術與專家系統的結合。將CFD技術與專家系統融合在一起，不僅可以在專家系統的提示和指導下，進行系統的前后處理，簡化CFD軟件的操作難度，還可以利用專家系統中海量的信息，對前后處理的正確性進行自動檢驗，提升計算的準確性，更可以以專家系統為載體，實現計算案例以及知識的積累和儲備，為CFD計算提供相應的技術支持。

其三，CFD技術與實測數據的結合。在計算機技術發展的帶動下，我國目前應經出現了多個版本的CFD商用軟件，利用這些軟件，可以對暖通空調工程進行模擬計算，但是由于缺乏實測數據，計算的準確性難以保證。因此，建立模擬工程實測數據庫，將CFD技術與實測數據相互結合，是CFD軟件的一個重要發展方向。

綜上所述，目前，在西方發達國家，CFD 技術已經達到了一個非常成熟的階段，而且該技術在暖通空調制冷工程中的應用已經達到了一個實用化階段。但我國由于技術還計較落后，因而使得 CDF技術等在暖通領域中的一些技術還無法與國際水平接軌。因此，為了充分適應國際化發展，相關人員必須不斷努力探索研究，不斷完善和改進現有技術，使 CFD 技術更加廣泛地應用于暖通空調制冷工程當中，為建筑行業的健康發展提供技術保障。

[1] 李朋娜，葛華東. CFD技術在暖通空調制冷工程中應用[J]. 民營科技，2013，10：1.

[2] 曹端泉. CFD技術在暖通空調制冷工程中的實際運用[J]. 電子制作，2015，12：53.

[3] 張杰. CFD技術在暖通空調制冷工程中應用[J]. 科技展望，2015，23：127.