CFD技术在空调制冷工程中的应用

罗 伟

三门峡职业技术学院

CFD技术在空调制冷工程中的应用

罗 伟

三门峡职业技术学院

中央空调与传统空调相比，不仅能够实现制冷或者制热，还可以对室内空气进行处理和净化，对微小的灰尘颗粒进行清除，对细菌进行消毒，从而改善室内空气质量，为人们提供一个相对舒适的环境。在暖通空调制冷工程中，应用CFD技术，能够从根本上解决制冷不足的问题，而且具有成本低、速度快等优点，受到了相关技术人员的广泛关注。本文结合CFD技术的相关概念，对其在暖通空调制冷工程中的应用进行了讨论和研究。

暖通空调；制冷工程；CFD技术

(Com putational Fluid Dynam ics，简称 CFD)，是一种重要的计算机模拟技术，其产生可以追溯到20世纪30年代初，它是流体力学、数值计算方法以及计算机图形学三者相互结合的产物。1974年，丹麦的尼尔森(P.V.Nielsen)首次将CFD技术应用于空调工程，模拟室内空气流动情况，标志着CFD技术开始应用于分析工程中的流动问题。CFD是目前国际上一个强有力的研究领域，是进行“三传”(传热、传质、动量传递)及燃烧、多相流和化学反应研究的核心与重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工、暖通空调及空气净化等诸多工程领域。

1 CFD 技术概述

CFD指计算机流体力学，是对 Computational Fluid Dynamics 的简称，是在计算机技术、数值计算技术等的影响下产生和发展起来的，属于现代模拟仿真技术的一种。简单来讲，CFD相当于在虚拟计算机上进行实验，对实际的流体流动情况进行模拟仿真，结合数值求解控制流体流动的微分方程，得到流体流动的流场在连续区域上的离散分布，进而近似模拟流体的流动情况。在1974年，丹麦工程师Nielsen首次将CFD技术应用于暖通空调工程领域，对通风环境下室内的空气流动进行了模拟，经过不断的发展和演变，现如今，CFD技术已经成为空调工程师与建筑师对工程问题进行分析和解决的有力工具，在暖通空调设计中发挥着愈发重要的作用。以预测室内空气分布为例，CFD技术具有成本低、速度快、资料完备，能够对各种不同工况进行有效模拟等优点。与射流公式、模拟实验以及Zonalmodel三种方法相比，CFD具有不可比拟的优点，同时伴随着计算机技术的快速发展，CFD的计算周期和成本不断缩减，完全可以为工程应用所接受。

2 CFD 技术的应用范围

CFD在建筑中的应用范围可以简单的概括为室内气流模拟，室外气流模拟和室内气流兼室外气流模拟。围绕这个核心，当前很多CFD技术开始向多个方面、多个行业进行发展。它能做到一些通风空调设计方案优化及预测，包括很多建筑火灾烟气流动及防排烟系统也是通过CFD技术进行分析的。也就是说，当前CFD技术开始向各种以流动为基础的工程问题方向发展，置换通风方式的数值模拟、洁净室气流分布的数值模拟等，气固、液固多相流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等等，这些暖通工程都是结合了CFD技术而实现的。室内空气品质的相互影响过程的CFD分析以及冷库库房及制冷设备的CFD分析、高大空间气流组织分析已经得到广泛的应用。

CFD分析研究可以提供工程设计、生产管理、技术改造中所必需的参数，如流体阻力(阻力损失)，流体与固体之间的传热量(散热损失等)，气体、固体颗粒的停留时间，产品质量，燃烬程度，反应率，处理能力(产量)等综合参数以及各种现场可调节量(如风量、风温、组分等)对这些综合参数的影响规律性。还可以提供流动区域内精细的流场(速度矢量)、温度场、各种与反应进程有关的组分参数场，通过对这些场量的分析，发现现有装置或设计中存在的不足，为创新设计、改造设计提供依据。相当于是一个通用的、多功能的大型冷、热态试验场(数值试验)。

3 CFD 技术在暖通空调制冷工程中的应用原则

由于计算机模型需要的数据会在前端处理过程中形成，因此，工作人员通常会在这个过程中建立模型并将数据录入到模型当中，从而生成网格。可见，将CFD技术应用于暖通空调制冷工程中时，前端处理是非常重要的一个环节。同时，计算机的核心运算器一直处于高速运行的工作状态，它每时每刻都在分析模块，然后再将分析出来的结果提供给后台，以便它们在使用过程当中能够更加清晰直观。由此可见，将CFD技术应用于暖通空调制冷工程中时，必须充分注重周期、参量以及模块这三个原则，只有严格遵循这三大基本原则，才能让暖通设备发挥出更大的功效，充分保证暖通空调的良好制冷效果。

CFD 技术的方案设计与暖通制冷系统的节能、舒适度存在着很大的关系，所以，在生产管理上，CFD 技术在暖通工程系统依然面临着严峻的挑战。节能系统的设计是首要因素，但是在设计方案上由于技术水平有限，还没有得到深入的提高。目前由于缺乏科学的、创新的 CFD 技术设计方案，设计周期普遍较短，方案不够完善，缺乏科学评价机制严重影响到暖通空气的节能效果。同时，由于没有运用正确的方法对暖通空调系统进行 CFD 技术的管理，整体的设计成果、质量都受到一定的影响。

4 暖通空调领域中 CFD 技术的使用

4.1 CFD在暖通空调的主要应用领域

(1)通风空调房间的设计。利用CFD技术的能力，可以将整个房间的气流分布进行一个详细的预测，并且能够起到一个准确的数据参考。这种气流数据分析能够将室内的各种情况参考进去，并且能够结合内扰条件、边界条件以及初始条件，进而全面系统的对室内气流的分布情况进行泛红，从而得出最优的整体设计方案，以使其在施工完成后能够有一个良好的通风效果。

(2)建筑外环境设计。在我们的居住环境中，建筑外部与建筑内部的环境同样重要。这就使在建筑设计中对于小区的二次送风、小区的热环境等问题也逐渐被人们重视起来。而利用CFD的计算模式可以便捷的将整个建筑的外环境进行一个分析模拟，从而得出最好的建筑效果和空气效果。

(3)室内空气品质。利用CFD的研究技术可以达到对于室内空气品质进行一定的鉴定。通过对室内的整体设计、相对温度、相对湿度和污染物浓度等参数进行一个综合的分析，从而得出通风的效率舒适度和排污效果的整体数值。

(4)改进建筑设备性能。在现阶段暖通工程的施工中，大部分的施工器械如风机、蓄水槽、空调等都是通过流体工艺制作的，由于流动情况对于设备的运转效果有着非常大的影响。

4.2 CFD 技术在暖通空调制冷工程中的实际运用

CFD 技术之所以被越来越广泛应用于暖通空调制冷工程当中，主要原因是因为该技术对数值模拟计算的原理，将该技术合理有效的应用于暖通空调制冷工程当中，有助于相关设计人员快速而高效的完成模拟数值的计算工作，大大节省人力和节约时间。以能量守恒方程、动量守恒方程以及质量守恒方程为例，在实际的计算过程当中，必须严格按照一定的步骤进行，首先需要建立模型，然后再进行数值求解，再对数值解进行可视化处理，最后再对暖通空调制冷的具体应用进行设计，如果数值解的可视化处理通过评估，便可以正式实施或进行投产。

1)建立模型

模型的建立主要包括建立数学模型和物理模型，换而言之，就是通过数学的方式将所要研究的流体问题描述出来，由于暖通领域的流体问题能够充分满足连续性方程的要求，因此，可以运用能量方程和动量方程，通常情况下，人们更加倾向于利用不可压流体的粘性流体流动的控制微方程。同时，在暖通空调制冷工程中，由于其流体流动大多数情况下均属于湍流流动，因此，应该适当运用湍流模型对流体的湍流流动情况进行模拟，只有这样，才能够完整的将所研究的问题描述出来，方便下一步的数值求解。

2)计算流体

计算流体动力学即 C FD 技术已经得到越来越广泛的应用，对于室内空气流场还有这个温度场数值模拟的一个精度已经有了很大的提升，使用 C FD 方法计算了室内的冷负荷。本课题中就是利用 C FD数值模拟技术来解决得出冷负荷，然后取得空调的一个制冷能力。

1.对流热

对流是因为这个运动引起的流体的宏观流体每个部位发生一个相对的位移，其实也就是一个冷热流体的传热过程。热对流是由于流体宏观部分之间的相对位移，因此热对流一般就是会在流体介质中产生，还因为流体中的这个分子存在的不规则热运动导致的，所以说这个热对流的过程不可避免地伴随着一个热传导的情况。在实际工程里，当室外空气流经身体表面，身体表面之间的空气和传热，流体和这个非流体之间的传热身体表面现象就叫做这个对流传热，与这个一般的热对流区别开来。

2.热传导

在每个物体之间如果没有发生一个相对位移时，而是依靠分子、原子及自由电子等这些的微观粒子的热运动的传热称为导热，。维护结构等身体层之间的换热。没有相对运动的宏观传热，传热换热属于有接触的一个换热过程。

3.热辐射

对象通过电磁波传递能量就是所谓的辐射，对象会由于不同的原因产生一个辐射，这造成的热辐射现象称为热辐射。热辐射其实就是指对象的这个热状态的无线电波向世界和能量传递过程的空间，和电磁波在这个真空里面进行一个传播，因此这个热辐射的比较突出特征是这个非接触的一个传热。对于两个对象的这个不同的温度，根据本身发射辐射能以及这个吸收到他们的辐射能达到一个能量的这个传递，这个传递的方式就是我们说的辐射传热。

3)进行气流数值求解

①确定边界条件与初始条件。初始条件和边界条件是控制方程有确定解的前提。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。对于瞬态问题必须给定初始条件，对于稳态问题不需要初始条件。边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律。②划分计算网格。网格分结构网格和非结构网格。简单说，结构网格在空间上比较规范，如对一个四边形区域，结构网格多是成行成列分布的，而非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线。目前各种 CFD 软件都有专门的网格生成工具。③建立离散方程并求解。

4)数值解的可视化处理

虽然前面已经通过运用 CFD模拟技术计算出了空间流体的数值，但是，最终我们所得到的数值结果是以节点数值的形式存在的，因而大大增加了相关人员的工作难度，使得工作人员难以观察结果数据，无法对结果数据进行有效地分析。从目前的实际情况来看，各种 CFD 软件均出现了对 CFD 计算结果的后处理工序，通过 CFD 数据后处理之后所得到的数据便可以通过静态的图片将其显示出来。

5 CFD 技术的发展趋势

其一，CFD技术与网络技术的结合。通过与网络的相互结合，一方面能够实现暖通空调系统设计的网络写作，使得设计工作可以实现异地协同；另一方面，可以实现设计信息的交流和共享，实现CFD与CAD、CAM等的无缝对接。

其二，CFD技术与专家系统的结合。将CFD技术与专家系统融合在一起，不仅可以在专家系统的提示和指导下，进行系统的前后处理，简化CFD软件的操作难度，还可以利用专家系统中海量的信息，对前后处理的正确性进行自动检验，提升计算的准确性，更可以以专家系统为载体，实现计算案例以及知识的积累和储备，为CFD计算提供相应的技术支持。

其三，CFD技术与实测数据的结合。在计算机技术发展的带动下，我国目前应经出现了多个版本的CFD商用软件，利用这些软件，可以对暖通空调工程进行模拟计算，但是由于缺乏实测数据，计算的准确性难以保证。因此，建立模拟工程实测数据库，将CFD技术与实测数据相互结合，是CFD软件的一个重要发展方向。

综上所述，目前，在西方发达国家，CFD 技术已经达到了一个非常成熟的阶段，而且该技术在暖通空调制冷工程中的应用已经达到了一个实用化阶段。但我国由于技术还计较落后，因而使得 CDF技术等在暖通领域中的一些技术还无法与国际水平接轨。因此，为了充分适应国际化发展，相关人员必须不断努力探索研究，不断完善和改进现有技术，使 CFD 技术更加广泛地应用于暖通空调制冷工程当中，为建筑行业的健康发展提供技术保障。

[1] 李朋娜，葛华东. CFD技术在暖通空调制冷工程中应用[J]. 民营科技，2013，10：1.

[2] 曹端泉. CFD技术在暖通空调制冷工程中的实际运用[J]. 电子制作，2015，12：53.

[3] 张杰. CFD技术在暖通空调制冷工程中应用[J]. 科技展望，2015，23：127.