FLUENT在暖通空调领域中的应用

龚龙泉

摘要：随着我国社会经济的不断发展以及人们生活水平的不断提高，使得暖通空调产业也得到了快速的发展。暖通空调作为现代人们生活中的一个重要组成部分，在人们的日常生活中发挥着巨大的作用。面临竞争日益激烈的市场形势，促使暖通空调企业必须采取各种有效的措施来不断改善与优化暖通空调的性能。FLUENT软件近年来在暖通空调领域内得到了普遍的应用。因此，本文主要论述了CFD技术相关内容，FLUENT软件的主要特点及其在暖通空调领域中的具体应用。

关键词：暖通空调；FLUENT；CFD技术；应用

前言：我国经济的快速发展为暖通空调领域带来了新的发展机遇与更加严峻的挑战。由于受各方面因素影响，使得暖通空调在快速发展过程中又不断产生新的问题与矛盾，这些新、旧问题无疑给暖通空调的发展造成了一定的阻碍。FLUENT作为计算流体力学（CFD）技术中通用性最强的一种软件，近年来在诸多领域得到了越来越广泛的应用。它的应用不仅强化了暖通空调的性能，而且极大的推动了暖通空调产业的发展。因此，对FLUENT在暖通空调领域中的具体应用进行探究十分必要。

1.CFD技术概述

CFD，即计算流体动力学，是于上世纪60年代伴随计算机技术而迅速兴起的一门学科，目前已发展的相当成熟。在CFD技术发展过程中，各种通用性软件包相继诞生，并逐渐成为商业化软件被应用于机械、环境化工等诸多领域，其中暖通空调是CFD技术应用的重要领域之一。

CFD技术数值求解法主要包括有限单元法、有限分析法、有效差分法和边界元法。有限单元法和有效差分法是两个主要的求解方法。有限单元法吸取了有限差分法离散处理部分，同时又继承了选择试探函数，选择试探函数是根据实际需要从区域中划分出来的单元。有限单元法适用于边界形状较为复杂的区域，是当前多数CFD所采用的主要方法。有限差分法以微分方程为主，对计算区域进行离散处理后采用差分来代替微分，从而将边界条件求解与微分方程结合为一个线性代数方程组的数值求解。它是空调室内多种数值模拟长期以来采用最多的一种方法[1]。

2.FLUENT软件的主要特点

FLUENT软件主要由求解器、前处理和后处理三大模块构成。

求解器是FLUENT软件的核心部分，其数学模型是以各种湍流模型和纳斯-斯托克斯方程组为主，以自由面膜型、燃烧与化学反应流模型和非牛顿流体模型等为辅。而多数附加模型则通常是在主体方程组上补充一些附加输运方程和关系式。求解器采用有限体积法离散方程、压力校正法和偶合法进行计算，其计算精度和稳定性都比传统计算方法要高[2]。

前处理模块主要采用GAMBIT作为专门的网格制作工具，利用这种工具生成的网格可以有多种形状。例如，对于二维流动可以生成矩形和三角形网格，对于三维流动可以生成四面体、六面体和金字塔等形状的网格。根据具体计算，还可以生成混合型网格。FLUENT软件所具有的自适应功能，可以对网格进行粗化或细分，可以使生成的网格不连续，或是生成可滑动、可变网格。

后处理模块具有三维显示功能，既可以显示各种流动特性，又可以以动画的形式演示非定常过程[3]。

FLUENT软件采用的二阶上风格式，可以实现对畸变网格的较好处理，实现在技术上的领先。

3.FLUENT在暖通空调领域中的具体运用

以经济技术为指导，通过合理的设备选型和系统设计来实现人们对室内气候环境的要求，如温度、湿度等，是暖通空调进行设计的根本目的。为了实现以上目的，为了实现对室内各项环境参数的合理控制，为了向人们提供更优质的空调服务，就必须掌握室内环境参数的分布特征，并对其进行科学准确的计算。除模型实验之外，CFD技术是唯一一个可以对三次元室内气流分布特征进行详细解析的有效手段。根据CFD技术这一优势，本文以传统壁挂式空调室内气流组织为例，利用FLUENT软件来模拟计算其温度场数值。

3.1建立模型

现设定传统挂壁式空调原始参数如下：制冷/制热量为2500W，几何尺寸为240mm×760mm×180mm，出风温度为制热40摄氏度、制冷16摄氏度，出风角度为45度，出风速度为强风出风5m/s。为了使试验结果更接近于实际，需要根据这些参数建立适当的室内有限元模型，建立长5m、宽4m、高3m的三维立体房间模型。将呈坐姿状态的、本身不会发热的人体模型置于房间中间，将空调安装在房间内较狭窄的一面，房间内无任何热源装置。

另外，将边界条件设定为空调制冷时室内初始温度为30摄氏度，制冷时初始温度为5摄氏度，房间6面墙绝热。模型采用整体连续网格结构，运用相关工具生成网格，计算出网格数为36000，再通过利用湍流模型和相关计算方法列出方程组，最终计算出模型数值[4]。

3.2计算结果

根据计算结果发现，人体模型垂直方向存在温度梯度，头部温度要高于脚部。这是因为冷空气的密度要大于热空气，且向下趋势明显，因而导致室内温度呈现出一种空间下部降温比上部快的现象。室内存在温度差会导致人体局部性热感不适。虽然这种空调一开始会给室内造成温度差，但随着时间的推移，人体温度梯度会逐渐减小，当温度差趋于稳定状态时，人体头部温度会高出脚部温度约2摄氏度左右，符合国际通用舒适度指标PPD和PWV所规定舒适条件的最高温度差3摄氏度。

总结：本文通过对CFD技术的介绍来说明其对暖通空调产业的所产生的重要影响，并在此基础上分析了作为CFD技术中主流软件FLUENT的主要特点，最后介绍了FLUENT软件在暖通空调领域中的具体应用。商用软件是科研领域、工程领域等经常使用的一种重要计算工具。根据上文描述可知，暖通空调应用FLUENT软件来进行流体分析与计算，不仅无需编程、节省大量时间，而且极大的优化了暖通空调系统的算法，既有利于系统设计人员更好的确定参数，又能够大大提高工作效率。

参考文獻：

[1]赵琴. Fluent软件的技术特点及其在暖通空调领域的应用[J]. 计算机应用，2003，S2：424-425.

[2]刘荣，陶乐仁. Fluent数值模拟在制冷与空调领域中的应用[J]. 低温与超导，2010，10：77-80.

[3]潘云钢. 我国暖通空调自动控制系统的现状与发展[J]. 暖通空调，2012，11：1-8.

[4]李志生，张国强，刘建龙. 暖通空调系统故障检测与诊断研究进展[J]. 暖通空调，2005，12：31-38+67.