CFD技术在暖通空调工程中的应用

CFD技术在暖通空调工程中的应用

梁肇文

温氏食品集团股份有限公司 广东 云浮 527400

摘要：随着社会的进步，暖通空调工程已广泛应用于建筑业，对改善人们的室内环境起着非常重要的作用，但空间温度、气流的不均匀性、能耗高等问题一直存在，利用计算流体动力学方法（Computation Fluid Dynamics，简称CFD）对室内空气流动进行模拟计算，对室内环境的模拟仿真，形象、直观、快捷地对室内气流流动形成的微环境做出分析和评价，进而优化暖通空调设计方案，本文将对此进行简要分析。

关键词：CFD技术;暖通;应用

目前，暖通空调系统已成为人们生活、生产和工作中不可缺少的重要设施，许多研究者一直在探索一种能够有效控制暖通空调系统、有效降低能耗的方法。随着计算机性能和技术的发展，CFD技术得到了广泛的应用并发挥了非常重要的作用。

一、CFD技术特点分析

CFD技术也称为计算流体动力学，通过计算机软件计算的数学模型，在实际应用中，数学模型存在大量计算，CFD技术可通过简化模型，软件加速，从而简化计算过程，提高计算效率，提高工作效率。CFD技术的优点具有投入的资金少、简易的模拟设备、快速完成的计算出所需要的资料内容的优点；暖通空调工程的许多内容，如通风系统、制冷系统、气流组织等，都是通过流体工质的流动而达到目标效果的，流动情况对效果有着重要影响。通过CFD 模拟计算系统的内部情况，可以研究改进调整选型设备，降低建筑能耗，节省运行费用。

CFD软件应用的基准是数字模型，同时有效的结合其他各类数学方程组织以及各类应用的模型，模拟计算区域内气流的速度场、温度场、压力场、空气污染物的浓度场等，根据需要应用CFD软件的建筑物实际情况来计算应用，选择物理方法和化学反应方法来结合不同相流的模型，从而评价通风换气效率、热舒适和污染物排放系数等。CFD软件有多个不同的模块，一般分为前处理、求解和后处理三大模块，前处理是建立模型，划分网格；求解是数值模拟方法，主要有DNS、LES、RANS等，利用计算机求解流体流动的偏微分方程组, 进行数值传热等计算；后处理是把求解结果进行可视化处理，输出结果包括流体的速度和方向、压力、温度在空间和时间上的分布，例如图片、动画和数据结果。为工程设计提供更科学准确的数据参考。

二、CFD技术在暖通空调工程中的应用

目前，CFD技术在建筑暖通空调工程得到了广泛的应用，民用建筑、工厂、养殖、种植。暖通空调系统的能耗约占建筑总能耗的一半。因此，暖通空调系统的节能设计、目标环境的舒适度、设计方案优化等已成为主要的研究方向。30多年来计算机技术和CFD计算方法的迅速发展，CFD对暖通空调工程设计方案进行模拟，能有效的预测整个房间内的气流温度等分布情况，为方案评估和分析提供技术支持。以下为CFD技术的具体应用分析：

1.建立模型

可利用Gambit等软件进行建模，对研究的问题作一定的模型化假设，建立多个模型相比较，最终评估出最接近真实的模型。建立模型时需考虑以下几个因素：从物理模型的性质上看，是无粘流动还是粘性流动，是可压缩流动还是不可压缩流动；从模型的运动状态上看，是定常的还是非定常流动，有旋还是无旋流动，层流还是紊流等。

2.定解条件

流体的任何流动都满足连续方程和运动微分方程组，有时还包括能量方程。为了得到确定的解，需给出相应的定解条件，起始条件和边界条件。对于非稳态流动的起始条件，即在起始时刻T=0时所给定的流场中每一点的流动参数；暖通空调工程中常见的边界条件，有壁面上的，不同流体交界面上的，无穷远处及管流进口处的边界条件等。以此才可非常完整全面地描述出研究的具体问题，并便于接下来的数值求解。

3.湍流模拟

暖通空调工程因为其流体流动通常情况下都是湍流流动，湍流是一种高度复杂的非稳态三维流动，在湍流中的各种物理参数，如速度、压力、温度等随时间与空间发生随机的变化。虽然许多湍流模型已经取得某些预示能力，但至今还没有得到一个有效统一的湍流模型。

4.划分网格

网格结构，CFD 网格分为结构化、非结构化和混合网格三大类。

结构化网格中，每一节点及其所处的几何位置的几何信息必须加以保存，但该节点与其相邻节点关系则可依据编号规律自动得出；当计算区域比较复杂时，应用专门的网格生成技术也难以处理所求解的不规则区域，采用结构化网格，把整个求解区域分解成若干区域，每一块均采用结构化网络，区域与区域之间是可以并接的。可以重叠，应用较广。

非结构化网格是处理复杂计算区域网格生成的另一种有效办法。节点的编号是无规则的，每一个节点的相邻节点个数也不相同。

混合网格，顾名思义，将结构化网格和非结构化网格混合使用。非结构化网格计算时长长，对计算机要求高，不能使用结构网格中有效的加快收敛的措施和粘性流体计算中非结构化网络的生成。矩形网络是结构化网络最简单的一种，具有计算快捷的特点，但不易处理复杂边界，因而采用混合网格克服了单种网格划分的缺点，应用广泛。

网格密度，如果网格过于粗糙，那么结果可能有严重的错误，如果网格过于细致，将花费过多的计算时间，而且模型过大可能导致在计算机上不能运行，为避免这类问题的发生，在生成模型前应考虑网格密度，因此必须进行网格独立性检验。

5.方程的离散化和数值求解

明确初始条件和边界条件。初始条件指的是研究对象流动刚开始时，在空间上其求解变量的分布情况，边界条件指的是求解域边界上所求解的导数，会随着时间、地点的变化规律或变量。

CFD将N-S偏微分方程转化成每一节点的一组代数方程，该方程组中包含该节点及附近节点上所示函数值，这就是离散方程组。在一定网格的基础上建立离散方程组的方法：有限差分法、有限元法、有限容积法、边界元法、数值积分变换法等。

CFD应用最多的是有限容积法，将守恒型的控制方程区域离散后形成的控制容积积分，对于节点间物理量的变化特性给出假设，从而把积分进行到底，得出节点间物理量的代数方程式。最后进行数值求解。

三、未来的发展情况

CFD技术在国内外暖通空调工程设计与环境质量评估领域已成必然趋势，廉价而可靠，工建、民建、养殖等建筑的设计改进显得尤为重要。目前我国研究此技术的水平同国际水准还是差一大截。国外大部分CFD 模拟建筑的研究都进行实验验证。实验为CFD 建模提供边界条件，模拟结果反过来指导实际应用，两者相辅相成，扬长避短。而国内有较多研究未经实验验证，仅将CFD 模拟停留在技术层面，不足以证实模拟的实用性。所以我们要参照发达国家的发展情况同时将CFD技术有效的结合各种计算方法进行应用。从总体上说,真正把CFD技术与实际工程的暖通设计结合的案例还很少,在我国暖通行业中开展CFD方面研究尚有大量工作要做.主要表现在以下几个方面：继续加强算法理论方面的基础研究：研究网格自动生成技术：研究科学计算可视化技术;用CFD技术开展本行业中的应用研究。

结束语

现阶段，我国应用CFD 技术进行暖通空调工程的研究相较于国外的先进水平，仍处在探索阶段，对室内空气污染物的连续性监测、时空分布规律、应用CFD 技术对室内空气质量预测和评价方面的研究较少。因此，CFD 技术在各领域的研究势必得到广泛的关注和重视。

参考文献

[1] 龚光彩.CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用[J.暖通空调,1999,29(6):25-27.

[2]裴锋，何启林，贾群.暖通空调CFD技术应用现状及展望刀.制冷与空调,2003,(3):56-58.